導(dǎo)讀：依賴基于環(huán)境光的圖像傳感器的自動(dòng)駕駛車輛，通常難以應(yīng)對濃霧等炫目環(huán)境。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)出了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)，可以在傳統(tǒng)傳感方案失效時(shí)為無人駕駛汽車提供輔助。

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種使用亞太赫茲波段進(jìn)行物體識(shí)別的芯片，它可以與其它基于光的圖像傳感器相結(jié)合，幫助自動(dòng)駕駛車輛透視濃霧

依賴基于環(huán)境光的圖像傳感器的自動(dòng)駕駛車輛，通常難以應(yīng)對濃霧等炫目環(huán)境。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)出了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)，可以在傳統(tǒng)傳感方案失效時(shí)為無人駕駛汽車提供輔助。

亞太赫茲波段在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間，很容易穿過濃霧和塵云而被探測，而目前自動(dòng)駕駛車輛廣泛采用的基于紅外的激光雷達(dá)（LiDAR）成像系統(tǒng)卻很困難。亞太赫茲成像系統(tǒng)通過發(fā)射器發(fā)送初始信號(hào)，再由接收器測量反射亞太赫茲波的吸收和反射，實(shí)現(xiàn)物體探測。然后將信號(hào)發(fā)送至處理器，重建物體的圖像。

但將亞太赫茲傳感器應(yīng)用于無人駕駛汽車仍具有挑戰(zhàn)性。精確、靈敏的物體識(shí)別需要很強(qiáng)的輸出基帶信號(hào)從接收器發(fā)送到處理器，而由生成這種信號(hào)的分立元件制成的傳統(tǒng)系統(tǒng)龐大且昂貴。小尺寸芯片上的傳感器陣列已經(jīng)誕生，但是它們產(chǎn)生的信號(hào)很微弱。

在近日由IEEEJournalofSolid-StateCircuits線上出版的一篇論文中，麻省理工學(xué)院的研究人員介紹了一種芯片上的二維亞太赫茲接收陣列，該陣列的靈敏度相比過去的片上傳感陣列要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著它可以在大量信號(hào)噪聲的背景下，更好地捕捉和利用亞太赫茲波。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，麻省理工學(xué)院的研究人員采用了一種獨(dú)立的信號(hào)混合像素方案，稱為“外差探測器”，這種方案通常很難在芯片中密集集成。麻省理工學(xué)院的研究人員大幅縮小了外差探測器的尺寸，使其能夠大量集成到芯片中。其技術(shù)訣竅是構(gòu)建了一種緊湊的多用途組件，可以同時(shí)降低下混合輸入信號(hào)，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)建的原型產(chǎn)品在一個(gè)1.2平方毫米的器件上集成了一個(gè)32像素的陣列。這些像素的靈敏度比目前最好的片上亞太赫茲陣列傳感器高大約4300倍。隨著進(jìn)一步的開發(fā)，這款芯片或能用于無人駕駛汽車和自動(dòng)機(jī)器人。

“這項(xiàng)研究旨在為自動(dòng)駕駛汽車和無人機(jī)提供更好的‘電子眼’，”本研究共同作者、麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授RuonanHan說，Han還是麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）太赫茲集成電子組的主管，“在惡劣環(huán)境下，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器可以為LiDAR傳感器發(fā)揮互補(bǔ)作用。”

該論文其它作者包括第一作者ZhiHu和合著者ChengWang，他們兩位都是電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系Han研究小組的博士研究生。

分散式設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵被研究人員稱之為“分散化”。在這種設(shè)計(jì)中，被稱為“外差”像素的單個(gè)像素，產(chǎn)生頻率差拍，或兩個(gè)輸入亞太赫茲信號(hào)之間的頻率差。它還產(chǎn)生“本振”，即改變輸入頻率的電信號(hào)。這種“下混合”過程可產(chǎn)生兆赫茲范圍的信號(hào)，并可由基帶處理器輕松解讀。

其輸出信號(hào)可用于計(jì)算物體的距離，跟LiDAR計(jì)算激光射到物體并反彈所需要的時(shí)間類似。另外，整合像素陣列的輸出信號(hào)，并控制其方向，可以實(shí)現(xiàn)場景的高分辨率圖像。因而不僅可以實(shí)現(xiàn)物體的探測，還可以識(shí)別物體，這在自動(dòng)駕駛和機(jī)器人應(yīng)用中很關(guān)鍵。

外差像素陣列僅在來自所有像素的本振信號(hào)同步時(shí)起作用，這意味著需要一種信號(hào)同步技術(shù)。集中式設(shè)計(jì)包括一個(gè)單個(gè)集線器，可向所有像素共享本振信號(hào)。

這些設(shè)計(jì)通常被較低頻率的接收器所采用，在亞太赫茲頻帶可能會(huì)產(chǎn)生一些問題。眾所周知在亞太赫茲頻帶從單個(gè)集線器產(chǎn)生高功率信號(hào)是較困難的。隨著陣列擴(kuò)大，每個(gè)像素共享的功率會(huì)降低，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振信號(hào)的功率。

結(jié)果，每個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)可能就非常弱了，導(dǎo)致傳感陣列的靈敏度降低。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。

麻省理工學(xué)院研究人員的分散式設(shè)計(jì)解決了對陣列規(guī)模的敏感問題。每個(gè)像素產(chǎn)生自己的本振信號(hào)，用于接收和下混合輸入信號(hào)。此外，集成耦合器可使每個(gè)像素的本振信號(hào)與其相鄰像素的振蕩信號(hào)同步。這給每個(gè)像素提供了更高的輸出功率，因?yàn)楸菊裥盘?hào)不會(huì)從全局集線器流出。

Han說，這種新型分散式設(shè)計(jì)好比是灌溉系統(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，將水分配到許多噴灑點(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。如果希望灑水噴頭以完全相同的速率噴灑，則需要另一種控制系統(tǒng)。

研究人員的設(shè)計(jì)相當(dāng)于為每個(gè)噴灑點(diǎn)提供了自己的水泵，無需連接管道，為每個(gè)噴頭提供了強(qiáng)大的水流輸出。并且，每個(gè)灑水噴頭還與其相鄰的噴頭通信，以同步其脈沖速率。

“通過我們的設(shè)計(jì)，傳感陣列的擴(kuò)展性基本上沒有限制，”Han說，“可以根據(jù)需要打造任意數(shù)量的‘噴灑點(diǎn)’，并且所有‘泵’都可以同步泵出相同量的水?！?/p>

不過，這種新架構(gòu)有可能使每個(gè)像素的占位面積更大，從而對陣列方式的大規(guī)模高密度集成提出了巨大挑戰(zhàn)。在他們的設(shè)計(jì)中，研究人員將傳統(tǒng)上獨(dú)立的四個(gè)組件（天線、混頻器、振蕩器和耦合器）的各種功能整合到一個(gè)分配給每個(gè)像素的“多任務(wù)”組件中。這實(shí)現(xiàn)了一種32像素的分散設(shè)計(jì)。

“我們?yōu)樾酒系倪@種‘分散式’設(shè)計(jì)打造了一種多功能組件，并結(jié)合了一些分立結(jié)構(gòu)來縮小每個(gè)像素的尺寸，”Hu說，“盡管每個(gè)像素都要執(zhí)行復(fù)雜的操作，但仍能保持其緊湊的尺寸，因此我們可以構(gòu)建大規(guī)模高密度陣列?！?/p>

用亞太赫茲頻率導(dǎo)航

為了使系統(tǒng)能夠測量物體的距離，本振信號(hào)的頻率必須穩(wěn)定。

為此，研究人員在其芯片中加入了一個(gè)被稱為鎖相環(huán)的元件，它能夠?qū)⑺?2個(gè)本振信號(hào)的亞太赫茲頻率鎖定為穩(wěn)定的低頻參考。

第一款集成鎖相環(huán)的太赫茲輻射單元

因?yàn)橄袼厥邱詈系?，所以它們的本振信?hào)都具有相同的高穩(wěn)定相位和頻率。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)最大限度地降低了信號(hào)損失，并最大化了可控性。

“總體來說，我們實(shí)現(xiàn)了一種相干陣列，同時(shí)每個(gè)像素具有非常高的本振功率，因此每個(gè)像素都具有很高的靈敏度，”Hu說。

聲明：本文為轉(zhuǎn)載類文章，如涉及版權(quán)問題，請及時(shí)聯(lián)系我們刪除（QQ: 2737591964），不便之處，敬請諒解！