给自动驾驶汽车更敏锐的“电眼”

依靠基于光照的图像传感器的自动驾驶汽车常常在雾等致盲条件下难以看清。但麻省理工学院的研究人员开发了一种亚太赫兹的辐射接收系统，当传统方法失效时，它可以帮助驾驶无人驾驶汽车。

图片说明：麻省理工学院的研究人员开发了一种利用亚太赫兹波长进行物体识别的芯片，该芯片可以与基于光的图像传感器相结合，帮助无人驾驶汽车在雾中行驶。

亚太赫兹波长介于微波和电磁频谱红外辐射之间，可以很容易地通过雾和尘埃云探测到，而用于自主车辆的红外激光雷达成像系统则很困难。为了探测物体，一个亚太赫兹成像系统通过发射器发送一个初始信号；然后接收器测量反弹的亚太赫兹波长的吸收和反射。向重新创建对象图像的处理器发送信号。

但是在无人驾驶汽车上安装亚太赫兹传感器是一项挑战。敏感、准确的目标识别需要从接收器到处理器的强大的输出基带信号。传统的系统由产生这种信号的分立元件组成，体积庞大，价格昂贵。存在更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固态电路杂志》在线发表的一篇论文中，研究人员描述了一个二维亚太赫兹接收阵列，它位于一个数量级更为敏感的芯片上，这意味着它可以更好地捕获和解释存在大量信号噪声的亚太赫兹波长。

为了实现这一点，他们实施了一种独立的信号混合像素方案，称为“外差检测器”，通常很难集中集成到芯片中。研究人员大幅缩小了外差探测器的尺寸，使它们中的许多可以安装到芯片中。诀窍是创造一个紧凑的，多用途的组件，可以同时降低输入信号，同步像素阵列，并产生强大的输出基带信号。

研究人员建立了一个原型，在一个1.2平方毫米的设备上集成了一个32像素的阵列。在当今最好的片上亚太赫兹阵列传感器中，像素的灵敏度大约是像素的4300倍。随着技术的进一步发展，该芯片有望用于无人驾驶汽车和自动机器人。

“这项工作的一个重要动机是为自动车辆和无人机提供更好的“电眼”，本文的合著者、麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的电子工程和计算机科学副教授、太赫兹集成电子组主任阮南韩说。“我们的低成本、片上亚太赫兹传感器将在恶劣环境下对激光雷达起到补充作用。”

本文中加入韩寒的是第一作者胡志虎和合著者王成成，他们都是韩寒研究小组电气工程和计算机科学系的博士生。

分散设计

设计的关键是研究人员所说的“去中心化”。在这个设计中，一个称为“外差”像素的像素产生频率拍频（两个输入的次太赫兹信号之间的频率差）和“局部振荡”，一个改变输入频率的电信号。这种“向下混合”过程产生的信号在兆赫范围内，可以很容易地被基带处理器解释。

输出信号可用于计算物体的距离，类似于激光雷达计算激光击中物体和反弹所需的时间。此外，结合像素阵列的输出信号，并将像素转向某个方向，可以实现场景的高分辨率图像。这不仅允许检测对象，还允许识别对象，这在自动车辆和机器人中至关重要。

外差像素阵列仅在所有像素的局部振荡信号同步时工作，这意味着需要一种信号同步技术。集中式设计包括一个单一的集线器，该集线器将本地振荡信号共享给所有像素。

这些设计通常被较低频率的接收器使用，并可能导致次太赫兹频段的问题，在那里从单个集线器生成高功率信号是众所周知的困难。随着阵列的放大，每个像素所共享的功率减小，从而降低了输出基带信号的强度，这高度依赖于局部振荡信号的功率。因此，每个像素产生的信号可能非常弱，从而导致低灵敏度。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。

研究人员的分散设计解决了这种规模敏感性权衡。每个像素产生自己的局部振荡信号，用于接收和向下混合输入信号。此外，一个集成耦合器同步其本地振荡信号与邻国。这就给了每个像素更多的输出功率，因为局部振荡信号不会从全局集线器流出。

对于新的分散式设计，一个很好的类比就是灌溉系统，韩说。传统的灌溉系统有一个泵，它通过一个管道网络引导一股强大的水流，该管道网络将水分配到许多喷水点。每个喷水器都会喷出比泵的初始流量弱得多的水。如果你想让喷水器以完全相同的速度脉动，那就需要另一个控制系统。

另一方面，研究人员的设计为每个场地提供了自己的水泵，消除了连接管道的需要，并为每个喷水器提供了自己强大的水输出。每个喷水器还与相邻的喷水器通信，以同步其脉冲速率。“我们的设计基本上没有可扩展性的边界，”韩说。“你可以有任意多的地点，而且每个地点的抽水量都是一样的……所有的水泵都在一起跳动。”

然而，新的架构可能会使每个像素的足迹更大，这对以阵列方式进行大规模、高密度集成构成了巨大挑战。在他们的设计中，研究人员将四个传统上独立的组件（天线、下混频器、振荡器和耦合器）的各种功能组合成一个单一的“多任务”组件，并赋予每个像素。这允许32像素的分散设计。

“我们在芯片上设计了一个多功能部件用于（分散）设计，并结合了一些离散结构来缩小每个像素的大小，”胡说。“即使每个像素执行复杂的操作，它仍然保持其紧凑性，因此我们仍然可以拥有一个大型密集阵列。”

以频率为导向

为了使系统能够测量物体的距离，局部振荡信号的频率必须是稳定的。

为此，研究人员将一个称为锁相环的部件集成到他们的芯片中，将32个局部振荡信号的次太赫兹频率锁定到一个稳定的低频基准。由于像素是耦合的，它们的局部振荡信号都具有相同的、高稳定性的相位和频率。这样可以确保从输出基带信号中提取有意义的信息。整个体系结构最大限度地减少信号损失和控制。

胡说：“总之，我们实现了一个相干阵列，同时每个像素都具有很高的局部振荡功率，因此每个像素都实现了高灵敏度。”