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

  ICC訊 毫米波雷達(dá)技術(shù)近年在自動駕駛、智能汽車、智能家居等領(lǐng)域被大家熟知，在谷歌毫米波手勢雷達(dá)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(dá)模組還被應(yīng)用于谷歌的Pixel4手機(jī)，這算是毫米波雷達(dá)在消費電子產(chǎn)品中的首次應(yīng)用。

  提到毫米波雷達(dá)，大多數(shù)讀者可能會先想到汽車?yán)走_(dá)。實際上，汽車上用的毫米波雷達(dá)與智能硬件用的毫米波雷達(dá)在場景和技術(shù)要求上截然不同?；谥悄苡布?yīng)用的毫米波雷達(dá)技術(shù)的研發(fā)，目前國內(nèi)高校已經(jīng)有一支實力強(qiáng)勁的科研團(tuán)隊。電子發(fā)燒友網(wǎng)也有幸與這支科研團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人、毫米波雷達(dá)技術(shù)研發(fā)權(quán)威專家，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)行了專訪交流，談及他本人的研發(fā)經(jīng)歷、團(tuán)隊在超近距毫米波雷達(dá)的科研進(jìn)展以及他對該技術(shù)應(yīng)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(dá)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(dá)大學(xué)電子與計算機(jī)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(xué)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(shù)的產(chǎn)業(yè)化工作，負(fù)責(zé)設(shè)計的毫米波手勢雷達(dá)模組被應(yīng)用于谷歌Pixel4手機(jī)，實現(xiàn)了毫米波雷達(dá)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(yǎng)學(xué)生，讓更多的年輕人參與到毫米波雷達(dá)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，幫助更好更快地實現(xiàn)毫米波雷達(dá)智能硬件產(chǎn)品落地。

  超近距毫米波雷達(dá)的技術(shù)難點，芯片方案需優(yōu)化

  雷達(dá)技術(shù)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(lǐng)域走向民用領(lǐng)域。顧昌展教授表示，傳統(tǒng)雷達(dá)體積大、功耗高，目標(biāo)離雷達(dá)距離遠(yuǎn)，例如飛機(jī)距離幾公里甚至幾百公里。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和自動駕駛興起，毫米波雷達(dá)尺寸逐步變小，被越來越多地應(yīng)用于汽車上，與傳統(tǒng)的軍事、大氣雷達(dá)相比，汽車?yán)走_(dá)是中距離應(yīng)用，即目標(biāo)車輛距離雷達(dá)幾十米至幾百米。

  在車載毫米波雷達(dá)領(lǐng)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(dá)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(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。除了車載場景外，毫米波雷達(dá)作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、無感探測、不侵犯隱私的技術(shù)，在日常生活場景中也有諸多應(yīng)用機(jī)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(shù)。

  受到龐大需求場景的鼓舞，顧教授著手帶領(lǐng)團(tuán)隊研發(fā)面向廣泛日常生活場景的智能感知雷達(dá)技術(shù)，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(biāo)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(lǐng)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(dá)的架構(gòu)和算法體系，在實際應(yīng)用中存在諸多瓶頸。車載毫米波雷達(dá)技術(shù)在硬件系統(tǒng)架構(gòu)、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(yīng)的電磁波散射、目標(biāo)運動等物理特性存在本質(zhì)差別，這使得基于汽車?yán)走_(dá)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(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(lǐng)域?qū)撩撞ɡ走_(dá)體積、功耗、精度等的要求，應(yīng)用維度受限。

  帶領(lǐng)上交大團(tuán)隊，在毫米波雷達(dá)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)研究組著力于近距離毫米波雷達(dá)感知的硬件架構(gòu)和算法等系統(tǒng)級研究，解決了同時同頻全雙工的技術(shù)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(dá)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(shè)備和醫(yī)療大健康設(shè)備成為可能。另外還實現(xiàn)了微米級位移運動探測的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)突破，使得毫米波雷達(dá)在人機(jī)交互、健康監(jiān)測、智慧醫(yī)療等多個領(lǐng)域的應(yīng)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(tuán)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(zhǔn)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(xì)位移軌跡信息，結(jié)合自主開發(fā)的人工智能醫(yī)學(xué)預(yù)測模型，能夠準(zhǔn)確地反映整個心跳、呼吸、脈搏運動過程中的細(xì)微變化，從而推演出與心血管健康相關(guān)的一系列參數(shù)指標(biāo)，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(tuán)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(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(tuán)隊基于毫米波雷達(dá)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(shù)據(jù)，有助于將這一新興技術(shù)應(yīng)用于智慧醫(yī)療。展望未來，這項技術(shù)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(shè)備，幫助有呼吸系統(tǒng)和心血管病史，或是高強(qiáng)度加班勞累過度的人群提前監(jiān)測自己的健康狀態(tài)。

  學(xué)術(shù)界、工業(yè)界合力推動毫米波雷達(dá)技術(shù)研發(fā)與落地

  當(dāng)前，近距離毫米波雷達(dá)的科研成果轉(zhuǎn)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(nèi)外的高校和工業(yè)界也取得了近距離毫米波雷達(dá)的科研成果。

  顧教授介紹說，在存在感知領(lǐng)域，國外的MIT、Stanford以及國內(nèi)的北大、浙大、上交等都有團(tuán)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(tǒng)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(biāo)的同時如何控制芯片成本。

  另外，手勢交互應(yīng)用方面，疫情當(dāng)下的“非接觸”需求給毫米波手勢交互技術(shù)帶來了新的機(jī)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(yīng)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(dá)行業(yè)看出來。但是毫米波雷達(dá)在非車載的應(yīng)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(xué)、浙江大學(xué)、上海交大等高校都有實驗室在推進(jìn)毫米波感知在非車載應(yīng)用的研究。顧教授的團(tuán)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(dá)在人機(jī)交互、醫(yī)療健康、智能家居、養(yǎng)老等等領(lǐng)域的應(yīng)用。顧教授非常認(rèn)可“一生一芯”這個詞，它代表了專注和投入。他說，無論學(xué)生的課題是芯片、系統(tǒng)或是算法，我們致力于讓每位學(xué)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(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，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(jié)：

  近距離毫米波雷達(dá)在非車載領(lǐng)域?qū)儆谛屡d應(yīng)用，但其芯片研發(fā)和應(yīng)用落地進(jìn)程都在加快。顧昌展教授指出，在車載領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)將助力自動駕駛技術(shù)進(jìn)一步演進(jìn)。在工業(yè)和消費領(lǐng)域，存在感知、道閘等簡單應(yīng)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(jī)交互、姿態(tài)識別等更高階應(yīng)用。

  隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)在往小型化和低成本發(fā)展，目前我們已經(jīng)看到了非車載應(yīng)用場景對毫米波雷達(dá)模組的巨大需求，預(yù)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(shù)必然引來更多關(guān)注，國內(nèi)廠商沒有國際大廠的遺留問題，完全有機(jī)會利用后發(fā)優(yōu)勢實現(xiàn)超車。