Автономные транспортные средства, основанные на светочувствительных датчиках изображения, часто изо всех сил пытаются видеть сквозь ослепительные условия, такие как туман. Но исследователи Массачусетского технологического института разработали систему приема суб-терагерцового излучения, которая может помочь управлять автомобилями без водителя, когда традиционные методы не работают.
Субтерагерцовые длины волн, которые находятся между микроволновым и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре, могут быть легко обнаружены через туман и пылевые облака, в то время как системы визуализации LiDAR на основе инфракрасного излучения, используемые в автономных транспортных средствах, испытывают трудности. Для обнаружения объектов система формирования изображения с терагерцовым излучением отправляет начальный сигнал через передатчик; приемник затем измеряет поглощение и отражение отскок субтерагерцевых длин волн. Это посылает сигнал процессору, который воссоздает изображение объекта.
Но внедрение суб-терагерцовых датчиков в автомобили без водителя является сложной задачей. Чувствительное и точное распознавание объектов требует сильного выходного сигнала основной полосы частот от приемника к процессору. Традиционные системы, сделанные из дискретных компонентов, которые генерируют такие сигналы, являются большими и дорогими. Существуют меньшие массивы датчиков на кристалле, но они генерируют слабые сигналы.
В статье, опубликованной 8 февраля в журнале IEEE Journal of Solid-State Circuits , исследователи описывают двумерный суб-терагерцовый приемный массив на чипе, который на несколько порядков более чувствителен, что означает, что он может лучше захватывать и интерпретировать субстанции. -Терагерцовых длин волн при наличии большого количества шумового сигнала.
Чтобы добиться этого, они реализовали схему независимых пикселей смешивания сигналов, называемых «гетеродинными детекторами», которые обычно очень трудно плотно интегрировать в микросхемы. Исследователи резко сократили размер гетеродинных детекторов, чтобы многие из них могли поместиться в чип. Задача состояла в том, чтобы создать компактный, многоцелевой компонент, который может одновременно микшировать входные сигналы, синхронизировать матрицу пикселей и генерировать сильные выходные сигналы основной полосы частот.
Исследователи создали прототип, который имеет 32-пиксельную матрицу, интегрированную в 1,2-миллиметровое устройство. Пиксели примерно в 4300 раз более чувствительны, чем пиксели в лучших на сегодняшний день встроенных в чипы сенсорах суб-терагерцового массива. Немного доработав чип, можно было бы использовать его в автомобилях без водителя и в автономных роботах.
«Большой мотивацией для этой работы является улучшение «электрических глаз» для автономных транспортных средств и беспилотников», - говорит соавтор Руонан Хан, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и директор Terahertz Integrated Electronics Group в MIT Microsystems. Технологические лаборатории (МТЛ). «Наши недорогие субтерагерцовые датчики на кристалле будут играть дополнительную роль для LiDAR в условиях суровой окружающей среды».
Выходной сигнал можно использовать для расчета расстояния до объектов, аналогично тому, как LiDAR рассчитывает время, необходимое лазеру для удара по объекту и отскока. Кроме того, объединение выходных сигналов массива пикселей и управление пикселями в определенном направлении может обеспечить изображения сцены с высоким разрешением. Это позволяет не только обнаруживать, но и распознавать объекты, что имеет решающее значение для автономных транспортных средств и роботов.
Гетеродинные пиксельные массивы работают только тогда, когда сигналы локальных колебаний от всех пикселей синхронизированы, что означает необходимость техники синхронизации сигналов. Централизованные проекты включают в себя один концентратор, который разделяет сигналы локальных колебаний для всех пикселей.
Эти конструкции обычно используются приемниками более низких частот и могут вызывать проблемы в частотных полосах ниже терагерца, где генерация мощного сигнала из одного концентратора общеизвестно трудна. По мере увеличения массива мощность, разделяемая каждым пикселем, уменьшается, уменьшая уровень выходного сигнала основной полосы частот, который сильно зависит от мощности сигнала локальных колебаний. В результате сигнал, генерируемый каждым пикселем, может быть очень слабым, что приводит к низкой чувствительности. Некоторые встроенные датчики начали использовать этот дизайн, но ограничены восемью пикселями.
Децентрализованный дизайн исследователей решает эту проблему чувствительности к масштабам. Каждый пиксель генерирует собственный сигнал локальных колебаний, используемый для приема и понижающего микширования входящего сигнала. Кроме того, встроенный ответвитель синхронизирует свой сигнал локальных колебаний с сигналом своего соседа. Это дает каждому пикселю большую выходную мощность, поскольку сигнал локальных колебаний не поступает из глобального концентратора.
По словам Хана, хорошей аналогией для нового децентрализованного дизайна является система орошения. Традиционная ирригационная система имеет один насос, который направляет мощный поток воды через трубопроводную сеть, которая распределяет воду по многим разбрызгивателям. Каждый разбрызгиватель выплевывает воду, поток которой намного слабее, чем первоначальный поток из насоса. Если вы хотите, чтобы разбрызгиватели пульсировали с точно такой же скоростью, это потребовало бы другой системы управления.
Проект исследователей, с другой стороны, дает каждому участку собственный водяной насос, устраняя необходимость в соединении трубопроводов, и дает каждому разбрызгивателю собственную мощную подачу воды. Каждый разбрызгиватель также связывается со своим соседом для синхронизации их частоты пульса. «С нашим дизайном нет никаких ограничений для масштабируемости», - говорит Хан. «У вас может быть столько сайтов, сколько вы хотите, и на каждом сайте все равно выкачивается одинаковое количество воды… и все насосы пульсируют вместе».
Новая архитектура, однако, потенциально значительно увеличивает площадь каждого пикселя, что создает большие проблемы для крупномасштабной интеграции с высокой плотностью в виде массива. В своей конструкции исследователи объединили различные функции четырех традиционно отдельных компонентов - антенны, понижающего микшера, генератора и ответвителя - в один компонент «многозадачности», назначаемый каждому пикселю. Это учитывает децентрализованный дизайн 32 пикселей.
«Мы разработали многофункциональный компонент для [децентрализованного] дизайна на чипе и объединили несколько дискретных структур, чтобы уменьшить размер каждого пикселя», - говорит Ху. «Несмотря на то, что каждый пиксель выполняет сложные операции, он сохраняет свою компактность, поэтому мы все равно можем иметь крупномасштабный плотный массив».
Руководствуясь частотами
Чтобы система могла измерить расстояние до объекта, частота сигнала локальных колебаний должна быть стабильной.
С этой целью исследователи включили в свою микросхему компонент, называемый контуром фазовой синхронизации, который фиксирует частоту суб-терагерцового диапазона всех 32 сигналов локальных колебаний в стабильном низкочастотном эталоне. Поскольку пиксели связаны, все сигналы их локальных колебаний имеют одинаковую высокостабильную фазу и частоту. Это гарантирует, что значимая информация может быть извлечена из выходных сигналов основной полосы частот. Вся эта архитектура минимизирует потери сигнала и максимизирует управление.
«Таким образом, мы получаем когерентный массив, в то же время с очень высокой мощностью локальных колебаний для каждого пикселя, поэтому каждый пиксель достигает высокой чувствительности», - говорит Ху.