悉尼大學(xué)的科學(xué)家們開發(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)無創(chuàng)醫(yī)療監(jiān)測。

隨著自動駕駛汽車、家庭自動化和智慧城市設(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)傳感開發(fā)更好、更有效的成像技術(shù)。

開發(fā)此類技術(shù)依賴于新領(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)用打開了大門。

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)或無線電探測和測距是用于探測和跟蹤物體以及分析其速度和角動量的一些廣泛使用的方法。 

這些系統(tǒng)自 1940 年代以來就已經(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)算它們反彈回來所需的時(shí)間。因此，它可以測量任何妨礙系統(tǒng)的物體及其相對于測量儀器的距離和位置。

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)具有專有性。

盡管一些公司正在致力于雷達(dá)開發(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，即使它們的開發(fā)和軟件平臺是通用的。

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)開發(fā)的一種被稱為“高級光子雷達(dá)”的設(shè)備。 

在 Benjamin Eggleton 教授的帶領(lǐng)下，在美國空軍和澳大利亞研究委員會的支持下，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)類似，該系統(tǒng)使用無線電波來測量物體的速度、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，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，而無需任何額外的組件。

研究人員雷達(dá)測距演示的實(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)生超寬帶光子信號的光子信號發(fā)生器

將這些信號從光子轉(zhuǎn)換為微波的光電轉(zhuǎn)換器

射頻天線

在光域中解調(diào)信號的光子信號混合單元 

用于信號處理的電光轉(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)希望開發(fā)一種檢測患者生命體征（如呼吸和心率）的新方法。

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

類似的測量可以通過使用攜帶更多數(shù)據(jù)和用戶可用于識別患者的私人信息的視頻捕獲技術(shù)來完成。 

光子雷達(dá)系統(tǒng)可以幫助解決醫(yī)療監(jiān)測的隱私問題，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

這種光子雷達(dá)系統(tǒng)仍在開發(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)測試階段。 

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

由于雷達(dá)中使用的無線電波的非侵入性，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，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。