为自动驾驶汽车提供更敏锐的电视力

依赖于基于光的图像传感器的自动驾驶车辆经常难以看到诸如雾的盲目条件。但麻省理工学院的研究人员开发了一种亚太赫兹辐射接收系统，可以在传统方法失败时帮助驾驶无人驾驶汽车。

亚太赫兹波长在电磁波谱上的微波和红外辐射之间可以通过雾和尘云轻易地检测到，而用于自动驾驶车辆的基于红外的LiDAR成像系统很难。为了检测物体，亚太赫兹成像系统通过发射器发送初始信号; 接收器然后测量反弹亚太赫兹波长的吸收和反射。这会向重新生成对象图像的处理器发送信号。

但将亚太赫兹传感器应用于无人驾驶汽车具有挑战性。敏感，准确的物体识别需要从接收器到处理器的强输出基带信号。由产生这种信号的分立元件制成的传统系统庞大且昂贵。存在较小的片上传感器阵列，但它们产生微弱信号。

在2月8日由IEEE Journal of Solid-State Circuits在线发表的一篇论文中，研究人员描述了一个芯片上的二维亚太赫兹接收阵列，该阵列的灵敏度要高出几个数量级，这意味着它可以更好地捕获和解释子在存在大量信号噪声的情况下，每个波长的波长。

为了实现这一目标，他们实施了一种独立的信号混合像素方案 - 称为“外差探测器” - 通常很难密集地集成到芯片中。研究人员大幅缩小了外差探测器的尺寸，使其中许多可以装入芯片。诀窍是创建一个紧凑的多用途组件，可以同时降低输入信号的混音，同步像素阵列，并产生强大的输出基带信号。

研究人员构建了一个原型，它在一个1.2平方毫米的设备上集成了一个32像素的阵列。这些像素比当今最好的片上亚太赫兹阵列传感器的像素灵敏度大约高4300倍。随着更多的发展，该芯片可能用于无人驾驶汽车和自动机器人。

“这项工作的一大动力是为自动驾驶汽车和无人机提供更好的'电动眼'，”共同作者，电气工程和计算机科学副教授，麻省理工学院微系统太赫兹集成电子集团总监Ruonan Han说。技术实验室(MTL)。“当环境恶劣时，我们的低成本片上亚太赫兹传感器将与LiDAR发挥互补作用。”

在论文中加入汉族是第一作者Zhi Hu和合着者Cheng Wang，两位博士都是博士。在汉族研究小组工作的电气工程和计算机科学系的学生。

分散式设计

设计的关键是研究人员称之为“分散化”。在该设计中，称为“外差”像素的单个像素产生频率差拍(两个输入的子太赫兹信号之间的频率差)和“本地振荡”，即改变输入频率的频率的电信号。这种“向下混合”过程产生兆赫兹范围内的信号，可以通过基带处理器轻松解释。

输出信号可用于计算物体的距离，类似于LiDAR如何计算激光击中物体和反弹所需的时间。另外，组合像素阵列的输出信号，并沿特定方向操纵像素，可以实现场景的高分辨率图像。这不仅允许检测而且还允许识别物体，这在自动车辆和机器人中是关键的。

外差像素阵列仅在来自所有像素的本地振荡信号同步时起作用，这意味着需要信号同步技术。集中式设计包括单个集线器，其向所有像素共享本地振荡信号。

这些设计通常由较低频率的接收器使用，并且可能在亚太赫兹频带产生问题，其中从单个集线器产生高功率信号是众所周知的困难。随着阵列向上扩展，每个像素共享的功率减小，从而降低了输出基带信号强度，这很大程度上取决于本地振荡信号的功率。结果，由每个像素产生的信号可能非常弱，导致低灵敏度。一些片上传感器已经开始使用这种设计，但仅限于8个像素。

研究人员的分散式设计解决了这种尺度敏感性的权衡问题。每个像素产生其自己的本地振荡信号，用于接收和下混合输入信号。此外，集成耦合器使其本地振荡信号与其相邻振荡信号同步。这给每个像素提供了更多的输出功率，因为​​本地振荡信号不会从全球集线器流出。

韩说，新的分散式设计的一个很好的类比是灌溉系统。传统的灌溉系统有一个泵，通过管道网络引导强大的水流，将水分配到许多洒水站点。每个洒水喷头喷出的水流量比来自泵的初始流量弱得多。如果您希望洒水喷头以完全相同的速率脉动，则需要另一个控制系统。

另一方面，研究人员的设计为每个站点提供了自己的水泵，无需连接管道，并为每个喷头提供了强大的水输出。每个洒水喷头还与其邻居通信以同步其脉搏率。“通过我们的设计，可伸缩性基本上没有边界，”Han说。“你可以拥有任意数量的站点，每个站点仍然抽出相同数量的水......并且所有泵都在一起脉动。”

然而，新架构可能使每个像素的占位面积更大，这对阵列方式的大规模高密度集成提出了巨大挑战。在他们的设计中，研究人员将四个传统上独立的组件 - 天线，降混器，振荡器和耦合器 - 的各种功能组合成一个给予每个像素的单个“多任务”组件。这允许32像素的分散设计。

“我们为芯片上的[分散式]设计设计了一个多功能组件，并结合了一些分立结构来缩小每个像素的尺寸，”胡说。“即使每个像素执行复杂的操作，它仍保持其紧凑性，因此我们仍然可以拥有大规模的密集阵列。”

以频率为导向

为了使系统测量物体的距离，本地振荡信号的频率必须是稳定的。

为此，研究人员在其芯片中加入了一个称为锁相环的元件，它将所有32个本地振荡信号的亚太赫兹频率锁定为稳定的低频参考。因为像素是耦合的，所以它们的本地振荡信号都具有相同的高稳定性相位和频率。这确保了可以从输出基带信号中提取有意义的信息。整个架构可最大限度地减少信号损失并最大化控制。

“总之，我们实现了一个相干阵列，同时每个像素具有非常高的局部振荡功率，因此每个像素都能实现高灵敏度，”胡说。