硅谷專(zhuān)家回國執教，將“超近距毫米波雷達”技術(shù)推向新高度

  ICC訊 毫米波雷達技術(shù)近年在自動(dòng)駕駛、智能汽車(chē)、智能家居等領(lǐng)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(hù)的動(dòng)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，大多數讀者可能會(huì )先想到汽車(chē)雷達。實(shí)際上，汽車(chē)上用的毫米波雷達與智能硬件用的毫米波雷達在場(chǎng)景和技術(shù)要求上截然不同?；谥悄苡布玫暮撩撞ɡ走_技術(shù)的研發(fā)，目前國內高校已經(jīng)有一支實(shí)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(shù)研發(fā)權威專(zhuān)家，即上海交通大學(xué)電子工程系、人工智能研究院顧昌展教授，進(jìn)行了專(zhuān)訪(fǎng)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(jìn)展以及他對該技術(shù)應用前景的觀(guān)點(diǎn)看法。

  曾參與谷歌Soli項目，后回國執教，專(zhuān)注毫米波雷達技術(shù)的探索

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

上海交通大學(xué)電子工程系、人工智能研究院顧昌展教授

  后來(lái)，2016年起，顧昌展參與了毫米波手勢識別技術(shù)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(shí)現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(xué)，他表示自己回國一方面想培養學(xué)生，讓更多的年輕人參與到毫米波雷達領(lǐng)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(shí)現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(shù)難點(diǎn)，芯片方案需優(yōu)化

  雷達技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從軍用、大汽探測等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域走向民用領(lǐng)域。顧昌展教授表示，傳統雷達體積大、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(zhù)半導體技術(shù)的進(jìn)步和自動(dòng)駕駛興起，毫米波雷達尺寸逐步變小，被越來(lái)越多地應用于汽車(chē)上，與傳統的軍事、大氣雷達相比，汽車(chē)雷達是中距離應用，即目標車(chē)輛距離雷達幾十米至幾百米。

  在車(chē)載毫米波雷達領(lǐng)域，目前處于“國產(chǎn)替代”的黃金期，近年來(lái)，加特蘭微電子、岸達科技等一批優(yōu)秀公司涌現，采用的CMOS路線(xiàn)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(lái)的自動(dòng)駕駛輔助駕駛領(lǐng)域將發(fā)揮重要作用。除了車(chē)載場(chǎng)景外，毫米波雷達作為一種能夠實(shí)現高精度、無(wú)感探測、不侵犯隱私的技術(shù)，在日常生活場(chǎng)景中也有諸多應用機會(huì )。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(shù)。

  受到龐大需求場(chǎng)景的鼓舞，顧教授著(zhù)手帶領(lǐng)團隊研發(fā)面向廣泛日常生活場(chǎng)景的智能感知雷達技術(shù)，例如手勢交互、封閉空間監測、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(chǎng)景多是<10米的近距目標探測，有些場(chǎng)景甚至是小于1米的極近距離，電磁波在空中往返時(shí)間極短，如下圖所示。

  顧教授指出，在新興的智能感知領(lǐng)域，目前還沒(méi)有比較好的芯片級解決方案，多數芯片還是沿用了車(chē)載雷達的架構和算法體系，在實(shí)際應用中存在諸多瓶頸。車(chē)載毫米波雷達技術(shù)在硬件系統架構、算法流程等方面更適合中長(cháng)距離探測;另外，車(chē)載與生活場(chǎng)景對應的電磁波散射、目標運動(dòng)等物理特性存在本質(zhì)差別，這使得基于汽車(chē)雷達的毫米波感知技術(shù)方案若要用在日常生活中的智能硬件，仍然存在近距盲區、識別精度不足、功耗大等天然缺點(diǎn)，因而使得車(chē)載方案不能滿(mǎn)足智能家居、穿戴等新興領(lǐng)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(lǐng)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(xué)研究組著(zhù)力于近距離毫米波雷達感知的硬件架構和算法等系統級研究，解決了同時(shí)同頻全雙工的技術(shù)難題，實(shí)現發(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(jìn)一步，加載到更多小型的家用智能設備和醫療大健康設備成為可能。另外還實(shí)現了微米級位移運動(dòng)探測的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，幫助收集人眼識別不了的極微小運動(dòng)信息。這一系列的技術(shù)突破，使得毫米波雷達在人機交互、健康監測、智慧醫療等多個(gè)領(lǐng)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(jìn)一步的突破。顧教授介紹，毫米波感知技術(shù)可以利用多普勒原理實(shí)現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(chēng)之為“多普勒心動(dòng)圖DCG”的精細位移軌跡信息，結合自主開(kāi)發(fā)的人工智能醫學(xué)預測模型，能夠準確地反映整個(gè)心跳、呼吸、脈搏運動(dòng)過(guò)程中的細微變化，從而推演出與心血管健康相關(guān)的一系列參數指標，實(shí)現對多種疾病的監測與早篩。

  例如，基于我們的多普勒心動(dòng)圖DCG，可以非接觸方式得到比擬傳統接觸式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院開(kāi)展了系列臨床實(shí)驗，在臨床上驗證了毫米波感知技術(shù)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(guān)疾病的可行性。

  可以看到，上交大團隊基于毫米波雷達技術(shù)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(guān)鍵數據，有助于將這一新興技術(shù)應用于智慧醫療。展望未來(lái)，這項技術(shù)可以幫助大家防治于未病，以無(wú)感的方式，可能只是在書(shū)桌上擺放一個(gè)火柴盒大小的設備，幫助有呼吸系統和心血管病史，或是高強度加班勞累過(guò)度的人群提前監測自己的健康狀態(tài)。

  學(xué)術(shù)界、工業(yè)界合力推動(dòng)毫米波雷達技術(shù)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(lǐng)域取得了成果，而且目前國內外的高校和工業(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(shuō)，在存在感知領(lǐng)域，國外的MIT、Stanford以及國內的北大、浙大、上交等都有團隊在從事存在感知技術(shù)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紅外技術(shù)。下一步技術(shù)趨勢是在提高距離、角度、覆蓋范圍等指標的同時(shí)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(shù)帶來(lái)了新的機遇，將在電梯門(mén)控、手勢體感游戲等特定場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。

  顧教授還提到，車(chē)載毫米波應用的人才相對充足，這也可以從過(guò)去幾年迅速壯大的中國車(chē)載毫米波雷達行業(yè)看出來(lái)。但是毫米波雷達在非車(chē)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(guò)，近年來(lái)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(wèn)題，

  在國內，北京大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交大等高校都有實(shí)驗室在推進(jìn)毫米波感知在非車(chē)載應用的研究。顧教授的團隊包括十多個(gè)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、醫療健康、智能家居、養老等等領(lǐng)域的應用。顧教授非常認可“一生一芯”這個(gè)詞，它代表了專(zhuān)注和投入。他說(shuō)，無(wú)論學(xué)生的課題是芯片、系統或是算法，我們致力于讓每位學(xué)生接觸到實(shí)際動(dòng)手的研究?jì)热?，明白自己做的研究工作的意義。我經(jīng)常和學(xué)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(huì )，為國家科技進(jìn)步添磚加瓦，使得毫米波感知技術(shù)服務(wù)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(chē)載領(lǐng)域屬于新興應用，但其芯片研發(fā)和應用落地進(jìn)程都在加快。顧昌展教授指出，在車(chē)載領(lǐng)域，毫米波雷達將助力自動(dòng)駕駛技術(shù)進(jìn)一步演進(jìn)。在工業(yè)和消費領(lǐng)域，存在感知、道閘等簡(jiǎn)單應用已經(jīng)初見(jiàn)市場(chǎng)成效，下一階段將看到智慧醫療、健康監測、人機交互、姿態(tài)識別等更高階應用。

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

  另外，他還表示，隨著(zhù)數字化和人工智能的發(fā)展，智能感知技術(shù)必然引來(lái)更多關(guān)注，國內廠(chǎng)商沒(méi)有國際大廠(chǎng)的遺留問(wèn)題，完全有機會(huì )利用后發(fā)優(yōu)勢實(shí)現超車(chē)。