硅谷專家回國執(zhí)教，將“超近距毫米波雷達”技術推向新高度

  ICC訊 毫米波雷達技術近年在自動駕駛、智能汽車、智能家居等領域被大家熟知，在谷歌毫米波手勢雷達項目Soli中，我們看到搭載Soli芯片的智能手表能夠感知用戶的動作，其毫米波手勢雷達模組還被應用于谷歌的Pixel4手機，這算是毫米波雷達在消費電子產(chǎn)品中的首次應用。

  提到毫米波雷達，大多數(shù)讀者可能會先想到汽車雷達。實際上，汽車上用的毫米波雷達與智能硬件用的毫米波雷達在場景和技術要求上截然不同?；谥悄苡布玫暮撩撞ɡ走_技術的研發(fā)，目前國內(nèi)高校已經(jīng)有一支實力強勁的科研團隊。電子發(fā)燒友網(wǎng)也有幸與這支科研團隊的負責人、毫米波雷達技術研發(fā)權威專家，即上海交通大學電子工程系、人工智能研究院顧昌展教授，進行了專訪交流，談及他本人的研發(fā)經(jīng)歷、團隊在超近距毫米波雷達的科研進展以及他對該技術應用前景的觀點看法。

  曾參與谷歌Soli項目，后回國執(zhí)教，專注毫米波雷達技術的探索

  顧昌展早期分別于2006年和2008年在浙江大學信息與電子工程系獲得學士和碩士學位，2010年獲得美國佛羅里達大學電子與計算機工程碩士學位，2013年獲得美國德克薩斯理工大學電子工程博士學位。在2013年博士畢業(yè)的顧昌展來到硅谷，起初從事無線連接芯片研發(fā)工作，就職在Marvell硅谷總部。

上海交通大學電子工程系、人工智能研究院顧昌展教授

  后來，2016年起，顧昌展參與了毫米波手勢識別技術的產(chǎn)業(yè)化工作，負責設計的毫米波手勢雷達模組被應用于谷歌Pixel4手機，實現(xiàn)了毫米波雷達傳感器在消費硬件產(chǎn)品中的第一次量產(chǎn)落地。

  這是他回國前在Google美國硅谷總部就職的項目經(jīng)歷。而在他回國后，于2019年加入上海交通大學，他表示自己回國一方面想培養(yǎng)學生，讓更多的年輕人參與到毫米波雷達領域;另一方面，希望借助中國成熟完備的硬件產(chǎn)業(yè)鏈，幫助更好更快地實現(xiàn)毫米波雷達智能硬件產(chǎn)品落地。

  超近距毫米波雷達的技術難點，芯片方案需優(yōu)化

  雷達技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從軍用、大汽探測等專業(yè)領域走向民用領域。顧昌展教授表示，傳統(tǒng)雷達體積大、功耗高，目標離雷達距離遠，例如飛機距離幾公里甚至幾百公里。隨著半導體技術的進步和自動駕駛興起，毫米波雷達尺寸逐步變小，被越來越多地應用于汽車上，與傳統(tǒng)的軍事、大氣雷達相比，汽車雷達是中距離應用，即目標車輛距離雷達幾十米至幾百米。

  在車載毫米波雷達領域，目前處于“國產(chǎn)替代”的黃金期，近年來，加特蘭微電子、岸達科技等一批優(yōu)秀公司涌現(xiàn)，采用的CMOS路線也是毫米波芯片發(fā)展的必然途徑，相信國產(chǎn)芯片在未來的自動駕駛輔助駕駛領域將發(fā)揮重要作用。除了車載場景外，毫米波雷達作為一種能夠實現(xiàn)高精度、無感探測、不侵犯隱私的技術，在日常生活場景中也有諸多應用機會。不久前，華為官宣在其全屋智能方案中加入毫米波傳感技術。

  受到龐大需求場景的鼓舞，顧教授著手帶領團隊研發(fā)面向廣泛日常生活場景的智能感知雷達技術，例如手勢交互、封閉空間監(jiān)測、人體姿態(tài)識別、生命體征探測等。顧教授分析，這些新興的智能感知場景多是<10米的近距目標探測，有些場景甚至是小于1米的極近距離，電磁波在空中往返時間極短，如下圖所示。

  顧教授指出，在新興的智能感知領域，目前還沒有比較好的芯片級解決方案，多數(shù)芯片還是沿用了車載雷達的架構和算法體系，在實際應用中存在諸多瓶頸。車載毫米波雷達技術在硬件系統(tǒng)架構、算法流程等方面更適合中長距離探測;另外，車載與生活場景對應的電磁波散射、目標運動等物理特性存在本質(zhì)差別，這使得基于汽車雷達的毫米波感知技術方案若要用在日常生活中的智能硬件，仍然存在近距盲區(qū)、識別精度不足、功耗大等天然缺點，因而使得車載方案不能滿足智能家居、穿戴等新興領域對毫米波雷達體積、功耗、精度等的要求，應用維度受限。

  帶領上交大團隊，在毫米波雷達的“非接觸生命體征探測”取得突破

  顧昌展教授表示，我們上海交通大學研究組著力于近距離毫米波雷達感知的硬件架構和算法等系統(tǒng)級研究，解決了同時同頻全雙工的技術難題，實現(xiàn)發(fā)射和接收信號一體，大大縮小傳感器的體積，使得毫米波雷達在小型化發(fā)展更進一步，加載到更多小型的家用智能設備和醫(yī)療大健康設備成為可能。另外還實現(xiàn)了微米級位移運動探測的關鍵技術問題，幫助收集人眼識別不了的極微小運動信息。這一系列的技術突破，使得毫米波雷達在人機交互、健康監(jiān)測、智慧醫(yī)療等多個領域的應用發(fā)揮更大的用途，展示了很好的前景。

  尤其是在非接觸生命體征探測方面，上海交大團隊取得了進一步的突破。顧教授介紹，毫米波感知技術可以利用多普勒原理實現(xiàn)非接觸探測人體的心跳、呼吸、脈搏等生命體征信息，上交大的科研成果不僅能準確獲得心跳、呼吸等頻率信息，還能獲得我們稱之為“多普勒心動圖DCG”的精細位移軌跡信息，結合自主開發(fā)的人工智能醫(yī)學預測模型，能夠準確地反映整個心跳、呼吸、脈搏運動過程中的細微變化，從而推演出與心血管健康相關的一系列參數(shù)指標，實現(xiàn)對多種疾病的監(jiān)測與早篩。

  例如，基于我們的多普勒心動圖DCG，可以非接觸方式得到比擬傳統(tǒng)接觸式ECG的心跳RR間期、QRS波群及P/T波等。我們團隊已經(jīng)與多家上交大附屬醫(yī)院開展了系列臨床實驗，在臨床上驗證了毫米波感知技術篩查呼吸暫停、心律不齊、早搏、房顫、心音、高血壓等多種心肺和心血管相關疾病的可行性。

  可以看到，上交大團隊基于毫米波雷達技術的非接觸生命體征探測的科研成果，將能夠輔助獲取生命體征關鍵數(shù)據(jù)，有助于將這一新興技術應用于智慧醫(yī)療。展望未來，這項技術可以幫助大家防治于未病，以無感的方式，可能只是在書桌上擺放一個火柴盒大小的設備，幫助有呼吸系統(tǒng)和心血管病史，或是高強度加班勞累過度的人群提前監(jiān)測自己的健康狀態(tài)。

  學術界、工業(yè)界合力推動毫米波雷達技術研發(fā)與落地

  當前，近距離毫米波雷達的科研成果轉化主要在存在感知、手勢交互以及非接觸生命體征探測等方面，不僅上交大在非接觸生命體征探測領域取得了成果，而且目前國內(nèi)外的高校和工業(yè)界也取得了近距離毫米波雷達的科研成果。

  顧教授介紹說，在存在感知領域，國外的MIT、Stanford以及國內(nèi)的北大、浙大、上交等都有團隊在從事存在感知技術研究，業(yè)界方面，隔空智能推出的低成本存在感知方案可以較好地替代傳統(tǒng)紅外技術。下一步技術趨勢是在提高距離、角度、覆蓋范圍等指標的同時如何控制芯片成本。

  另外，手勢交互應用方面，疫情當下的“非接觸”需求給毫米波手勢交互技術帶來了新的機遇，將在電梯門控、手勢體感游戲等特定場景發(fā)揮重要作用。

  顧教授還提到，車載毫米波應用的人才相對充足，這也可以從過去幾年迅速壯大的中國車載毫米波雷達行業(yè)看出來。但是毫米波雷達在非車載的應用上還處于人才緊缺的狀態(tài)。目前這些人才主要集中在歐美。不過，近年來芯片行業(yè)的歸國人員，在一定程度上改善了人才儲備不足的問題，

  在國內(nèi)，北京大學、浙江大學、上海交大等高校都有實驗室在推進毫米波感知在非車載應用的研究。顧教授的團隊包括十多個博士和碩士，他們的研究方向就包括了毫米波雷達在人機交互、醫(yī)療健康、智能家居、養(yǎng)老等等領域的應用。顧教授非常認可“一生一芯”這個詞，它代表了專注和投入。他說，無論學生的課題是芯片、系統(tǒng)或是算法，我們致力于讓每位學生接觸到實際動手的研究內(nèi)容，明白自己做的研究工作的意義。我經(jīng)常和學生講，我們追求“impactful useful research”，希望在校期間做的研究工作能有益于社會，為國家科技進步添磚加瓦，使得毫米波感知技術服務于人民，提高廣大群眾的生活質(zhì)量。

  小結：

  近距離毫米波雷達在非車載領域屬于新興應用，但其芯片研發(fā)和應用落地進程都在加快。顧昌展教授指出，在車載領域，毫米波雷達將助力自動駕駛技術進一步演進。在工業(yè)和消費領域，存在感知、道閘等簡單應用已經(jīng)初見市場成效，下一階段將看到智慧醫(yī)療、健康監(jiān)測、人機交互、姿態(tài)識別等更高階應用。

  隨著毫米波雷達技術在往小型化和低成本發(fā)展，目前我們已經(jīng)看到了非車載應用場景對毫米波雷達模組的巨大需求，預期未來3-5年會起量。

  另外，他還表示，隨著數(shù)字化和人工智能的發(fā)展，智能感知技術必然引來更多關注，國內(nèi)廠商沒有國際大廠的遺留問題，完全有機會利用后發(fā)優(yōu)勢實現(xiàn)超車。