導讀：依賴基于環(huán)境光的圖像傳感器的自動駕駛車輛，通常難以應對濃霧等炫目環(huán)境。據麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（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)傳感方案失效時為無人駕駛汽車提供輔助。

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

依賴基于環(huán)境光的圖像傳感器的自動駕駛車輛，通常難以應對濃霧等炫目環(huán)境。據麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（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，而目前自動駕駛車輛廣泛采用的基于紅外的激光雷達（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，再由接收器測量反射亞太赫茲波的吸收和反射，實現(xiàn)物體探測。然后將信號發(fā)送至處理器，重建物體的圖像。

但將亞太赫茲傳感器應用于無人駕駛汽車仍具有挑戰(zhàn)性。精確、靈敏的物體識別需要很強的輸出基帶信號從接收器發(fā)送到處理器，而由生成這種信號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誕生，但是它們產生的信號很微弱。

在近日由IEEEJournalofSolid-StateCircuits線上出版的一篇論文中，麻省理工學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數量級，這意味著它可以在大量信號噪聲的背景下，更好地捕捉和利用亞太赫茲波。

為實現(xiàn)這一目標，麻省理工學院的研究人員采用了一種獨立的信號混合像素方案，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。其技術訣竅是構建了一種緊湊的多用途組件，可以同時降低下混合輸入信號，同步像素陣列，并產生強大的輸出基帶信號。

研究人員構建的原型產品在一個1.2平方毫米的器件上集成了一個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。隨著進一步的開發(fā)，這款芯片或能用于無人駕駛汽車和自動機器人。

“這項研究旨在為自動駕駛汽車和無人機提供更好的‘電子眼’，”本研究共同作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學副教授RuonanHan說，Han還是麻省理工學院微系統(tǒng)技術實驗室（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)揮互補作用?！?/p>

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算機科學系Han研究小組的博士研究生。

分散式設計

該設計的關鍵被研究人員稱之為“分散化”。在這種設計中，被稱為“外差”像素的單個像素，產生頻率差拍，或兩個輸入亞太赫茲信號之間的頻率差。它還產生“本振”，即改變輸入頻率的電信號。這種“下混合”過程可產生兆赫茲范圍的信號，并可由基帶處理器輕松解讀。

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

外差像素陣列僅在來自所有像素的本振信號同步時起作用，這意味著需要一種信號同步技術。集中式設計包括一個單個集線器，可向所有像素共享本振信號。

這些設計通常被較低頻率的接收器所采用，在亞太赫茲頻帶可能會產生一些問題。眾所周知在亞太赫茲頻帶從單個集線器產生高功率信號是較困難的。隨著陣列擴大，每個像素共享的功率會降低，從而降低了輸出基帶信號強度，這很大程度上取決于本振信號的功率。

結果，每個像素產生的信號可能就非常弱了，導致傳感陣列的靈敏度降低。一些片上傳感器已經開始使用這種設計，但僅限于8個像素。

麻省理工學院研究人員的分散式設計解決了對陣列規(guī)模的敏感問題。每個像素產生自己的本振信號，用于接收和下混合輸入信號。此外，集成耦合器可使每個像素的本振信號與其相鄰像素的振蕩信號同步。這給每個像素提供了更高的輸出功率，因為本振信號不會從全局集線器流出。

Han說，這種新型分散式設計好比是灌溉系統(tǒng)。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)有一個泵，通過管道網絡引導強大的水流，將水分配到許多噴灑點。每個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)。

研究人員的設計相當于為每個噴灑點提供了自己的水泵，無需連接管道，為每個噴頭提供了強大的水流輸出。并且，每個灑水噴頭還與其相鄰的噴頭通信，以同步其脈沖速率。

“通過我們的設計，傳感陣列的擴展性基本上沒有限制，”Han說，“可以根據需要打造任意數量的‘噴灑點’，并且所有‘泵’都可以同步泵出相同量的水。”

不過，這種新架構有可能使每個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)。在他們的設計中，研究人員將傳統(tǒng)上獨立的四個組件（天線、混頻器、振蕩器和耦合器）的各種功能整合到一個分配給每個像素的“多任務”組件中。這實現(xiàn)了一種32像素的分散設計。

“我們?yōu)樾酒系倪@種‘分散式’設計打造了一種多功能組件，并結合了一些分立結構來縮小每個像素的尺寸，”Hu說，“盡管每個像素都要執(zhí)行復雜的操作，但仍能保持其緊湊的尺寸，因此我們可以構建大規(guī)模高密度陣列。”

用亞太赫茲頻率導航

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

為此，研究人員在其芯片中加入了一個被稱為鎖相環(huán)的元件，它能夠將所有32個本振信號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

因為像素是耦合的，所以它們的本振信號都具有相同的高穩(wěn)定相位和頻率。這確保了可以從輸出基帶信號中提取有意義的信息。整個架構最大限度地降低了信號損失，并最大化了可控性。

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

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