Işık tabanlı görüntü algılayıcılarına dayanan otonom araçlar; sis gibi kör edici koşulları görmekte zorlanırlar. Ancak MIT araştırmacıları; geleneksel yöntemler başarısız olduğunda sürücüsüz arabaları yönlendirmeye yardımcı olabilecek bir alt terahertz radyasyon alma sistemi geliştirdiler.
Elektromanyetik spektrumda mikrodalga ve infrared radyasyon arasındaki alt terahertz dalga boyları, sis ve toz bulutlarını doğru olarak, kolayca algılayabilir. Otonom taşıtlarda kullanılan kızılötesi tabanlı LiDAR görüntüleme sistemleri de buna yardımcı olur. Nesneleri tespit etmek için, bir alt terahertz görüntüleme sistemi, bir vericiden başlangıç sinyali gönderir. Alıcı daha sonra geri tepen alt terahertz dalga boylarının emilimini ve yansımasını ölçer. Bu nesnenin bir görüntüsünü yeniden oluşturan işlemciye, bir sinyal gönderir.
Ancak, alt terahertz sensörlerini sürücüsüz araçlara uygulamak zor. Hassas, doğru nesne tanıma, alıcıdan işlemciye güçlü bir output baseband* sinyal gerektirir. Bu tür sinyalleri üreten ayrık bileşenlerden yapılmış, lgeleneksel sistemler büyük ve pahalıdır. Daha küçük, çip üzerinde sensör dizileri var, ancak zayıf sinyaller veriyorlar.
Araştırmacılar, daha hassas bir çip üzerinde iki boyutlu, alt terahertz alan bir diziyi, daha hassas bir şekilde tanımlayarak alttan daha iyi yakalayabilecek ve yorumlayabileceklerini açıkladılar. Bunu başarmak için, “Heterodin Dedektörleri” adı verilen bağımsız bir sinyal karıştırma piksel şeması uyguladılar.
Bunun genellikle çiplere yoğun bir şekilde entegre edilmesi çok zor. Araştırmacılar, çip içerisine sığdırabilmek için; heterodin dedektörlerinin boyutunu büyük ölçüde küçülttüler. İşin püf noktası, giriş sinyallerini aynı anda karıştırıp, piksel dizisini senkronize edebilen ve güçlü çıkış temel bant sinyalleri üretebilen kompakt, çok amaçlı bir bileşen oluşturmaktı.
Araştırmacılar, 1.2 milimetrekarelik bir aygıta entegre edilmiş 32 piksellik bir diziye sahip bir prototip geliştirdi. Piksel; bugünün en iyi çip; alt terahertz dizi sensörlerinde bulunan piksellerden yaklaşık 4.300 kat daha hassastır. Biraz daha fazla geliştirme ile, çip potansiyel olarak araçsız ve otonom robotlarda kullanılabilir.
Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimi Profesörü ve MIT Microsystems’daki Terahertz Entegre Elektronik Grubu Direktörü Ruonan Han: “Bu çalışma için büyük bir motivasyon, otonom araçlar ve dronlar için daha iyi bir yöntem. Düşük maliyetli, çip üstü alt terahertz sensörlerimiz, ortamın zorlandığı dönemlerde LiDAR için tamamlayıcı bir rol oynayacak.”
Merkezi Olmayan Tasarım
Tasarımın anahtarı, “merkezden yönetilmeyen” yöntemdir.. Bu tasarımda, “heterodin” piksel olarak adlandırılan tek bir piksel; frekans atımını (gelen iki alt terahertz sinyali arasındaki frekans farkı) ve “yerel salınımı”, bir giriş frekansının, frekansını değiştiren bir elektrik sinyali oluşturur. Bu “down-mixing” işlemi; bir ana bant işlemcisi tarafından kolaylıkla yorumlanabilen megahertz aralığında bir sinyal üretir.
Çıkış sinyali, LiDAR’ın bir nesneye çarpması ve geri tepmesi için 8 lazerin harcadığı zamanı hesaplamasına benzer şekilde, nesnelerin mesafesini hesaplamak için kullanılabilir. Ayrıca, bir piksel dizisinin çıkış sinyallerini birleştirmek ve pikselleri belirli bir yöne yönlendirmek, sahnenin yüksek çözünürlüklü görüntülerini sağlayabilir. Bu, yalnızca otonom araçlarda ve robotlarda kritik öneme sahip nesnelerin algılanmasının yanı sıra tanınmasını da sağlar.
Heterodin piksel dizileri sadece tüm piksellerden gelen yerel salınım sinyalleri senkronize edildiğinde çalışır, bu da bir sinyal senkronizasyon tekniğine ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Merkezi tasarımlar, yerel salınım sinyallerini tüm piksellerle paylaşan tek bir göbek içerir.
Bu tasarımlar genellikle daha düşük frekans alıcıları tarafından kullanılır ve alt terahertz frekans bantlarında sorunlara neden olabilir, burada tek bir göbekten yüksek güçte bir sinyal üretmek çok zordur. Dizi arttıkça, her bir piksel tarafından paylaşılan güç azalır ve yüksek oranda yerel salınım sinyalinin gücüne bağlı olan çıkış temel bant sinyal gücünü azaltır. Sonuç olarak, her piksel tarafından üretilen bir sinyal çok zayıf olabilir ve bu da düşük hassasiyete yol açar. Bazı çip üstü sensörler bu tasarımı kullanmaya başlamıştır, ancak sekiz pikselle sınırlıdır.
Araştırmacıların “merkezden yönetilmeyen” tasarımı bu ölçek duyarlılığı değişimini ele alıyor. Her piksel, gelen sinyali almak ve karıştırmak için kullanılan kendi yerel salınım sinyalini üretir. Ek olarak, entegre bir kuplör yerel salınım sinyalini komşusununki ile senkronize eder. Yerel salınım sinyali; global bir merkezden gelmediğinden, bu her piksele daha fazla çıkış gücü verir.
Araştırmacılara göre; bu merkezden yönetilmeyen tasarım iyi bir anoloji sulama sistemi de olabilir. Geleneksel bir sulama sisteminde, güçlü bir su akışını, suyu birçok yağmurlama sahasına dağıtan, bir boru hattı ağı üzerinden yönlendiren pompa vardır. Her bir fıskiye, pompadan gelen ilk akıştan çok daha zayıf bir akışa sahip su yayar. Fıskiyelerin aynı oranda darbe almasını istenirse, başka bir kontrol sistemi gerekir.
Diğer yandan, araştırmacıların tasarımı; kendi borularını bağlama ihtiyacını ortadan kaldırarak, her bir alana kendi su pompasını verir. Her bir fıskiyeye kendi güçlü su çıkışını verir. Her bir sprinkler atım oranlarını senkronize etmek için komşusu ile iletişim kurar.
Bununla birlikte, yeni mimari potansiyel olarak her pikselin ayakizini daha da büyütüyor ve bu da dizi biçimindeki büyük ölçekli, yüksek yoğunluklu entegrasyon için büyük bir zorluk teşkil ediyor. Tasarımlarında araştırmacılar, geleneksel olarak ayrı dört bileşenin (anten, aşağı karıştırıcı, osilatör ve bağlaştırıcı) çeşitli işlevlerini her piksele verilen tek bir “çoklu görev” bileşeninde birleştirdi. Bu, merkezi olmayan bir 32 piksel tasarımına izin verir.
Frekanslar Tarafından Yönlendiriliyor
Sistemin bir nesnenin mesafesini ölçmesi için, yerel salınım sinyalinin frekansı sabit olmalıdır.
Bu amaçla, araştırmacılar; çiplerine 32 lokal salınım sinyalinin tümünün alt terahertz frekansını sabit, düşük frekanslı bir referansa kilitleyen Faz Kilitli Döngü adı verilen bir bileşen dahil etmişlerdir. Pikseller birleştiği için, yerel salınım sinyallerinin hepsi aynı, yüksek stabilite fazını ve frekansını paylaşır. Bu, anlamlı bilginin çıkış temel bant sinyallerinden çıkarılmasını sağlar. Tüm mimari, sinyal kaybını en aza indirir ve kontrolü en üst seviyeye çıkarır.
*Baseband: (Modem Firmware), Apple’ın iOS işletim sistemine sahip cihazlarında kullanılan bir dijital iletişim yazılımıdır. Baseband aracılığıyla operatörlerden alınan sinyaller, yazılımsal olarak sistem üzerinden kullanıcıya yansıtılırlar.
