Forschung -

Schärfere "elektrische Sehkraft" für autonome Fahrzeuge

Autonome Fahrzeuge, die auf lichtbasierte Bildsensoren setzen, haben oft Schwierigkeiten, Blendungsbedingungen, wie Nebel, zu überwinden. Aber MIT-Forscher haben ein Sub-THz-Strahlungsempfangssystem entwickelt, das fahrerlosen Autos auch dann beim Steuern hilft, wenn traditionelle Methoden versagen.

Subterahertz-Wellenlängen, die sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen der Mikrowellen- und Infrarotstrahlung befinden, lassen sich durch Nebel und Staubwolken leicht erkennen, während die infrarotbasierten Lidar-Bildgebungssysteme, die in autonomen Fahrzeugen eingesetzt werden, Probleme mit derartigen Situationen haben.

Um Objekte zu erkennen, sendet ein SubTHz-Bildgebungssystem mit einem Sender ein erstes Signal; ein Empfänger misst dann die Absorption und Reflexion der Subterahertz-Wellenlängen. Der Empfänger sendet dann ein Signal an einen Prozessor, der ein Bild des Objekts erzeugt.

Aber die Implementierung von Sub-THz-Sensoren in fahrerlosen Autos ist eine Herausforderung. Die empfindliche und genaue Objekterkennung erfordert ein starkes Ausgangs-Basisbandsignal vom Empfänger zum Prozessor.

Herkömmliche Systeme, bestehend aus diskreten Komponenten, die entsprechende Signale erzeugen, sind groß und teuer. Es gibt kleinere On-Chip Sensorarrays, die jedoch nur schwache Signale erzeugen.

In ihrem Forschungsbericht, der in "IEEE Journal of Solid-State Circuits" veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher ein zweidimensionales, Sub-THz-empfangendes Chiparray, das um Größenordnungen empfindlicher ist.

Das bedeutet, dass das Array Sub-THz-Wellenlängen in Gegenwart von erheblichem Signalrauschen besser erfassen und interpretieren kann.

Um dies zu erreichen, implementierten sie ein Schema unabhängiger Signalmischpixel - sogenannte "heterodyne Detektoren" - die sich meist nur sehr schwer in Chips eng integrieren lassen.

Die Forscher haben die Größe der Überlagerungsdetektoren drastisch reduziert, so dass viele von ihnen auf einen Chip passen. Der Trick bestand darin, eine kompakte und vielseitige Komponente zu schaffen, die gleichzeitig Eingangssignale heruntermischt, das Pixelarray synchronisiert und starke Ausgangs-Basisbandsignale erzeugen kann.

Die Forscher fertigten einen Prototyp, der ein 32-Pixel Array auf einem 1,2 Quadratmillimeter großen Element integriert. Die Pixel sind in etwa 4.300-mal empfindlicher als die Pixel in den besten on-chip Sub-THz-Array-Sensoren von heute. Mit etwas mehr Entwicklung könnte der Chip potenziell in fahrerlosen Autos und autonomen Robotern eingesetzt werden.

"Eine große Motivation für diese Arbeit ist es, bessere "elektrische Augen" für autonome Fahrzeuge und Drohnen zu realisieren", sagte Co-Autor Ruonan Han, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik und Direktor der 'Terahertz Integrated Electronics Group' in den MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL).

"Unsere kostengünstigen on-chip Sub-THz-Sensoren werden eine ergänzende Rolle zu Lidar spielen, sobald die Umweltbedingungen schwierig sind."

Dezentrales Design

Der Schlüssel zum Design ist die "Dezentralisierung". Bei diesem Design erzeugt ein einzelnes Pixel - ein "heterodynes Pixel" - den "Frequenzschlag" (die Frequenzdifferenz zwischen zwei eingehenden Subterahertz-Signalen) und der lokalen Frequenz, ein elektrisches Signal, das die Eingangsfrequenz ändert.

Dieser "Down-Mixing"-Prozess erzeugt ein Signal im MHz-Bereich, das von einem Basisbandprozessor leicht interpretiert werden kann.

Mit dem Ausgangssignal kann die Entfernung von Objekten berechnet werden, ähnlich wie Lidar die Zeit berechnet, die ein Laserstrahl benötigt, um ein Objekt zu treffen und zu reflektieren.

Darüber hinaus können die Kombination der Ausgangssignale eines Pixelarrays und die Steuerung der Pixel in eine bestimmte Richtung hochauflösende Bilder einer Szene mit sich bringen.

Dies ermöglicht nicht nur die Detektion, sondern auch eine Objekterkennung, was bei autonomen Fahrzeugen und Robotern besonders wichtig ist.

Heterodyne Pixelarrays funktionieren nur, wenn die lokalen Oszillationssignale aller Pixel synchronisiert sind. Es ist also eine Signal-Synchronisationstechnik erforderlich. Zentralisierte Designs beinhalten einen einzigen Hub, der lokale Schwingungssignale für alle Pixel teilt.

Diese Designs werden in der Regel von Empfängern niedrigerer Frequenzen verwendet und können zu Problemen in Sub-THz-Frequenzbändern führen, in denen die Erzeugung eines leistungsstarken Signals von einem einzelnen Hub bekanntlich sehr schwierig ist.

Mit zunehmender Arrayskalierung nimmt die von jedem Pixel geteilte Leistung ab, wodurch die Stärke des Ausgangsbasisbandsignals reduziert wird, die von der Stärke des lokalen Frequenzsignals sehr abhängt.

Deswegen kann ein von jedem Pixel erzeugtes Signal sehr schwach sein, was zu einer geringen Empfindlichkeit führt. Einige on-chip Sensoren haben mit diesem Design begonnen, sind aber auf acht Pixel begrenzt.

Das dezentrale Design der Forscher greift diesen Kompromiss der Skalensensibilität auf. Jedes Pixel erzeugt sein eigenes lokales Oszillationssignal, das für den Empfang und die Abwärtsmischung des eingehenden Signals verwendet wird.

Darüber hinaus synchronisiert eine integrierte Kopplung ihr lokales Schwingungssignal mit dem ihres Nachbarn. Dadurch erhält jedes Pixel mehr Ausgangsleistung, da das lokale Schwingungssignal nicht von einem globalen Hub fließt.

Eine gute Analogie für das neue dezentrale Design ist ein Bewässerungssystem, sagte Han. Ein traditionelles Bewässerungssystem verfügt über eine Pumpe, die einen starken Wasserstrom durch ein Leitungsnetz leitet, das Wasser an viele Sprinkleranlagen verteilt.

Jede Sprinkleranlage gibt Wasser ab, das einen wesentlich schwächeren Durchfluss hat als der anfängliche Durchfluss aus der Pumpe. Wenn gewünscht wird, dass die Sprinkler mit genau der gleichen Geschwindigkeit pulsieren, würde dies ein weiteres Steuerungssystem erfordern.

Das Design der Forscher hingegen gibt jedem Standort eine eigene Wasserpumpe, wodurch der Anschluss von Rohrleitungen entfällt, und verleiht so jeder Sprinkleranlage eine eigene starke Wasserabgabe.

Jeder Sprinkler kommuniziert auch mit seinem Nachbarn, um deren Impulsfrequenz zu synchronisieren. "Mit unserem Design gibt es praktisch keine Grenzen für die Skalierbarkeit", sagte Han. "Man kann so viele Standorte haben, wie man will - jeder Standort pumpt immer noch die gleiche Wassermenge aus. Und alle Pumpen pulsieren zusammen."

Die neue Architektur macht jedoch möglicherweise den Platzbedarf eines jeden einzelnen Pixels viel größer, was eine große Herausforderung für die großflächige, hochdichte Integration in Arrayform darstellt.

In ihrem Design kombinierten die Forscher verschiedene Funktionen von vier traditionell getrennten Komponenten - Antenne, Downmixer, Oszillator und Koppler - zu einer einzigen "Multitasking"-Komponente, die jedem Pixel zugewiesen wurde. Dies ermöglicht einen dezentralen Aufbau von 32 Pixeln.

"Wir haben eine multifunktionale Komponente für ein [dezentrales] Design auf einem Chip entwickelt und kombinieren einige diskrete Strukturen, um die Größe eines jeden Pixels zu verkleinern", sagte Hu.

"Obwohl jedes Pixel komplizierte Operationen durchführt, behält es seine Kompaktheit, sodass wir immer noch eine dichte Anordnung erreichen."

Damit das System den Abstand eines Objekts messen kann, muss die Frequenz des lokalen Schwingungssignals sehr stabil sein.

Zu diesem Zweck haben die Forscher in ihrem Chip eine Komponente eingebaut, die als Phasenregelkreis bezeichnet wird und die die Subterahertz-Frequenz aller 32 lokalen Schwingungssignale auf eine stabile, niederfrequente Referenz fixiert.

Da die Pixel gekoppelt sind, teilen sich alle ihre lokalen Schwingungssignale eine identische, hochstabile Phase und Frequenz. Dadurch wird sichergestellt, dass aus den Ausgangs-Basisbandsignalen aussagekräftige Informationen gewonnen werden können. Diese gesamte Architektur minimiert den Signalverlust und maximiert die Kontrolle.

"Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir ein kohärentes Array erreicht haben, zugleich mit sehr hoher lokaler Oszillatorleistung für jedes Pixel, sodass jedes Pixel eine hohe Empfindlichkeit erreicht", sagte Hu.

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