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硅谷专家回国执教,将“超近距毫米波雷达”技术推向新高度

芯链 ? 来源:电子发烧友网 ? 作者:黄晶晶 ? 2022-03-14 09:51 ? 次阅读

电子发烧友网报道(文/黄晶晶)毫米波雷达技术近年在自动驾驶、智能汽车、智能家居等领域被大家熟知,在谷歌毫米波手势雷达项目Soli中,我们看到搭载Soli芯片的智能手表能够感知用户的动作,其毫米波手势雷达模组还被应用于谷歌的Pixel4手机,这算是毫米波雷达在消费电子产品中的首次应用。

提到毫米波雷达,大多数读者可能会先想到汽车雷达。实际上,汽车上用的毫米波雷达与智能硬件用的毫米波雷达在场景和技术要求上截然不同。基于智能硬件应用的毫米波雷达技术的研发,目前国内高校已经有一支实力强劲的科研团队。电子发烧友网也有幸与这支科研团队的负责人、毫米波雷达技术研发权威专家,即上海交通大学电子工程系、人工智能研究院顾昌展教授,进行了专访交流,谈及他本人的研发经历、团队在超近距毫米波雷达的科研进展以及他对该技术应用前景的观点看法。

曾参与谷歌Soli项目,后回国执教,专注毫米波雷达技术的探索

顾昌展早期分别于2006年和2008年在浙江大学信息与电子工程系获得学士和硕士学位,2010年获得美国佛罗里达大学电子与计算机工程硕士学位,2013年获得美国德克萨斯理工大学电子工程博士学位。在2013年博士毕业的顾昌展来到硅谷,起初从事无线连接芯片研发工作,就职在Marvell硅谷总部。


上海交通大学电子工程系、人工智能研究院顾昌展教授

后来,2016年起,顾昌展参与了毫米波手势识别技术的产业化工作,负责设计的毫米波手势雷达模组被应用于谷歌Pixel4手机,实现了毫米波雷达传感器在消费硬件产品中的第一次量产落地。

这是他回国前在Google美国硅谷总部就职的项目经历。而在他回国后,于2019年加入上海交通大学,他表示自己回国一方面想培养学生,让更多的年轻人参与到毫米波雷达领域;另一方面,希望借助中国成熟完备的硬件产业链,帮助更好更快地实现毫米波雷达智能硬件产品落地。

超近距毫米波雷达的技术难点,芯片方案需优化

雷达技术经过几十年的发展,已经从军用、大汽探测等专业领域走向民用领域。顾昌展教授表示,传统雷达体积大、功耗高,目标离雷达距离远,例如飞机距离几公里甚至几百公里。随着半导体技术的进步和自动驾驶兴起,毫米波雷达尺寸逐步变小,被越来越多地应用于汽车上,与传统的军事、大气雷达相比,汽车雷达是中距离应用,即目标车辆距离雷达几十米至几百米。
在车载毫米波雷达领域,目前处于“国产替代”的黄金期,近年来,加特兰微电子、岸达科技等一批优秀公司涌现,采用的CMOS路线也是毫米波芯片发展的必然途径,相信国产芯片在未来的自动驾驶辅助驾驶领域将发挥重要作用。除了车载场景外,毫米波雷达作为一种能够实现高精度、无感探测、不侵犯隐私的技术,在日常生活场景中也有诸多应用机会。不久前,华为官宣在其全屋智能方案中加入毫米波传感技术。

受到庞大需求场景的鼓舞,顾教授着手带领团队研发面向广泛日常生活场景的智能感知雷达技术,例如手势交互、封闭空间监测、人体姿态识别、生命体征探测等。顾教授分析,这些新兴的智能感知场景多是<10米的近距目标探测,有些场景甚至是小于1米的极近距离,电磁波在空中往返时间极短,如下图所示。


顾教授指出,在新兴的智能感知领域,目前还没有比较好的芯片级解决方案,多数芯片还是沿用了车载雷达的架构和算法体系,在实际应用中存在诸多瓶颈。车载毫米波雷达技术在硬件系统架构、算法流程等方面更适合中长距离探测;另外,车载与生活场景对应的电磁波散射、目标运动等物理特性存在本质差别,这使得基于汽车雷达的毫米波感知技术方案若要用在日常生活中的智能硬件,仍然存在近距盲区、识别精度不足、功耗大等天然缺点,因而使得车载方案不能满足智能家居、穿戴等新兴领域对毫米波雷达体积、功耗、精度等的要求,应用维度受限。

带领上交大团队,在毫米波雷达的“非接触生命体征探测”取得突破


顾昌展教授表示,我们上海交通大学研究组着力于近距离毫米波雷达感知的硬件架构和算法等系统级研究,解决了同时同频全双工的技术难题,实现发射和接收信号一体,大大缩小传感器的体积,使得毫米波雷达在小型化发展更进一步,加载到更多小型的家用智能设备和医疗大健康设备成为可能。另外还实现了微米级位移运动探测的关键技术问题,帮助收集人眼识别不了的极微小运动信息。这一系列的技术突破,使得毫米波雷达在人机交互、健康监测、智慧医疗等多个领域的应用发挥更大的用途,展示了很好的前景。


尤其是在非接触生命体征探测方面,上海交大团队取得了进一步的突破。顾教授介绍,毫米波感知技术可以利用多普勒原理实现非接触探测人体的心跳、呼吸、脉搏等生命体征信息,上交大的科研成果不仅能准确获得心跳、呼吸等频率信息,还能获得我们称之为“多普勒心动图DCG”的精细位移轨迹信息,结合自主开发的人工智能医学预测模型,能够准确地反映整个心跳、呼吸、脉搏运动过程中的细微变化,从而推演出与心血管健康相关的一系列参数指标,实现对多种疾病的监测与早筛。

例如,基于我们的多普勒心动图DCG,可以非接触方式得到比拟传统接触式ECG的心跳RR间期、QRS波群及P/T波等。我们团队已经与多家上交大附属医院开展了系列临床实验,在临床上验证了毫米波感知技术筛查呼吸暂停、心律不齐、早搏、房颤、心音、高血压等多种心肺和心血管相关疾病的可行性。

可以看到,上交大团队基于毫米波雷达技术的非接触生命体征探测的科研成果,将能够辅助获取生命体征关键数据,有助于将这一新兴技术应用于智慧医疗。展望未来,这项技术可以帮助大家防治于未病,以无感的方式,可能只是在书桌上摆放一个火柴盒大小的设备,帮助有呼吸系统和心血管病史,或是高强度加班劳累过度的人群提前监测自己的健康状态。

学术界、工业界合力推动毫米波雷达技术研发与落地


当前,近距离毫米波雷达的科研成果转化主要在存在感知、手势交互以及非接触生命体征探测等方面,不仅上交大在非接触生命体征探测领域取得了成果,而且目前国内外的高校和工业界也取得了近距离毫米波雷达的科研成果。

顾教授介绍说,在存在感知领域,国外的MIT、Stanford以及国内的北大、浙大、上交等都有团队在从事存在感知技术研究,业界方面,隔空智能推出的低成本存在感知方案可以较好地替代传统红外技术。下一步技术趋势是在提高距离、角度、覆盖范围等指标的同时如何控制芯片成本。


另外,手势交互应用方面,疫情当下的“非接触”需求给毫米波手势交互技术带来了新的机遇,将在电梯门控、手势体感游戏等特定场景发挥重要作用。

顾教授还提到,车载毫米波应用的人才相对充足,这也可以从过去几年迅速壮大的中国车载毫米波雷达行业看出来。但是毫米波雷达在非车载的应用上还处于人才紧缺的状态。目前这些人才主要集中在欧美。不过,近年来芯片行业的归国人员,在一定程度上改善了人才储备不足的问题,

在国内,北京大学、浙江大学、上海交大等高校都有实验室在推进毫米波感知在非车载应用的研究。顾教授的团队包括十多个博士和硕士,他们的研究方向就包括了毫米波雷达在人机交互、医疗健康、智能家居、养老等等领域的应用。顾教授非常认可“一生一芯”这个词,它代表了专注和投入。他说,无论学生的课题是芯片、系统或是算法,我们致力于让每位学生接触到实际动手的研究内容,明白自己做的研究工作的意义。我经常和学生讲,我们追求“impactful useful research”,希望在校期间做的研究工作能有益于社会,为国家科技进步添砖加瓦,使得毫米波感知技术服务于人民,提高广大群众的生活质量。

小结:


近距离毫米波雷达在非车载领域属于新兴应用,但其芯片研发和应用落地进程都在加快。顾昌展教授指出,在车载领域,毫米波雷达将助力自动驾驶技术进一步演进。在工业和消费领域,存在感知、道闸等简单应用已经初见市场成效,下一阶段将看到智慧医疗、健康监测、人机交互、姿态识别等更高阶应用。

随着毫米波雷达技术在往小型化和低成本发展,目前我们已经看到了非车载应用场景对毫米波雷达模组的巨大需求,预期未来3-5年会起量。

另外,他还表示,随着数字化和人工智能的发展,智能感知技术必然引来更多关注,国内厂商没有国际大厂的遗留问题,完全有机会利用后发优势实现超车。

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