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Autonome Fahrzeuge sehen auch bei Nebel

Herkömmliche Lidar-Systeme versagen bei der Abstandsmessung, wenn etwa Nebel das Infrarotsignal stört. Schlechte Umgebungsbedingungen stellen hingegen kein Hindernis für Wellen im Subterahertzbereich dar. Ein geeigneter Sensor würde die Zuverlässigkeit autonomer Fahrzeuge erheblich verbessern. Zunächst gilt es aber, die technischen Hürden zu überwinden.

Forscher des MIT haben ein zweidimensionales Chiparray entwickelt, das 240-GHz-Signale selbst bei hohem Signalrauschen erfasst. Bisherige Sensoren, die mit einer ähnlichen Genauigkeit Subterahertzsignale aufnehmen, bestehen aus teuren und großen diskreten Komponenten. Kleinere Chips erlangen hingegen nicht die erforderliche Signalstärke. In beiden Fällen sind die Sensoren ungeeignet für die Abstandsmessung in Fahrzeugen.

Anders stellt es sich bei dem in den Mikrosystemlaboren des MIT entstandenen Sensor dar – er ist sowohl klein als auch empfindlich genug. Er besteht aus einem Schema aus unabhängigen Mischpixeln, sogenannten heterodynen Detektoren. Die Forscher der ‚Terahertz Integrated Electronics Group‘ erarbeiteten eine multifunktionale Empfängerstruktur, die eine Hilfsfrequenz erzeugt, die Einheiten synchronisiert, das Eingangssignal koppelt und abmischt. Somit konnte die Größe der Überlagerungsdetektoren stark reduziert werden, so dass zwei verschränkte 4x4-Arrays auf eine 1,2 mm² große Die-Fläche passen.

Die kostengünstigen On-Chip-Sensoren sollen die bestehenden Lidar-Systeme ergänzen, um die Zuverlässigkeit beim autonomen Fahren zu erhöhen.

Die zentralisierten Designs in Sensoren mit niedrigeren Frequenzen beinhalten nur einen einzigen Lokaloszillator, der die Hilfsfrequenz für alle Pixel erzeugt. Mit zunehmender Arrayskalierung nimmt die Leistung pro Pixel und damit die Stärke des Basisbandsignals am Ausgang ab. In höheren Frequenzbändern macht sich dieser Effekt noch stärker bemerkbar als bei Infrarot.

Beim dezentralen Design des neuen Sensors entsteht in jedem Pixel ein unabhängiges Signal, das dann mit den umliegenden Pixeln synchronisiert wird. Damit erreicht er eine etwa 4300-mal höhere Empfindlichkeit als die bisherigen Subterahertz-Detektoren mit ähnlichen Abmessungen.

Vergleichbar mit einem Lidar-System kann der Prozessor aus der Differenz des Eingangs- und des Refernzsignals den Abstand zu einem reflektierenden Objekt berechnen. Richtet eine Steuerung die Pixel in eine bestimmte Richtung aus, können aber auch hochauflösende Bilder aufgenommen werden. Dafür muss die Frequenz der Referenzschwingung stabil sein. Ein Phasenregelkreis fixiert zu diesem Zweck die Schwingungsfrequenz aller Pixel.

Zur Demonstration der Technologie fertigten die Forscher einen Prototyp aus 32 Pixeln mit einer Leistung von insgesamt 980 mW an. Sie führten erfolgreich die Phasenregelung mit 240 GHz bei einem Phasenrauschen von -84 dBc/Hz (bei 1 MHz Offset) durch. Die Empfindlichkeit einer Einheit betrug 58 fW bei einer Bandbreite von 1 kHz.

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