弥补激光雷达不足 MIT为自动驾驶开发片上亚太赫兹传感阵列

麻省理工学院的研究人员开发出了一种使用亚太赫兹波段进行物体识别的芯片，它可以与其它基于光的图像传感器相结合，帮助自动驾驶车辆透视浓雾

依赖基于环境光的图像传感器的自动驾驶车辆，通常难以应对浓雾等炫目环境。据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出了一种亚太赫兹辐射接收系统，可以在传统传感方案失效时为无人驾驶汽车提供辅助。

亚太赫兹波段在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，很容易穿过浓雾和尘云而被探测，而目前自动驾驶车辆广泛采用的基于红外的激光雷达（LiDAR）成像系统却很困难。亚太赫兹成像系统通过发射器发送初始信号，再由接收器测量反射亚太赫兹波的吸收和反射，实现物体探测。然后将信号发送至处理器，重建物体的图像。

但将亚太赫兹传感器应用于无人驾驶汽车仍具有挑战性。精确、灵敏的物体识别需要很强的输出基带信号从接收器发送到处理器，而由生成这种信号的分立元件制成的传统系统庞大且昂贵。小尺寸芯片上的传感器阵列已经诞生，但是它们产生的信号很微弱。

在近日由IEEE Journal of Solid-State Circuits线上出版的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员介绍了一种芯片上的二维亚太赫兹接收阵列，该阵列的灵敏度相比过去的片上传感阵列要高出几个数量级，这意味着它可以在大量信号噪声的背景下，更好地捕捉和利用亚太赫兹波。

为实现这一目标，麻省理工学院的研究人员采用了一种独立的信号混合像素方案，称为“外差探测器”，这种方案通常很难在芯片中密集集成。麻省理工学院的研究人员大幅缩小了外差探测器的尺寸，使其能够大量集成到芯片中。其技术诀窍是构建了一种紧凑的多用途组件，可以同时降低下混合输入信号，同步像素阵列，并产生强大的输出基带信号。

研究人员构建的原型产品在一个1.2平方毫米的器件上集成了一个32像素的阵列。这些像素的灵敏度比目前最好的片上亚太赫兹阵列传感器高大约4300倍。随着进一步的开发，这款芯片或能用于无人驾驶汽车和自动机器人。

“这项研究旨在为自动驾驶汽车和无人机提供更好的‘电子眼’，”本研究共同作者、麻省理工学院电气工程和计算机科学副教授Ruonan Han说，Han还是麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）太赫兹集成电子组的主管，“在恶劣环境下，我们的低成本片上亚太赫兹传感器可以为LiDAR传感器发挥互补作用。”

该论文其它作者包括第一作者Zhi Hu和合著者Cheng Wang，他们两位都是电气工程和计算机科学系Han研究小组的博士研究生。

分散式设计

该设计的关键被研究人员称之为“分散化”。在这种设计中，被称为“外差”像素的单个像素，产生频率差拍，或两个输入亚太赫兹信号之间的频率差。它还产生“本振”，即改变输入频率的电信号。这种“下混合”过程可产生兆赫兹范围的信号，并可由基带处理器轻松解读。

其输出信号可用于计算物体的距离，跟LiDAR计算激光射到物体并反弹所需要的时间类似。另外，整合像素阵列的输出信号，并控制其方向，可以实现场景的高分辨率图像。因而不仅可以实现物体的探测，还可以识别物体，这在自动驾驶和机器人应用中很关键。

外差像素阵列仅在来自所有像素的本振信号同步时起作用，这意味着需要一种信号同步技术。集中式设计包括一个单个集线器，可向所有像素共享本振信号。

这些设计通常被较低频率的接收器所采用，在亚太赫兹频带可能会产生一些问题。众所周知在亚太赫兹频带从单个集线器产生高功率信号是较困难的。随着阵列扩大，每个像素共享的功率会降低，从而降低了输出基带信号强度，这很大程度上取决于本振信号的功率。

结果，每个像素产生的信号可能就非常弱了，导致传感阵列的灵敏度降低。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。

麻省理工学院研究人员的分散式设计解决了对阵列规模的敏感问题。每个像素产生自己的本振信号，用于接收和下混合输入信号。此外，集成耦合器可使每个像素的本振信号与其相邻像素的振荡信号同步。这给每个像素提供了更高的输出功率，因为本振信号不会从全局集线器流出。

Han说，这种新型分散式设计好比是灌溉系统。传统的灌溉系统有一个泵，通过管道网络引导强大的水流，将水分配到许多喷洒点。每个洒水喷头喷出的水流量比来自泵的初始流量弱得多。如果希望洒水喷头以完全相同的速率喷洒，则需要另一种控制系统。

研究人员的设计相当于为每个喷洒点提供了自己的水泵，无需连接管道，为每个喷头提供了强大的水流输出。并且，每个洒水喷头还与其相邻的喷头通信，以同步其脉冲速率。

“通过我们的设计，传感阵列的扩展性基本上没有限制，”Han说，“可以根据需要打造任意数量的‘喷洒点’，并且所有‘泵’都可以同步泵出相同量的水。”

不过，这种新架构有可能使每个像素的占位面积更大，从而对阵列方式的大规模高密度集成提出了巨大挑战。在他们的设计中，研究人员将传统上独立的四个组件（天线、混频器、振荡器和耦合器）的各种功能整合到一个分配给每个像素的“多任务”组件中。这实现了一种32像素的分散设计。

“我们为芯片上的这种‘分散式’设计打造了一种多功能组件，并结合了一些分立结构来缩小每个像素的尺寸，”Hu说，“尽管每个像素都要执行复杂的操作，但仍能保持其紧凑的尺寸，因此我们可以构建大规模高密度阵列。”

用亚太赫兹频率导航

为了使系统能够测量物体的距离，本振信号的频率必须稳定。

为此，研究人员在其芯片中加入了一个被称为锁相环的元件，它能够将所有32个本振信号的亚太赫兹频率锁定为稳定的低频参考。

第一款集成锁相环的太赫兹辐射单元

因为像素是耦合的，所以它们的本振信号都具有相同的高稳定相位和频率。这确保了可以从输出基带信号中提取有意义的信息。整个架构最大限度地降低了信号损失，并最大化了可控性。

“总体来说，我们实现了一种相干阵列，同时每个像素具有非常高的本振功率，因此每个像素都具有很高的灵敏度，”Hu说。