悉尼大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新型的光子雷達(dá)系統(tǒng)和傳感器，有望實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)。

隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)、家庭自動(dòng)化和智慧城市設(shè)計(jì)等工程進(jìn)步在日常生活中變得越來(lái)越普遍，工程師有很多工作要做。一些任務(wù)涉及為給定環(huán)境的高分辨率和實(shí)時(shí)傳感開(kāi)發(fā)更好、更有效的成像技術(shù)。

開(kāi)發(fā)此類(lèi)技術(shù)依賴(lài)于新領(lǐng)域的創(chuàng)新和重新構(gòu)想當(dāng)前和舊技術(shù)。

通用雷達(dá)系統(tǒng)的框圖。圖片由 Aounallah 和 Khalfa 提供

其中一項(xiàng)稱(chēng)為光子雷達(dá)的發(fā)明改進(jìn)了傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)，同時(shí)有可能集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，并為新的和可能挽救生命的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。

本文將重點(diǎn)介紹傳統(tǒng)雷達(dá)在現(xiàn)代實(shí)施中的一些缺點(diǎn)，以及悉尼大學(xué)目前正在開(kāi)發(fā)的一種新的光子雷達(dá)技術(shù)。

傳統(tǒng)雷達(dá)成像技術(shù)

雷達(dá)或無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距是用于探測(cè)和跟蹤物體以及分析其速度和角動(dòng)量的一些廣泛使用的方法。 

這些系統(tǒng)自 1940 年代以來(lái)就已經(jīng)存在。起初，它們的使用與第二次世界大戰(zhàn)期間的軍事行動(dòng)密切相關(guān)。

從那時(shí)起，雷達(dá)在我們的日常生活中發(fā)現(xiàn)了其他用途，作為不同類(lèi)型設(shè)備和技術(shù)的傳感工具。這種采用是因?yàn)槔走_(dá)原理通常非常簡(jiǎn)單且易于操作和制造。 

雷達(dá)的工作原理是從收發(fā)器發(fā)出短脈沖電磁波并計(jì)算它們反彈回來(lái)所需的時(shí)間。因此，它可以測(cè)量任何妨礙系統(tǒng)的物體及其相對(duì)于測(cè)量?jī)x器的距離和位置。

盡管如此，傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)在現(xiàn)代應(yīng)用中的實(shí)施仍存在一些缺陷。通常，雷達(dá)系統(tǒng)是根據(jù)具體情況開(kāi)發(fā)的，根據(jù)小范圍的特定傳感需求，使單個(gè)系統(tǒng)具有專(zhuān)有性。

盡管一些公司正在致力于雷達(dá)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化，但個(gè)別應(yīng)用通常需要非常不同的電子設(shè)備、不同的工作頻率和不同的功率要求，即使它們的開(kāi)發(fā)和軟件平臺(tái)是通用的。

盡管典型的雷達(dá)系統(tǒng)取得了進(jìn)步，但仍有改進(jìn)的地方。一種旨在提供更準(zhǔn)確和精確雷達(dá)的雷達(dá)系統(tǒng)使用光子學(xué)。 

光子雷達(dá)承諾具有更高圖像質(zhì)量（分辨率）的實(shí)時(shí)成像速率，以檢測(cè)毫米而不是米的差異。

悉尼大學(xué)的光子雷達(dá)技術(shù)

光子雷達(dá)技術(shù)的新進(jìn)展之一是悉尼大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種被稱(chēng)為“高級(jí)光子雷達(dá)”的設(shè)備。 

在 Benjamin Eggleton 教授的帶領(lǐng)下，在美國(guó)空軍和澳大利亞研究委員會(huì)的支持下，該項(xiàng)目背后的團(tuán)隊(duì)著手改進(jìn)雷達(dá)并制造超高分辨率成像傳感器。

與常規(guī)雷達(dá)類(lèi)似，該系統(tǒng)使用無(wú)線電波來(lái)測(cè)量物體的速度、位置和角速度；然而，它的一些主要組件是使用光子電路而不是電子電路制造的。

光子學(xué)的這種使用使其比傳統(tǒng)雷達(dá)具有優(yōu)勢(shì)，并且成像分辨率為毫米而不是米。 

此外，光子學(xué)降低了雷達(dá)系統(tǒng)的硬件負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高了其采樣精度，并允許使用更廣泛的工作頻率，而無(wú)需任何額外的組件。

研究人員雷達(dá)測(cè)距演示的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖片由Liu 等人提供

減少硬件負(fù)擔(dān)，或者在這種情況下，基本上使用更少的組件來(lái)做更多的事情，將使光子雷達(dá)系統(tǒng)具有普遍用途，具有能源和空間效率，并且與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比成本更低。 

該特定設(shè)備由以下部分組成： 

產(chǎn)生超寬帶光子信號(hào)的光子信號(hào)發(fā)生器

將這些信號(hào)從光子轉(zhuǎn)換為微波的光電轉(zhuǎn)換器

射頻天線

在光域中解調(diào)信號(hào)的光子信號(hào)混合單元 

用于信號(hào)處理的電光轉(zhuǎn)換器

光子雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用

光子雷達(dá)系統(tǒng)的潛在應(yīng)用沒(méi)有限制；然而，Eggleton 教授和博士。候選人張子謙目前正在研究醫(yī)療監(jiān)控領(lǐng)域的未來(lái)救生應(yīng)用。 

張子謙（左）和 Benjamin Eggleton 教授（右）展示了他們的雷達(dá)系統(tǒng)。圖片由悉尼大學(xué)提供

使用他們的光子雷達(dá)傳感器，該團(tuán)隊(duì)希望開(kāi)發(fā)一種檢測(cè)患者生命體征（如呼吸和心率）的新方法。

通過(guò)連續(xù)測(cè)量患者身體的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，該技術(shù)可以檢測(cè)他們的呼吸模式并確定潛在的異常情況，而無(wú)需將任何設(shè)備連接到患者身上。這種方法將有利于對(duì)燒傷受害者或嬰兒進(jìn)行非侵入式測(cè)量，否則這些測(cè)量會(huì)對(duì)傳統(tǒng)傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備敏感。

類(lèi)似的測(cè)量可以通過(guò)使用攜帶更多數(shù)據(jù)和用戶可用于識(shí)別患者的私人信息的視頻捕獲技術(shù)來(lái)完成。 

光子雷達(dá)系統(tǒng)可以幫助解決醫(yī)療監(jiān)測(cè)的隱私問(wèn)題，因?yàn)樗�只能捕獲與患者健康相關(guān)的特定信息，允許完全隱私和匿名，同時(shí)還遵守該領(lǐng)域的法律和法規(guī)。

光子雷達(dá)系統(tǒng)的未來(lái)

這種光子雷達(dá)系統(tǒng)仍在開(kāi)發(fā)中，悉尼大學(xué)的研究人員正在計(jì)劃在獲得倫理批準(zhǔn)后進(jìn)行多個(gè)測(cè)試階段。 

他們目前的計(jì)劃是首先在甘蔗蟾蜍上測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)，然后再轉(zhuǎn)移到人類(lèi)參與者身上。 

由于雷達(dá)中使用的無(wú)線電波的非侵入性，基于該技術(shù)的生命體征醫(yī)療設(shè)備在家庭或醫(yī)院環(huán)境中廣泛使用是完全安全的。 

未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃縮小這些傳感器，使它們足夠小，可以嵌入到手機(jī)和其他設(shè)備中。