帮助自动驾驶汽车在雾和灰尘中行驶的传感器被开发出来

依靠基于光的图像传感器的自动驾驶汽车往往很难看透雾等令人眼花缭乱的环境。但麻省理工学院的研究人员已经开发出一种亚太赫兹辐射接收系统，可以在传统方法失效时帮助驾驶无人驾驶汽车。

亚太赫兹波长在电磁波谱上介于微波和红外辐射之间，可以通过雾和尘埃云轻松探测到，而用于自动驾驶汽车的红外激光雷达成像系统则很难探测到。为了探测物体，亚太赫兹成像系统通过发射机发送初始信号;接收器然后测量亚太赫兹波长反弹的吸收和反射。这将向处理器发送一个信号，处理器将重新创建该对象的图像。

但是，将亚太赫兹传感器应用到无人驾驶汽车上具有挑战性。灵敏、准确的目标识别需要从接收器到处理器的强输出基带信号。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。更小的片上传感器阵列也存在，但它们产生的信号很弱。

在2月9日发表在网上的一篇论文中IEEE固态电路杂志研究人员描述了一种芯片上的二维亚太赫兹接收阵列，它的灵敏度提高了几个数量级，这意味着它可以在存在大量信号噪声的情况下更好地捕获和解释亚太赫兹波长。

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，以便许多探测器可以装入一个芯片中。诀窍是创建一个紧凑的多用途组件，可以同时混合输入信号，同步像素阵列，并产生强大的输出基带信号。

研究人员建造了一个原型，在一个1.2平方毫米的设备上集成了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。经过进一步的开发，该芯片有可能被用于无人驾驶汽车和自动机器人。

“这项工作的一大动机是为自动驾驶汽车和无人机提供更好的‘电眼’，”合著者韩若南(Ruonan Han)说，她是电气工程和计算机科学副教授，也是麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)太赫兹集成电子组主任。我们的低成本芯片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。”

与韩寒一起完成这篇论文的还有第一作者胡智和共同作者王成，他们都是电气工程和计算机科学系的博士生，在韩寒的研究小组工作。

分散的设计

设计的关键是研究人员所说的“去中心化”。在这个设计中，单个像素——称为“外差”像素——产生频率拍(两个输入亚太赫兹信号之间的频率差)和“本振”，一种改变输入频率的电信号。这种“下混频”过程产生一个兆赫范围内的信号，基带处理器可以很容易地解释这个信号。

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。这不仅可以检测物体，还可以识别物体，这在自动驾驶汽车和机器人中至关重要。

外差像素阵列只有当来自所有像素的本振信号同步时才能工作，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。

这些设计通常用于较低频率的接收器，并可能在亚太赫兹频段引起问题，在该频段，从单个集线器产生高功率信号是出了名的困难。随着阵列规模的增大，每个像素共享的功率减小，输出基带信号强度降低，这高度依赖于本振信号的功率。因此，每个像素产生的信号可能非常微弱，导致灵敏度低。一些片上传感器已经开始使用这种设计，但限制在8个像素。

研究人员的分散设计解决了这种规模敏感性的权衡。每个像素产生自己的本振信号，用于接收和向下混合传入信号。此外，集成耦合器同步它的本振信号与它的邻居。这给了每个像素更多的输出功率，因为本振信号不来自全局集线器。

韩寒说，与这种新的分散设计类似的一个很好的例子是灌溉系统。传统的灌溉系统有一个水泵，通过管道网络引导强大的水流，将水分配到许多洒水点。每个喷头喷出的水比泵的初始流量弱得多。如果你想让喷头以完全相同的速度跳动，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站点提供了自己的水泵，不需要连接管道，并为每个洒水车提供了自己强大的水输出。每个喷头还与相邻的喷头通信以同步它们的脉冲频率。“通过我们的设计，基本上没有可扩展性的边界，”韩说。“你可以有尽可能多的站点，每个站点仍然泵出相同数量的水……所有的泵都一起脉冲。”

然而，新的架构可能会使每个像素的占用空间更大，这对以阵列方式进行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、下行混频器、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，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种多功能组件，用于(分散的)设计，并结合了一些离散的结构，以缩小每个像素的大小，”Hu说。“尽管每个像素都执行复杂的操作，但它保持了紧凑性，所以我们仍然可以拥有一个大规模的密集数组。”

由频率引导

为了使系统能够测量物体的距离，本振信号的频率必须是稳定的。

为此，研究人员在他们的芯片中加入了一个称为锁相环的组件，该组件将所有32个本振信号的亚太赫兹频率锁定为稳定的低频参考。由于像素是耦合的，它们的本振信号共享相同的、高稳定性的相位和频率。这确保了可以从输出基带信号中提取有意义的信息。这整个架构最大限度地减少信号损失和最大限度地控制。

“总之，我们实现了一个相干阵列，同时每个像素都具有非常高的本振功率，因此每个像素都实现了高灵敏度，”Hu说。

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