MIT新芯片助力自動駕駛汽車穿越濃霧

麻省理工學院的研究人員開發(fā)出了一種利用頻率為亞太赫茲的波進行物體檢測的芯片，它可以與基于光的圖像傳感器相結合，幫助無人駕駛汽車穿過濃霧。

依賴于光成像傳感器的自動駕駛汽車的視線常常難以穿透霧這樣會致盲光傳感器的環(huán)境。但是，麻省理工學院的研究人員開發(fā)出了一種亞太赫茲輻射接收系統(tǒng)，它可以在傳統(tǒng)方法失效時幫助無人駕駛汽車行駛。

亞太赫茲波的波長在電磁波譜上介于微波和紅外輻射之間，它可以很容易地穿過霧和塵云被探測到，而用于自動駕駛汽車的基于紅外的激光雷達成像系統(tǒng)則很難在這種情況下被探測到。為了探測物體，亞太赫茲成像系統(tǒng)通過發(fā)射器發(fā)送初始信號；然后接收器會測量反彈的亞太赫茲波的吸收和反射情況。該系統(tǒng)會向重建物體圖像的處理器發(fā)送一個信號。

然而，將亞太赫茲傳感器應用于無人駕駛汽車是具有挑戰(zhàn)性的。敏感、準確的物體識別需要從接收端到處理器的強輸出基帶信號。由產生這種信號的離散元件組成的傳統(tǒng)系統(tǒng)體積龐大、成本高昂。目前也有更小的片上傳感器陣列，但它們產生的信號較為微弱。

在「IEEE Journal of Solid-State Circuits」網站 2 月 8 日發(fā)表的一篇論文中，研究人員介紹了一種片上二維亞太赫茲波接收陣列，這種陣列的靈敏度要高幾個數(shù)量級，意味著在存在大量信號噪聲的情況下，它可以更好地捕捉和解釋亞太赫茲波。

為了達到這一目標，他們實現(xiàn)了一種被稱為「外差探測器」的獨立的信號混合像素方案，它通常很難被密集地集成到芯片中。研究人員大幅縮小了外差式探測器的尺寸，從而使許多探測器可以被嵌入到芯片中。解決這一問題的訣竅在于創(chuàng)建一個緊湊的多用途組件，該組件可以同時降低混合輸入信號、同步像素陣列，并生成強輸出基帶信號。

研究人員構建了一個將 32-像素陣列集成在 1.2 平方毫米的設備上的原型系統(tǒng)。這些像素大約比當今最好的片上亞太赫茲陣列傳感器靈敏 4300 倍。隨著進一步的發(fā)展，這種芯片有可能被用于無人駕駛汽車和自動機器人。

論文的聯(lián)合作者、學院微系統(tǒng)技術實驗室太赫茲集成電研究組負責人、電機工程與計算機科學副教授 Ruonan Han 表示：「這項工作的一個很大動機是為自動駕駛車輛和無人機提供更好的電子眼。當環(huán)境惡劣時，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將對激光雷達起到補充作用」。

論文的第一作者 Zhi Hu 和聯(lián)合作者 Cheng Wang 都加入了 Han 的研究團隊，他們是電機工程與計算機科學系 Han 的研究組的博士生。

去中心化的設計

設計的關鍵之處在于研究人員所說的「去中心化」思想。在這種設計中，被稱為「外差」像素的單個像素會產生頻率差拍（兩個輸入亞太赫茲信號之間的頻率差異）和「局部振蕩」（改變輸入頻率的電信號）。這種「下混頻」過程會產生一個兆赫范圍內的信號，而基帶處理器可以很容易地解釋這個信號。

與激光雷達計算出激光擊中物體并反彈所需的時間的原理相類似，輸出信號可以用于計算物體的距離。此外，融合像素陣列的輸出信號，并將像素引導到一定的方向，可以實現(xiàn)場景的高分辨率圖像生成。這不僅使該系統(tǒng)可以探測物體，還能識別物體，這對于自動駕駛汽車和機器人是至關重要的。

外差像素陣列只有在所有像素的本振信號同步時才能工作，這意味著需要找到一種信號同步技術。中心化的設計要建立一個處理中樞，它與所有像素共享本振信號。

這些設計通常被用于較低頻率的接收器，而在亞太赫茲頻段卻可能造成一些問題。眾所周知，在亞太赫茲頻段，從單個處理中樞產生大功率信號十分困難。隨著陣列規(guī)模增大，每個像素所共享的功率減小，從而降低了輸出基帶信號的強度，基帶信號的強度高度依賴于本振信號的功率。因此，由每個像素產生的信號可能非常微弱，導致系統(tǒng)的靈敏度很低。一些片上傳感器已經開始使用這種設計，但僅限于 8 像素。

因此，研究人員的去中心化設計解決了這種需要權衡「系統(tǒng)規(guī)模和敏感性」的問題。每個像素產生自己的本振信號，用于接收和下混頻輸入信號。此外，集成耦合器使其本振信號與相鄰像素的本振信號同步。由于此時本振信號并不來自于一個全局處理中樞，這就給了每個像素更多的輸出功率。

Han 說，新的去中心化設計可以被很好地類比為灌溉系統(tǒng)。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)有一個水泵，它通過一個管網將強大的水流輸送到多個灑水點。每個噴頭噴出的水的流量比最初從水泵流出的流量小得多。如果你想讓噴頭以完全相同的速度噴水，那就需要另一個控制系統(tǒng)。

另一方面，研究人員的設計為每個站點提供了自己的水泵，省去了連接管道的必要，并使每個噴頭具有自己強大的出水量。每個噴頭還會與相鄰的噴頭通信，以同步他們的噴水頻率。Han 說：「對于我們的設計來說，其可伸縮性基本沒有邊界，你可以設置任意多的站點，每個站點排出的水量都一樣，而且所有的站點都同時工作」。

然而，新的架構可能會使每個像素的內存占用更大，這對陣列方式的大規(guī)模高密度集成提出了巨大的挑戰(zhàn)。在他們的設計中，研究人員將天線、下混頻器、振蕩器和耦合器這四種傳統(tǒng)獨立元件的不同功能組合成一個用于每個像素的單一「多任務」元件。這使得我們可以實現(xiàn) 32 像素的去中心化設計。

Hu 表示：「我們?yōu)樾酒系娜ブ行幕O計創(chuàng)造了一個多功能組件，并融合了一些離散結構來縮小每個像素的大小。即使每個像素都要執(zhí)行復雜的操作，仍然可以保持系統(tǒng)的緊湊性，所以我們仍然可以實現(xiàn)一個大規(guī)模密集陣列」。

以頻率作為指導標準

為了使系統(tǒng)能夠測量目標的距離，本振信號的頻率必須是穩(wěn)定的。

為此，研究人員在他們的芯片中加入了一種叫做鎖相環(huán)的元件，這種元件可以將所有 32 個本振信號的亞太赫茲頻率鎖定到一個穩(wěn)定的低頻基準。由于像素是耦合的，它們的本振信號都具有相同的、高度穩(wěn)定的相位和頻率。這確保了可以從輸出基帶信號中提取有意義的信息。整個架構最小化了信號損失，最大化了對系統(tǒng)的控制。

Hu 表示：「總而言之，我們實現(xiàn)了一個相干陣列，同時每個像素具有非常高的本振功率，因此每個像素都具備高靈敏度」。