Giver kraftigere elektrisk syn til autonome køretøjer

Autonome køretøjer, der er afhængige af lysbaserede billedsensorer, kæmper ofte for at gennemskue blændende forhold, såsom tåge. Men MIT-forskere har udviklet et system til modtagelse af sub-terahertz-stråling, der kan hjælpe med at styre førerløse biler, når traditionelle metoder mislykkes.

Sub-terahertz bølgelængder, der er mellem mikrobølge og infrarød stråling på det elektromagnetiske spektrum, kan let registreres gennem tåge- og støvskyer, der henviser til, at de infrarøde baserede LiDAR-billeddannelsessystemer, der bruges i autonome køretøjer, kæmper. For at registrere objekter, et sub-terahertz billeddannelsessystem sender et indledende signal gennem en sender; en modtager måler derefter absorptionen og refleksionen af ​​de rebounding sub-terahertz-bølgelængder. Det sender et signal til en processor, der genskaber et billede af objektet.

Men det er udfordrende at implementere sub-terahertz-sensorer i biler uden fører. Følsom, nøjagtig objektgenkendelse kræver et stærkt basebandsignal fra modtager til processor. Traditionelle systemer, lavet af diskrete komponenter, der producerer sådanne signaler, er store og dyre. Mindre, der findes sensor-arrays på chip, men de producerer svage signaler.

I et papir udgivet online den 8. februar af IEEE Journal of Solid-State Circuits , forskerne beskriver en todimensionel, sub-terahertz modtagende array på en chip, der er størrelsesordener mere følsomme, hvilket betyder, at den bedre kan fange og fortolke sub-terahertz-bølgelængder i nærvær af meget signalstøj.

For at opnå dette, de implementerede en ordning med uafhængige signalblandende pixel-kaldet "heterodyne detektorer"-som normalt er meget vanskelige at integrere tæt i chips. Forskerne krymper drastisk størrelsen på heterodyne detektorer, så mange af dem kan passe ind i en chip. Tricket var at skabe en kompakt, multikomponent, der samtidigt kan nedblande indgangssignaler, synkronisere pixel array, og producere stærke outputbasebandssignaler.

Forskerne byggede en prototype, som har et 32-pixel array integreret på en 1,2-kvadrat-millimeter enhed. Pixelerne er cirka 4, 300 gange mere følsom end pixel i dagens bedste on-chip sub-terahertz array-sensorer. Med lidt mere udvikling, chippen kan muligvis bruges i førerløse biler og autonome robotter.

"En stor motivation for dette arbejde er at have bedre 'elektriske øjne' til autonome køretøjer og droner, "siger medforfatter Ruonan Han, lektor i elektroteknik og datalogi, og direktør for Terahertz Integrated Electronics Group i MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Vores lavpris, on-chip sub-terahertz-sensorer vil spille en komplementær rolle for LiDAR, når miljøet er hårdt. "

Sammen med Han på papiret er første forfatter Zhi Hu og medforfatter Cheng Wang, både ph.d. studerende i Institut for Elektroteknik og Datalogi arbejder i Han's forskningsgruppe.

Decentraliseret design

Nøglen til designet er, hvad forskerne kalder "decentralisering." I dette design, en enkelt pixel-kaldet en "heterodyne" pixel-genererer frekvensslaget (frekvensforskellen mellem to indkommende sub-terahertz-signaler) og den "lokale svingning, "et elektrisk signal, der ændrer frekvensen af ​​en inputfrekvens. Denne" down-mixer "-proces producerer et signal i megahertz-området, der let kan tolkes af en baseband-processor.

Udgangssignalet kan bruges til at beregne afstanden til objekter, ligner hvordan LiDAR beregner den tid, det tager en laser at ramme et objekt og rebound. Ud over, kombinerer udgangssignalerne fra en række pixels, og styre pixlerne i en bestemt retning, kan aktivere billeder i høj opløsning af en scene. Dette giver mulighed for ikke kun påvisning, men også genkendelse af objekter, hvilket er kritisk i autonome køretøjer og robotter.

Heterodyne pixelarrays fungerer kun, når de lokale oscillationssignaler fra alle pixels er synkroniseret, hvilket betyder, at en signal-synkroniseringsteknik er nødvendig. Centraliserede designs omfatter et enkelt hub, der deler lokale oscillationssignaler til alle pixels.

Disse designs bruges normalt af modtagere af lavere frekvenser, og kan forårsage problemer på sub-terahertz frekvensbånd, hvor det er notorisk svært at generere et signal med høj effekt fra en enkelt hub. Når arrayet skaleres op, den effekt, der deles af hver pixel, falder, reducere outputbaseband -signalstyrken, som er stærkt afhængig af effekten af ​​lokalt svingningssignal. Som resultat, et signal genereret af hver pixel kan være meget svagt, fører til lav følsomhed. Nogle on-chip sensorer er begyndt at bruge dette design, men er begrænset til otte pixels.

Forskernes decentrale design tackler denne skalafølsomme afvejning. Hver pixel genererer sit eget lokale svingningssignal, bruges til at modtage og nedblande det indgående signal. Ud over, en integreret kobler synkroniserer sit lokale svingningssignal med naboens. Dette giver hver pixel mere udgangseffekt, da det lokale oscillationssignal ikke strømmer fra en global hub.

En god analogi til det nye decentrale design er et kunstvandingssystem, Siger Han. Et traditionelt kunstvandingssystem har en pumpe, der leder en kraftig vandstrøm gennem et rørledningsnetværk, der distribuerer vand til mange sprinklersteder. Hver sprinkler spytter vand ud, der har et meget svagere flow end det oprindelige flow fra pumpen. Hvis du vil have sprinklerne til at pulsere med nøjagtig samme hastighed, det ville kræve et andet kontrolsystem.

Forskernes design, på den anden side, giver hvert sted sin egen vandpumpe, eliminerer behovet for tilslutning af rørledninger, og giver hver sprinkler sin egen kraftfulde vandydelse. Hver sprinkler kommunikerer også med sin nabo for at synkronisere deres pulsfrekvenser. "Med vores design, der er i det væsentlige ingen grænse for skalerbarhed, "Siger Han." Du kan have så mange websteder som du vil, og hvert sted pumper stadig den samme mængde vand ud ... og alle pumper pulser sammen. "

Den nye arkitektur, imidlertid, muligvis gør fodsporet for hver pixel meget større, hvilket udgør en stor udfordring for de store integration med høj densitet på en array-måde. I deres design, forskerne kombinerede forskellige funktioner af fire traditionelt separate komponenter - antenne, downmixer, oscillator, og kobler - til en enkelt "multitasking" -komponent givet til hver pixel. Dette giver mulighed for et decentraliseret design på 32 pixels.

"Vi har designet en multifunktionel komponent til et [decentraliseret] design på en chip og kombinerer et par diskrete strukturer for at krympe størrelsen på hver pixel, "Siger Hu." Selvom hver pixel udfører komplicerede operationer, den bevarer sin kompakthed, så vi kan stadig have et stort, tæt array. "

Styret af frekvenser

For at systemet kan måle et objekts afstand, frekvensen af ​​det lokale oscillationssignal skal være stabil.

Til det formål, forskerne indarbejdede i deres chip en komponent kaldet en faselåst sløjfe, der låser sub-terahertz-frekvensen for alle 32 lokale svingningssignaler til en stabil, lavfrekvent reference. Fordi pixelerne er koblet, deres lokale svingningssignaler deler alle identiske, høj stabilitet fase og frekvens. Dette sikrer, at meningsfuld information kan ekstraheres fra outputbasebandssignalerne. Hele denne arkitektur minimerer signaltab og maksimerer kontrollen.

"Sammenfattende, vi opnår en sammenhængende matrix, på samme tid med meget høj lokal oscillationseffekt for hver pixel, så hver pixel opnår høj følsomhed, "Siger Hu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.