Los vehículos autónomos que dependen de sensores de imagen basados ​​en la luz a menudo tienen dificultades para ver a través de condiciones de ceguera. como la niebla. Pero los investigadores del MIT han desarrollado un sistema de recepción de radiación por debajo de los terahercios que podría ayudar a conducir automóviles sin conductor cuando los métodos tradicionales fallan.

Longitudes de onda de sub-terahercios, que se encuentran entre la radiación de microondas e infrarroja en el espectro electromagnético, se puede detectar a través de la niebla y las nubes de polvo con facilidad, mientras que los sistemas de imágenes LiDAR basados ​​en infrarrojos utilizados en vehículos autónomos luchan. Para detectar objetos, un sistema de formación de imágenes de subterahercios envía una señal inicial a través de un transmisor; luego, un receptor mide la absorción y la reflexión de las longitudes de onda de rebote de sub-terahercios. Eso envía una señal a un procesador que recrea una imagen del objeto.

Pero implementar sensores de menos de terahercios en automóviles sin conductor es un desafío. Sensible, El reconocimiento preciso de objetos requiere una señal de banda base de salida fuerte del receptor al procesador. Sistemas tradicionales, hecho de componentes discretos que producen tales señales, son grandes y costosos. Menor, existen matrices de sensores en chip, pero producen señales débiles.

En un artículo publicado en línea el 8 de febrero por el Revista IEEE de circuitos de estado sólido , los investigadores describen un bidimensional, matriz de recepción de sub-terahercios en un chip que es órdenes de magnitud más sensible, lo que significa que puede capturar e interpretar mejor las longitudes de onda de sub-terahercios en presencia de una gran cantidad de ruido de señal.

Lograr esto, implementaron un esquema de píxeles de mezcla de señales independientes, llamados "detectores heterodinos", que generalmente son muy difíciles de integrar densamente en chips. Los investigadores redujeron drásticamente el tamaño de los detectores heterodinos para que muchos de ellos pudieran caber en un chip. El truco consistía en crear un compacto componente multipropósito que puede mezclar simultáneamente señales de entrada, sincronizar la matriz de píxeles, y producen fuertes señales de banda base de salida.

Los investigadores construyeron un prototipo, que tiene una matriz de 32 píxeles integrada en un dispositivo de 1,2 milímetros cuadrados. Los píxeles son aproximadamente 4, 300 veces más sensibles que los píxeles de los mejores sensores de matriz de subterahercios en chip de la actualidad. Con un poco más de desarrollo, el chip podría usarse potencialmente en automóviles sin conductor y robots autónomos.

"Una gran motivación para este trabajo es tener mejores 'ojos eléctricos' para vehículos autónomos y drones, "dice el coautor Ruonan Han, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática, y director del Grupo de Electrónica Integrada Terahertz en MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Nuestro bajo costo, Los sensores de sub-terahercios en el chip desempeñarán un papel complementario al LiDAR para cuando el entorno sea difícil ".

Junto a Han en el artículo están el primer autor Zhi Hu y el coautor Cheng Wang, ambos Ph.D. estudiantes del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática que trabajan en el grupo de investigación de Han.

Diseño descentralizado

La clave del diseño es lo que los investigadores llaman "descentralización". En este diseño, un solo píxel, llamado píxel "heterodino", genera el latido de frecuencia (la diferencia de frecuencia entre dos señales subterahercios entrantes) y la "oscilación local, "una señal eléctrica que cambia la frecuencia de una frecuencia de entrada. Este proceso de" mezcla descendente "produce una señal en el rango de megahercios que puede ser fácilmente interpretada por un procesador de banda base.

La señal de salida se puede utilizar para calcular la distancia de los objetos, similar a cómo LiDAR calcula el tiempo que tarda un láser en golpear un objeto y rebotar. Además, combinando las señales de salida de una matriz de píxeles, y dirigir los píxeles en una dirección determinada, puede habilitar imágenes de alta resolución de una escena. Esto permite no solo la detección sino también el reconocimiento de objetos, que es fundamental en vehículos autónomos y robots.

Las matrices de píxeles heterodinos funcionan solo cuando las señales de oscilación local de todos los píxeles están sincronizadas, lo que significa que se necesita una técnica de sincronización de señales. Los diseños centralizados incluyen un solo concentrador que comparte señales de oscilación local con todos los píxeles.

Estos diseños suelen ser utilizados por receptores de frecuencias más bajas, y puede causar problemas en bandas de frecuencia sub-terahercios, donde generar una señal de alta potencia desde un solo concentrador es notoriamente difícil. A medida que aumenta la escala de la matriz, la potencia compartida por cada píxel disminuye, reducir la intensidad de la señal de banda base de salida, que depende en gran medida de la potencia de la señal de oscilación local. Como resultado, una señal generada por cada píxel puede ser muy débil, conduciendo a una baja sensibilidad. Algunos sensores en chip han comenzado a usar este diseño, pero están limitados a ocho píxeles.

El diseño descentralizado de los investigadores aborda este compromiso de sensibilidad a la escala. Cada píxel genera su propia señal de oscilación local, utilizado para recibir y mezclar la señal entrante. Además, un acoplador integrado sincroniza su señal de oscilación local con la de su vecino. Esto le da a cada píxel más potencia de salida, ya que la señal de oscilación local no fluye desde un concentrador global.

Una buena analogía para el nuevo diseño descentralizado es un sistema de riego, Han dice. Un sistema de riego tradicional tiene una bomba que dirige una poderosa corriente de agua a través de una red de tuberías que distribuye agua a muchos sitios de rociadores. Cada aspersor escupe agua que tiene un flujo mucho más débil que el flujo inicial de la bomba. Si desea que los aspersores pulsen exactamente a la misma velocidad, eso requeriría otro sistema de control.

El diseño de los investigadores, por otra parte, le da a cada sitio su propia bomba de agua, eliminando la necesidad de conectar tuberías, y le da a cada aspersor su propia potencia de salida de agua. Cada aspersor también se comunica con su vecino para sincronizar sus pulsos. "Con nuestro diseño, esencialmente no hay límites para la escalabilidad, ", Dice Han." Puedes tener tantos sitios como quieras, y cada sitio todavía bombea la misma cantidad de agua ... y todas las bombas pulsan juntas ".

La nueva arquitectura, sin embargo, potencialmente hace que la huella de cada píxel sea mucho más grande, que plantea un gran desafío a la gran escala, Integración de alta densidad en forma de matriz. En su diseño, Los investigadores combinaron varias funciones de cuatro componentes tradicionalmente separados:antena, mezclador oscilador, y acoplador:en un único componente "multitarea" que se asigna a cada píxel. Esto permite un diseño descentralizado de 32 píxeles.

"Diseñamos un componente multifuncional para un diseño [descentralizado] en un chip y combinamos algunas estructuras discretas para reducir el tamaño de cada píxel, "Dice Hu." Aunque cada píxel realiza operaciones complicadas, mantiene su compacidad, por lo que todavía podemos tener una matriz densa a gran escala ".

Guiado por frecuencias

Para que el sistema mida la distancia de un objeto, la frecuencia de la señal de oscilación local debe ser estable.

Con ese fin, los investigadores incorporaron en su chip un componente llamado bucle de bloqueo de fase, que bloquea la frecuencia sub-terahercios de las 32 señales de oscilación local a un estable, referencia de baja frecuencia. Debido a que los píxeles están acoplados, sus señales de oscilación local comparten todas idénticas, fase y frecuencia de alta estabilidad. Esto asegura que se pueda extraer información significativa de las señales de banda base de salida. Toda esta arquitectura minimiza la pérdida de señal y maximiza el control.

"En resumen, logramos una matriz coherente, al mismo tiempo, con una potencia de oscilación local muy alta para cada píxel, para que cada píxel alcance una alta sensibilidad, "Hu dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.