为成像音频和无人驾驶汽车释放无限的数字传感

一项新技术可以释放数字传感器的潜力，例如相机可以感应所有光强度，以及麦克风可以感应所有音频范围您是否曾经在手机上拍摄过美丽的日落或录制现场演出，结果却只得到过饱和的图像和模糊的停止播放?

这是因为像照相机、麦克风这样的日常数字传感器，甚至更像地震仪、雷达和超声波系统这样的科学仪器，都受到饱和点的影响：它们无法检测到光、声音、地震、温度和其他超出某些物理刺激的实体。限制。

现在，伦敦帝国理工学院和慕尼黑工业大学(TUM)的研究人员开发了一种技术，该技术结合了新的硬件和算法，以释放此类数字传感器的全部潜力。

应用范围从消费者摄影、科学和医学成像到太空探索。例如，该技术可以增加自动驾驶汽车的摄像头和环境传感等仪器的范围、用于检测地球和火星地震的地震计的精度和灵敏度，以及测量有害电离辐射的剂量计的范围更广，例如在像切尔诺贝利这样的核事故之后。

进一步的应用包括用于医学检查的改进的超声成像和高动态范围(HDR)X射线成像，以及用于检测飓风和其他自然危险的传感器的改进精度和范围。它还可以帮助改进对诸如机场行李和金条裂缝测试等物体的无损扫描。

该研究的主要作者来自帝国理工学院电气和电子工程系的AyushBhandari博士说：“我们需要传感器来捕捉我们环境所提供的全部范围，并且传感器有无限的潜力来测量超出当前人类和电子工程的信号。技术限制。”

电子传感设备包含模数转换器(ADC)，可将来自相机和麦克风的光和声音等信息转换为数字信号。然而，ADC受电压限制的约束，当输入信号超过这些限制时就会发生饱和。饱和度通常被体验为看起来“漂白”的图像，或弹出和跳过的音频，特别是当刺激突然“尖峰”时。

Bhandari博士补充说：“我们的新技术让我们能够在无数数字技术示例中捕捉到更全面的刺激，应用范围从日常摄影和医学扫描仪到外星探索、生物工程和自然灾害监测。硬件软件协同设计方法为进一步研究开辟了新的科学前沿。”

“折叠”信号

为了开展这项研究，研究人员对使用“模”采样的ADC进行了试验，以测试使用不同类型的电压(称为模)是否可以帮助传感器处理更大范围的信息。模数是指信号电压除以ADC的最大电压时产生的余数。

他们构建了一个带有内置算法的原型，一旦达到刺激极限，就会触发ADC切换到模电压，并将这些信号“折叠”成更小的信号。使用这一点，研究人员能够将模测量转换为现有传感器可以读取的较小的传统数字信号。

这种方法允许ADC处理比以前更广泛的信息。它甚至可以提供“无限采样”，准确捕获幅度远远超过ADC电压限制的信号。

天空是极限

该研究的合著者和班达里博士在帝国理工学院的本科生导师ThomasPoskitt说：“今天，我们被数字传感器所包围，这些传感器构成了数字革命的重要组成部分。所有数字传感器对它们可以检测的内容都有最大和最小限制，但我们找到了一种突破上限的方法，没有理论上的最大值：天空才是极限!

“通过对信号取模，我们将电压保持在限制范围内并重建完整信号，即使不知道电压超过限制多少次。这可以为任何传感器解锁高动态范围，例如，让相机看到人类看不到的东西。”

该技术的一个重要应用将是改进无人驾驶汽车上的摄像头。当汽车出现时，通过隧道的汽车上的摄像头会因突然出现的光线而变得饱和，从而导致可见信息的丢失并危及汽车的安全。

事实上，这项技术最终可以帮助开发传感器，使用模成像传感器处理超出人类感知范围的信号，如紫外线、红外光和其他高光谱波段。

研究人员表示，他们的发现克服了数字传感和不同学科合作解决常见问题的方式方面的已知局限性。Bhandari博士说：“通过结合新算法和新硬件，我们解决了一个常见问题——这个问题可能意味着我们的数字传感器可以感知人类所能做的，甚至更远的事情。”

来自TUM的研究合著者FelixKrahmer教授说：“我们方法的关键特征是，如果信号使电压超过阈值，硬件将信号从电压切换到模数，本质上是重置自身以允许更广泛的信号。

“当前论文的新之处在于它提出了第一个统一的方法，它具有适用于重建方法的计算特征的硬件原型和成功解决电路实现挑战的恢复方案。”

这项工作基于Bhandari博士的博士论文和2017年论文中提出的假设，该论文于2020年获得专利，并由英国研究与创新(UKRI)未来领导者奖学金计划和欧洲合作伙伴基金资助。

Bhandari等人于2021年9月16日在IEEE信号处理交易(IEEEXplore)上发表的“从理论到实践的无限采样：傅立叶Prony恢复和原型ADC”。

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