Veículos autônomos que dependem de sensores de imagem baseados em luz muitas vezes lutam para ver através de condições ofuscantes, como nevoeiro. Mas os pesquisadores do MIT desenvolveram um sistema de recepção de radiação subterahertz que pode ajudar a dirigir carros sem motorista quando os métodos tradicionais falham.

Comprimentos de onda subterahertz, que estão entre a radiação de microondas e infravermelho no espectro eletromagnético, pode ser detectado através de neblina e nuvens de poeira com facilidade, enquanto os sistemas de imagem LiDAR baseados em infravermelho usados ​​em veículos autônomos lutam. Para detectar objetos, um sistema de imagem subterahertz envia um sinal inicial através de um transmissor; um receptor mede então a absorção e reflexão dos comprimentos de onda subterahertz de repercussão. Isso envia um sinal para um processador que recria uma imagem do objeto.

Mas a implementação de sensores subterahertz em carros sem motorista é um desafio. Confidencial, o reconhecimento preciso do objeto requer um sinal de banda base de saída forte do receptor para o processador. Sistemas tradicionais, feito de componentes discretos que produzem tais sinais, são grandes e caros. Menor, existem matrizes de sensores no chip, mas eles produzem sinais fracos.

Em um artigo publicado online em 8 de fevereiro pela IEEE Journal of Solid-State Circuits , os pesquisadores descrevem uma dimensão bidimensional, matriz de recepção subterahertz em um chip que é ordens de magnitude mais sensível, o que significa que pode capturar e interpretar melhor comprimentos de onda subterahertz na presença de muito ruído de sinal.

Para alcançar isto, eles implementaram um esquema de pixels de mistura de sinal independentes - chamados de "detectores heteródinos" - que geralmente são muito difíceis de integrar densamente em chips. Os pesquisadores reduziram drasticamente o tamanho dos detectores heteródinos para que muitos deles pudessem caber em um chip. O truque era criar um compacto, componente multiuso que pode mixar simultaneamente sinais de entrada, sincronizar a matriz de pixels, e produzir sinais de banda base de saída forte.

Os pesquisadores construíram um protótipo, que tem uma matriz de 32 pixels integrada em um dispositivo de 1,2 milímetros quadrados. Os pixels são aproximadamente 4, 300 vezes mais sensível do que os pixels nos melhores sensores de matriz subterahertz on-chip da atualidade. Com um pouco mais de desenvolvimento, o chip poderia ser usado em carros sem motorista e robôs autônomos.

“Uma grande motivação para este trabalho é ter melhores 'olhos elétricos' para veículos autônomos e drones, "diz o co-autor Ruonan Han, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação, e diretor do Terahertz Integrated Electronics Group no MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Nosso baixo custo, sensores subterahertz no chip desempenharão um papel complementar ao LiDAR para quando o ambiente for difícil. "

Junto com Han no artigo estão o primeiro autor Zhi Hu e o co-autor Cheng Wang, ambos Ph.D. alunos do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação trabalhando no grupo de pesquisa de Han.

Design descentralizado

A chave para o design é o que os pesquisadores chamam de "descentralização". Neste projeto, um único pixel - chamado de pixel "heteródino" - gera a batida de frequência (a diferença de frequência entre dois sinais subterahertz de entrada) e a "oscilação local, "um sinal elétrico que muda a frequência de uma frequência de entrada. Esse processo de" mixagem "produz um sinal na faixa de megahertz que pode ser facilmente interpretado por um processador de banda base.

O sinal de saída pode ser usado para calcular a distância dos objetos, semelhante a como o LiDAR calcula o tempo que um laser leva para atingir um objeto e ricochetear. Além disso, combinando os sinais de saída de uma matriz de pixels, e direcionar os pixels em uma determinada direção, pode habilitar imagens de alta resolução de uma cena. Isso permite não apenas a detecção, mas também o reconhecimento de objetos, o que é crítico em veículos autônomos e robôs.

Matrizes heteródinas de pixels funcionam apenas quando os sinais de oscilação local de todos os pixels estão sincronizados, o que significa que uma técnica de sincronização de sinal é necessária. Projetos centralizados incluem um único hub que compartilha sinais de oscilação local para todos os pixels.

Esses projetos são geralmente usados ​​por receptores de frequências mais baixas, e pode causar problemas em bandas de frequência subterahertz, onde gerar um sinal de alta potência a partir de um único hub é notoriamente difícil. Conforme a matriz aumenta, a potência compartilhada por cada pixel diminui, reduzindo a intensidade do sinal de banda base de saída, que é altamente dependente da potência do sinal de oscilação local. Como resultado, um sinal gerado por cada pixel pode ser muito fraco, levando a baixa sensibilidade. Alguns sensores no chip começaram a usar este design, mas estão limitados a oito pixels.

O projeto descentralizado dos pesquisadores aborda essa compensação de sensibilidade à escala. Cada pixel gera seu próprio sinal de oscilação local, usado para receber e mixar o sinal de entrada. Além disso, um acoplador integrado sincroniza seu sinal de oscilação local com o de seu vizinho. Isso dá a cada pixel mais potência de saída, uma vez que o sinal de oscilação local não flui de um hub global.

Uma boa analogia para o novo projeto descentralizado é um sistema de irrigação, Han diz. Um sistema de irrigação tradicional tem uma bomba que direciona um poderoso fluxo de água por meio de uma rede de dutos que distribui a água para muitos locais de irrigação. Cada aspersor cospe água com um fluxo muito mais fraco do que o fluxo inicial da bomba. Se você quiser que os sprinklers pulsem exatamente na mesma taxa, isso exigiria outro sistema de controle.

O projeto dos pesquisadores, por outro lado, dá a cada local sua própria bomba d'água, eliminando a necessidade de conectar dutos, e dá a cada aspersor sua própria saída de água poderosa. Cada sprinkler também se comunica com seu vizinho para sincronizar suas taxas de pulso. "Com o nosso design, essencialmente não há limites para escalabilidade, "Diz Han." Você pode ter quantos sites quiser, e cada local ainda bombeia a mesma quantidade de água ... e todas as bombas pulsam juntas. "

A nova arquitetura, Contudo, potencialmente torna a pegada de cada pixel muito maior, que representa um grande desafio para a grande escala, integração de alta densidade em uma forma de array. Em seu design, os pesquisadores combinaram várias funções de quatro componentes tradicionalmente separados - antena, downmixer, oscilador, e acoplador - em um único componente "multitarefa" dado a cada pixel. Isso permite um design descentralizado de 32 pixels.

"Projetamos um componente multifuncional para um design [descentralizado] em um chip e combinamos algumas estruturas discretas para diminuir o tamanho de cada pixel, "Hu diz." Mesmo que cada pixel execute operações complicadas, mantém sua compactação, para que ainda possamos ter uma matriz densa em grande escala. "

Guiado por frequências

Para que o sistema meça a distância de um objeto, a frequência do sinal de oscilação local deve ser estável.

Para esse fim, os pesquisadores incorporaram em seu chip um componente chamado loop de bloqueio de fase, que bloqueia a frequência subterahertz de todos os 32 sinais de oscilação local para um estável, referência de baixa frequência. Como os pixels são acoplados, seus sinais de oscilação local compartilham todos idênticos, fase e frequência de alta estabilidade. Isso garante que informações significativas possam ser extraídas dos sinais de banda base de saída. Toda essa arquitetura minimiza a perda de sinal e maximiza o controle.

"Resumindo, alcançamos uma matriz coerente, ao mesmo tempo, com um poder de oscilação local muito alto para cada pixel, então cada pixel atinge alta sensibilidade, "Hu diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.