Autonoma fordon som förlitar sig på ljusbaserade bildsensorer kämpar ofta för att se igenom bländande förhållanden, som dimma. Men MIT-forskare har utvecklat ett mottagningssystem för sub-terahertz-strålning som kan hjälpa till att styra förarlösa bilar när traditionella metoder misslyckas.

Sub-terahertz våglängder, som befinner sig mellan mikrovågs- ​​och infraröd strålning på det elektromagnetiska spektrumet, kan lätt upptäckas genom dimma och dammmoln, medan de infrarödbaserade LiDAR-bildsystemen som används i autonoma fordon kämpar. För att upptäcka föremål, ett sub-terahertz-avbildningssystem sänder en initial signal genom en sändare; en mottagare mäter sedan absorptionen och reflektionen av de studsande sub-terahertz-våglängderna. Det skickar en signal till en processor som återskapar en bild av objektet.

Men att implementera sub-terahertz-sensorer i förarlösa bilar är utmanande. Känslig, noggrann objektigenkänning kräver en stark utgående basbandssignal från mottagare till processor. Traditionella system, gjorda av diskreta komponenter som producerar sådana signaler, är stora och dyra. Mindre, det finns sensorarrayer på chip, men de producerar svaga signaler.

I en tidning publicerad online den 8 februari av IEEE Journal of Solid-State Circuits , forskarna beskriver en tvådimensionell, sub-terahertz-mottagningsarray på ett chip som är storleksordningar känsligare, vilket innebär att den bättre kan fånga och tolka sub-terahertz-våglängder i närvaro av mycket signalbrus.

För att uppnå detta, de implementerade ett schema med oberoende signalblandningspixlar – kallade "heterodyndetektorer" – som vanligtvis är mycket svåra att tätt integrera i chips. Forskarna krympte drastiskt storleken på heterodyndetektorerna så att många av dem kan passa in i ett chip. Tricket var att skapa en kompakt, multifunktionskomponent som samtidigt kan mixa ner ingångssignaler, synkronisera pixelmatrisen, och producera starka utgående basbandssignaler.

Forskarna byggde en prototyp, som har en 32-pixel array integrerad på en enhet på 1,2 kvadratmillimeter. Pixlarna är cirka 4, 300 gånger känsligare än pixlarna i dagens bästa on-chip sub-terahertz array-sensorer. Med lite mer utveckling, chippet skulle potentiellt kunna användas i förarlösa bilar och autonoma robotar.

"En stor motivation för detta arbete är att ha bättre "elektriska ögon" för autonoma fordon och drönare, " säger medförfattaren Ruonan Han, en docent i elektroteknik och datavetenskap, och direktör för Terahertz Integrated Electronics Group i MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Vår lågkostnad, on-chip sub-terahertz-sensorer kommer att spela en komplementär roll till LiDAR när miljön är tuff."

Med Han på tidningen är första författaren Zhi Hu och medförfattaren Cheng Wang, både Ph.D. studenter på institutionen för elektroteknik och datavetenskap som arbetar i Hans forskargrupp.

Decentraliserad design

Nyckeln till designen är vad forskarna kallar "decentralisering". I denna design, en enda pixel – kallad en "heterodyn" pixel – genererar frekvensslaget (frekvensskillnaden mellan två inkommande sub-terahertz-signaler) och den "lokala svängningen, " en elektrisk signal som ändrar frekvensen för en ingångsfrekvens. Denna "nedmixning"-process producerar en signal i megahertzområdet som lätt kan tolkas av en basbandsprocessor.

Utsignalen kan användas för att beräkna avståndet mellan objekt, liknande hur LiDAR beräknar den tid det tar för en laser att träffa ett föremål och studsa. Dessutom, kombinera utsignalerna från en array av pixlar, och styra pixlarna i en viss riktning, kan möjliggöra högupplösta bilder av en scen. Detta möjliggör inte bara upptäckt utan också igenkänning av objekt, vilket är avgörande i autonoma fordon och robotar.

Heterodyne pixelmatriser fungerar endast när de lokala oscillationssignalerna från alla pixlar är synkroniserade, vilket innebär att en signalsynkroniseringsteknik behövs. Centraliserade konstruktioner inkluderar ett enda nav som delar lokala oscillationssignaler till alla pixlar.

Dessa konstruktioner används vanligtvis av mottagare med lägre frekvenser, och kan orsaka problem vid sub-terahertz frekvensband, där det är notoriskt svårt att generera en högeffektssignal från ett enda nav. När arrayen skalas upp, kraften som delas av varje pixel minskar, minskning av basbandets signalstyrka, vilket är starkt beroende av kraften hos den lokala svängningssignalen. Som ett resultat, en signal som genereras av varje pixel kan vara mycket svag, leder till låg känslighet. Vissa on-chip sensorer har börjat använda denna design, men är begränsade till åtta pixlar.

Forskarnas decentraliserade design tacklar denna avvägning mellan skala och känslighet. Varje pixel genererar sin egen lokala oscillationssignal, används för att ta emot och nedmixa den inkommande signalen. Dessutom, en integrerad kopplare synkroniserar sin lokala oscillationssignal med den hos sin granne. Detta ger varje pixel mer uteffekt, eftersom den lokala oscillationssignalen inte flödar från ett globalt nav.

En bra analogi för den nya decentraliserade designen är ett bevattningssystem, säger Han. Ett traditionellt bevattningssystem har en pump som leder en kraftfull vattenström genom ett rörledningsnätverk som distribuerar vatten till många sprinklerplatser. Varje sprinkler spottar ut vatten som har ett mycket svagare flöde än det initiala flödet från pumpen. Om du vill att sprinklerna ska pulsera i exakt samma takt, som skulle kräva ett annat kontrollsystem.

Forskarnas design, å andra sidan, ger varje plats sin egen vattenpump, eliminerar behovet av att ansluta rörledningar, och ger varje sprinkler sin egen kraftfulla vatteneffekt. Varje sprinkler kommunicerar också med sin granne för att synkronisera deras pulsfrekvenser. "Med vår design, det finns i princip ingen gräns för skalbarhet, Han säger. "Du kan ha hur många webbplatser du vill, och varje plats pumpar fortfarande ut samma mängd vatten ... och alla pumpar pulserar tillsammans."

Den nya arkitekturen, dock, gör potentiellt fotavtrycket för varje pixel mycket större, vilket utgör en stor utmaning för storskaligheten, högdensitetsintegration på ett array-sätt. I sin design, forskarna kombinerade olika funktioner av fyra traditionellt separata komponenter - antenn, nedmixer, oscillator, och kopplare – till en enda "multitasking"-komponent som ges till varje pixel. Detta möjliggör en decentraliserad design på 32 pixlar.

"Vi designade en multifunktionell komponent för en [decentraliserad] design på ett chip och kombinerar några diskreta strukturer för att krympa storleken på varje pixel, " säger Hu. "Även om varje pixel utför komplicerade operationer, den behåller sin kompakthet, så vi kan fortfarande ha en storskalig tät array."

Styrs av frekvenser

För att systemet ska kunna mäta ett objekts avstånd, frekvensen för den lokala oscillationssignalen måste vara stabil.

För detta ändamål, forskarna inkorporerade i sitt chip en komponent som kallas en faslåst slinga, som låser sub-terahertz-frekvensen för alla 32 lokala oscillationssignaler till en stabil, lågfrekvent referens. Eftersom pixlarna är kopplade, deras lokala oscillationssignaler delar alla identiska, hög stabilitet fas och frekvens. Detta säkerställer att meningsfull information kan extraheras från de utgående basbandssignalerna. Hela denna arkitektur minimerar signalförlust och maximerar kontrollen.

"Sammanfattningsvis, vi uppnår en sammanhängande uppsättning, samtidigt med mycket hög lokal oscillationseffekt för varje pixel, så att varje pixel uppnår hög känslighet, " säger Hu.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.