為自動(dòng)駕駛汽車提供更敏銳的電視力

依賴于基于光的圖像傳感器的自動(dòng)駕駛車輛經(jīng)常難以看到諸如霧的盲目條件。但麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)，可以在傳統(tǒng)方法失敗時(shí)幫助駕駛無(wú)人駕駛汽車。

亞太赫茲波長(zhǎng)在電磁波譜上的微波和紅外輻射之間可以通過霧和塵云輕易地檢測(cè)到，而用于自動(dòng)駕駛車輛的基于紅外的LiDAR成像系統(tǒng)很難。為了檢測(cè)物體，亞太赫茲成像系統(tǒng)通過發(fā)射器發(fā)送初始信號(hào); 接收器然后測(cè)量反彈亞太赫茲波長(zhǎng)的吸收和反射。這會(huì)向重新生成對(duì)象圖像的處理器發(fā)送信號(hào)。

但將亞太赫茲傳感器應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車具有挑戰(zhàn)性。敏感，準(zhǔn)確的物體識(shí)別需要從接收器到處理器的強(qiáng)輸出基帶信號(hào)。由產(chǎn)生這種信號(hào)的分立元件制成的傳統(tǒng)系統(tǒng)龐大且昂貴。存在較小的片上傳感器陣列，但它們產(chǎn)生微弱信號(hào)。

在2月8日由IEEE Journal of Solid-State Circuits在線發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了一個(gè)芯片上的二維亞太赫茲接收陣列，該陣列的靈敏度要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著它可以更好地捕獲和解釋子在存在大量信號(hào)噪聲的情況下，每個(gè)波長(zhǎng)的波長(zhǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們實(shí)施了一種獨(dú)立的信號(hào)混合像素方案 - 稱為“外差探測(cè)器” - 通常很難密集地集成到芯片中。研究人員大幅縮小了外差探測(cè)器的尺寸，使其中許多可以裝入芯片。訣竅是創(chuàng)建一個(gè)緊湊的多用途組件，可以同時(shí)降低輸入信號(hào)的混音，同步像素陣列，并產(chǎn)生強(qiáng)大的輸出基帶信號(hào)。

研究人員構(gòu)建了一個(gè)原型，它在一個(gè)1.2平方毫米的設(shè)備上集成了一個(gè)32像素的陣列。這些像素比當(dāng)今最好的片上亞太赫茲陣列傳感器的像素靈敏度大約高4300倍。隨著更多的發(fā)展，該芯片可能用于無(wú)人駕駛汽車和自動(dòng)機(jī)器人。

“這項(xiàng)工作的一大動(dòng)力是為自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人機(jī)提供更好的'電動(dòng)眼'，”共同作者，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授，麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)太赫茲集成電子集團(tuán)總監(jiān)Ruonan Han說。技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)。“當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將與LiDAR發(fā)揮互補(bǔ)作用。”

在論文中加入漢族是第一作者Zhi Hu和合著者Cheng Wang，兩位博士都是博士。在漢族研究小組工作的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的學(xué)生。

分散式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是研究人員稱之為“分散化”。在該設(shè)計(jì)中，稱為“外差”像素的單個(gè)像素產(chǎn)生頻率差拍(兩個(gè)輸入的子太赫茲信號(hào)之間的頻率差)和“本地振蕩”，即改變輸入頻率的頻率的電信號(hào)。這種“向下混合”過程產(chǎn)生兆赫茲范圍內(nèi)的信號(hào)，可以通過基帶處理器輕松解釋。

輸出信號(hào)可用于計(jì)算物體的距離，類似于LiDAR如何計(jì)算激光擊中物體和反彈所需的時(shí)間。另外，組合像素陣列的輸出信號(hào)，并沿特定方向操縱像素，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的高分辨率圖像。這不僅允許檢測(cè)而且還允許識(shí)別物體，這在自動(dòng)車輛和機(jī)器人中是關(guān)鍵的。

外差像素陣列僅在來自所有像素的本地振蕩信號(hào)同步時(shí)起作用，這意味著需要信號(hào)同步技術(shù)。集中式設(shè)計(jì)包括單個(gè)集線器，其向所有像素共享本地振蕩信號(hào)。

這些設(shè)計(jì)通常由較低頻率的接收器使用，并且可能在亞太赫茲頻帶產(chǎn)生問題，其中從單個(gè)集線器產(chǎn)生高功率信號(hào)是眾所周知的困難。隨著陣列向上擴(kuò)展，每個(gè)像素共享的功率減小，從而降低了輸出基帶信號(hào)強(qiáng)度，這很大程度上取決于本地振蕩信號(hào)的功率。結(jié)果，由每個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)可能非常弱，導(dǎo)致低靈敏度。一些片上傳感器已經(jīng)開始使用這種設(shè)計(jì)，但僅限于8個(gè)像素。

研究人員的分散式設(shè)計(jì)解決了這種尺度敏感性的權(quán)衡問題。每個(gè)像素產(chǎn)生其自己的本地振蕩信號(hào)，用于接收和下混合輸入信號(hào)。此外，集成耦合器使其本地振蕩信號(hào)與其相鄰振蕩信號(hào)同步。這給每個(gè)像素提供了更多的輸出功率，因?yàn)??本地振蕩信號(hào)不會(huì)從全球集線器流出。

韓說，新的分散式設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的類比是灌溉系統(tǒng)。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)有一個(gè)泵，通過管道網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)強(qiáng)大的水流，將水分配到許多灑水站點(diǎn)。每個(gè)灑水噴頭噴出的水流量比來自泵的初始流量弱得多。如果您希望灑水噴頭以完全相同的速率脈動(dòng)，則需要另一個(gè)控制系統(tǒng)。

另一方面，研究人員的設(shè)計(jì)為每個(gè)站點(diǎn)提供了自己的水泵，無(wú)需連接管道，并為每個(gè)噴頭提供了強(qiáng)大的水輸出。每個(gè)灑水噴頭還與其鄰居通信以同步其脈搏率。“通過我們的設(shè)計(jì)，可伸縮性基本上沒有邊界，”Han說。“你可以擁有任意數(shù)量的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)仍然抽出相同數(shù)量的水......并且所有泵都在一起脈動(dòng)。”

然而，新架構(gòu)可能使每個(gè)像素的占位面積更大，這對(duì)陣列方式的大規(guī)模高密度集成提出了巨大挑戰(zhàn)。在他們的設(shè)計(jì)中，研究人員將四個(gè)傳統(tǒng)上獨(dú)立的組件 - 天線，降混器，振蕩器和耦合器 - 的各種功能組合成一個(gè)給予每個(gè)像素的單個(gè)“多任務(wù)”組件。這允許32像素的分散設(shè)計(jì)。

“我們?yōu)樾酒系腫分散式]設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能組件，并結(jié)合了一些分立結(jié)構(gòu)來縮小每個(gè)像素的尺寸，”胡說。“即使每個(gè)像素執(zhí)行復(fù)雜的操作，它仍保持其緊湊性，因此我們?nèi)匀豢梢該碛写笠?guī)模的密集陣列。”

以頻率為導(dǎo)向

為了使系統(tǒng)測(cè)量物體的距離，本地振蕩信號(hào)的頻率必須是穩(wěn)定的。

為此，研究人員在其芯片中加入了一個(gè)稱為鎖相環(huán)的元件，它將所有32個(gè)本地振蕩信號(hào)的亞太赫茲頻率鎖定為穩(wěn)定的低頻參考。因?yàn)橄袼厥邱詈系?，所以它們的本地振蕩信?hào)都具有相同的高穩(wěn)定性相位和頻率。這確保了可以從輸出基帶信號(hào)中提取有意義的信息。整個(gè)架構(gòu)可最大限度地減少信號(hào)損失并最大化控制。

“總之，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相干陣列，同時(shí)每個(gè)像素具有非常高的局部振蕩功率，因此每個(gè)像素都能實(shí)現(xiàn)高靈敏度，”胡說。