MIT新芯片助力自動(dòng)駕駛汽車穿越濃霧

麻省理工學(xué)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(jìn)行物體檢測(cè)的芯片，它可以與基于光的圖像傳感器相結(jié)合，幫助無(wú)人駕駛汽車穿過濃霧。

依賴于光成像傳感器的自動(dòng)駕駛汽車的視線常常難以穿透霧這樣會(huì)致盲光傳感器的環(huán)境。但是，麻省理工學(xué)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(shí)幫助無(wú)人駕駛汽車行駛。

亞太赫茲波的波長(zhǎng)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(cè)到，而用于自動(dòng)駕駛汽車的基于紅外的激光雷達(dá)成像系統(tǒng)則很難在這種情況下被探測(cè)到。為了探測(cè)物體，亞太赫茲成像系統(tǒng)通過發(fā)射器發(fā)送初始信號(hào)；然后接收器會(huì)測(cè)量反彈的亞太赫茲波的吸收和反射情況。該系統(tǒng)會(huì)向重建物體圖像的處理器發(fā)送一個(gè)信號(hào)。

然而，將亞太赫茲傳感器應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車是具有挑戰(zhàn)性的。敏感、準(zhǔn)確的物體識(shí)別需要從接收端到處理器的強(qiáng)輸出基帶信號(hào)。由產(chǎn)生這種信號(hào)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(chǎn)生的信號(hào)較為微弱。

在「IEEE Journal of Solid-State Circuits」網(wǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)，意味著在存在大量信號(hào)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(dá)到這一目標(biāo)，他們實(shí)現(xiàn)了一種被稱為「外差探測(cè)器」的獨(dú)立的信號(hào)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(cè)器的尺寸，從而使許多探測(cè)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(gè)緊湊的多用途組件，該組件可以同時(shí)降低混合輸入信號(hào)、同步像素陣列，并生成強(qiáng)輸出基帶信號(hào)。

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

論文的聯(lián)合作者、學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室太赫茲集成電研究組負(fù)責(zé)人、電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授 Ruonan Han 表示：「這項(xiàng)工作的一個(gè)很大動(dòng)機(jī)是為自動(dòng)駕駛車輛和無(wú)人機(jī)提供更好的電子眼。當(dāng)環(huán)境惡劣時(shí)，我們的低成本片上亞太赫茲傳感器將對(duì)激光雷達(dá)起到補(bǔ)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(tuán)隊(duì)，他們是電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 Han 的研究組的博士生。

去中心化的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處在于研究人員所說(shuō)的「去中心化」思想。在這種設(shè)計(jì)中，被稱為「外差」像素的單個(gè)像素會(huì)產(chǎn)生頻率差拍（兩個(gè)輸入亞太赫茲信號(hào)之間的頻率差異）和「局部振蕩」（改變輸入頻率的電信號(hào)）。這種「下混頻」過程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)兆赫范圍內(nèi)的信號(hào)，而基帶處理器可以很容易地解釋這個(gè)信號(hào)。

與激光雷達(dá)計(jì)算出激光擊中物體并反彈所需的時(shí)間的原理相類似，輸出信號(hào)可以用于計(jì)算物體的距離。此外，融合像素陣列的輸出信號(hào)，并將像素引導(dǎo)到一定的方向，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的高分辨率圖像生成。這不僅使該系統(tǒng)可以探測(cè)物體，還能識(shí)別物體，這對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人是至關(guān)重要的。

外差像素陣列只有在所有像素的本振信號(hào)同步時(shí)才能工作，這意味著需要找到一種信號(hào)同步技術(shù)。中心化的設(shè)計(jì)要建立一個(gè)處理中樞，它與所有像素共享本振信號(hào)。

這些設(shè)計(jì)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(gè)處理中樞產(chǎn)生大功率信號(hào)十分困難。隨著陣列規(guī)模增大，每個(gè)像素所共享的功率減小，從而降低了輸出基帶信號(hào)的強(qiáng)度，基帶信號(hào)的強(qiáng)度高度依賴于本振信號(hào)的功率。因此，由每個(gè)像素產(chǎn)生的信號(hào)可能非常微弱，導(dǎo)致系統(tǒng)的靈敏度很低。一些片上傳感器已經(jīng)開始使用這種設(shè)計(jì)，但僅限于 8 像素。

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

Han 說(shuō)，新的去中心化設(shè)計(jì)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(gè)水泵，它通過一個(gè)管網(wǎng)將強(qiáng)大的水流輸送到多個(gè)灑水點(diǎn)。每個(gè)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(gè)控制系統(tǒng)。

另一方面，研究人員的設(shè)計(jì)為每個(gè)站點(diǎn)提供了自己的水泵，省去了連接管道的必要，并使每個(gè)噴頭具有自己強(qiáng)大的出水量。每個(gè)噴頭還會(huì)與相鄰的噴頭通信，以同步他們的噴水頻率。Han 說(shuō)：「對(duì)于我們的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其可伸縮性基本沒有邊界，你可以設(shè)置任意多的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)排出的水量都一樣，而且所有的站點(diǎn)都同時(shí)工作」。

然而，新的架構(gòu)可能會(huì)使每個(gè)像素的內(nèi)存占用更大，這對(duì)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(shè)計(jì)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(dú)立元件的不同功能組合成一個(gè)用于每個(gè)像素的單一「多任務(wù)」元件。這使得我們可以實(shí)現(xiàn) 32 像素的去中心化設(shè)計(jì)。

Hu 表示：「我們?yōu)樾酒系娜ブ行幕O(shè)計(jì)創(chuàng)造了一個(gè)多功能組件，并融合了一些離散結(jié)構(gòu)來(lái)縮小每個(gè)像素的大小。即使每個(gè)像素都要執(zhí)行復(fù)雜的操作，仍然可以保持系統(tǒng)的緊湊性，所以我們?nèi)匀豢梢詫?shí)現(xiàn)一個(gè)大規(guī)模密集陣列」。

以頻率作為指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)

為了使系統(tǒng)能夠測(cè)量目標(biāo)的距離，本振信號(hào)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(gè)本振信號(hào)的亞太赫茲頻率鎖定到一個(gè)穩(wěn)定的低頻基準(zhǔn)。由于像素是耦合的，它們的本振信號(hào)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(hào)中提取有意義的信息。整個(gè)架構(gòu)最小化了信號(hào)損失，最大化了對(duì)系統(tǒng)的控制。

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