科学家开发光子雷达系统，实现非接触式生命体征信号的多目标检测

光子辅助雷达（微波光子雷达）的发展已经历超过 10 年的时间。与其他系统相比，光子雷达系统具备超大带宽、高信号质量以及多波段灵活可调性。

对于雷达探测而言，这意味着该系统能够展现出优异的探测性能。例如，大带宽带来的毫米级距离分辨率，可以帮助系统更准确地区分目标与环境中的杂散物体，同时确保多个集中分布目标的实时探测。

在提取目标微小的呼吸和心跳特征时，优异的时频线性度和信号以及系统的信噪比可保证微米级的精准度。但是，基于光子雷达的活体生命体征探测尚未受到高度的关注。

最近，澳大利亚悉尼大学团队证明了一种用于非接触式生命信号检测的光子雷达，其能够基于合成雷达信号实现了信号的带宽高达 30GHz、精细分辨率达到 6 毫米、准确度达到微米级别。并且，非接触式的探测方式保证了患者的舒适性和避免了因成像造成的隐私泄露、多目标检测。

该雷达系统的高分辨率使其能够准确地从呼吸模拟器，和蟾蜍（Cane Toads）（替代人体检测实验）中检测出呼吸。这是开创性地用微波光子雷达和活体生物体进行生命体征探测，该实验验证并开拓了使用高性能的光子雷达和激光雷达进行生命体征探测。

更重要的是，与现有的最先进的电子生命体征雷达相比，它具有更简化的系统结构、更高的带宽和灵活性，并且无需并行或多路复用的高频电子架构。

该技术的应用场景包括医院、监狱、机场、养老院等需要对人的生命体征进行监测的公共场合。与此同时，还可用于不适用接触式生命体征探测的特殊群体，例如严重烧伤的病人和早产婴儿、农场对于家畜的生命体征检测、防疫以及防止野兽攻击等。

一位审稿人评价称，该系统的应用令人兴奋，并将引起广大读者的兴趣。结果是有效的，显示了光子雷达在提高距离分辨率方面的显著优势。论文清晰且写作出色，所报告工作的一个优点是该系统具备同时允许雷达和激光雷达测量的能力，这是光子雷达在多功能感测方面的有用特性。

图丨相关论文（来源：Nature Photonics）

近日，相关论文以《非接触式生命体征检测的光子雷达》（Photonic Radar for Contactless Vital Sign Detection）为题发表在 Nature Photonics 上[1]。

悉尼大学张紫千博士为论文第一作者，共同通讯作者为刘阳博士（现为瑞士洛桑联邦理工学院博士后研究员）、本杰明·J·艾格尔顿（Benjamin J. Eggleton）教授（代理科研副校长, pro vice chancellor research）。

用光子雷达和活体生物体进行生命体征探测

需要了解的是，人类胸腔的震动可以分解为两种独立的震动，分别源自呼吸和心跳。对于一般成年人而言，由呼吸引起的胸腔震动位移大约在 4 到 12 毫米之间，而由心跳引起的震动则在 0.2 到 0.5 毫米之间。因此，光子雷达对于成功提取这类微小的生命体征信号显得尤为关键。

与传统的电子雷达系统相比，光子雷达系统不仅提供了更优的分辨率（带宽）和准确性（降低噪声），而且还能实现分布式的、多频段的感知，以增强感知的鲁棒性和扩大信号覆盖范围。

张紫千指出，光子雷达系统可以通过光纤将射频雷达信号，以低损耗的方式分布到广泛的范围，从而允许同时进行多个雷达探测。这导致了来自集中式系统的优越雷达性能，从而实现了更好的协调和更低的成本，无需雇用多个独立的雷达系统并将它们同步在一起。

与其他光子雷达系统相比，该团队提出的系统在使用相对简单到中等复杂的光学系统设置。并且，仅依赖 100MHz 级驱动电子设备的情况下，已经展示出超过 30GHz（5 毫米范围分辨率）的带宽。

“该系统实现了充足的带宽、系统可调性、高时频线性度，以及避免高速电子设备之间的最佳平衡，以确保具有足够准确度的多目标生命体征检测。”刘阳表示。

图丨一种用于非接触式生命体征检测的光子学雷达系统（来源：Nature Photonics）

2019 年，刘阳和张紫千启动了对光子雷达系统的研究，并报道了对小型无人机的雷达测距和成像[2]（DeepTech此前报道：科学家研发带宽超 10GHz 雷达，实现亚厘米级分辨率，或用于室内探测及医学监护）。

接着，张紫千大幅度地提升了雷达信号带宽和信噪比，实现了超过高速电子信号发生器合成的雷达信号质量[3]。2021 年 6 月，研究人员开始为动物实验做准备，包括进行涉及动物的研究训练、通过必要的伦理考试、提交动物伦理审批申请，以及招募兽医科学专家协助课题组进行实验。

为提高带宽和信号质量，团队成员在不断挑战系统的极限，张紫千回忆道：“对来自物理学院的研究者来说，获得动物伦理审批比解决实验问题更具挑战性。我们花了三个月时间完成了 12 页的动物伦理申请表，并在经过一年以及 18 次修改后，动物伦理委员会终于给予了批准。”

刘阳表示，虽然解答科学问题充满挑战，但将实验带入真实世界的场景并在那里进行测试，做出对人类生活和健康检测有潜在应用价值的研究工作，是真正赋予这项研究其意义的地方。

期望探索更先进的光子方法，不断推动系统性能的极限

实际上，生命体征检测在医疗保健环境中的各种应用场景中已得到广泛应用，触觉和可穿戴传感器被广泛部署。

然而，它们对于烧伤患者或贴附区域不足的婴儿来说并不适用。虽然可以通过相机成像实现非接触检测，但这种方法容易受到环境光照条件的影响，并会引发隐私等问题。

图丨生命体征检测结果使用蟾蜍作为人类的代理（来源：Nature Photonics）

该雷达使用的技术仅需要低频、兆赫兹级别的电子信号来控制和驱动，一定程度上降低了系统的成本，同时保证了优秀的带宽和雷达探测表现。下一步，该团队计划继续研究使用芯片级组件来缩小设备的尺寸，或者测试其对人类（可能是已识别出肺部疾病或心脏病的人）的性能表现。

刘阳表示，另一个令人兴奋的前景是深入研究先进的算法结合激光雷达，以提升系统在真实应用场景（如养老设施）中对移动目标的性能。此外，研究团队也期望探索新的、更先进的光子方法，来不断推动系统性能的极限。

目前，研究团队正在申请政府成果转化基金的支持，并致力于与商业雷达公司合作，开发尺寸更小成本更低的光子雷达系统，用于分布式生命体征探测和活动轨迹监测。

图丨本杰明·J·艾格尔顿（Benjamin J. Eggleton）教授（左）与张紫千（来源：悉尼大学）

值得关注的是，在该研究中还提到了混合传感（sensor fusion）的可能性，用于提高整个系统的探测性能并弥补单个探测系统的不足。

传感器融合是指整合来自各种传感器的数据，以增强系统性能的准确性和可靠性。该融合技术可能允许在实际场景中，如养老院或甚至在自己的家中，进行非侵入式、连续的生命体征监测。随着机器学习和人工智能算法的持续发展，它们将进一步提高这种融合的精确性和效能，为个体的健康状态提供更细致、实时的洞察。

四年亦师亦友的共同研究学习

刘阳本科和硕士分别毕业于华中科技大学的光电子科学与工程学院及武汉光电国家研究中心。他在悉尼大学物理系、超宽带光子器件与系统研究中心获得了博士学位，并在那里从事博士后研究工作。

2020 年 12 月，刘阳加入瑞士洛桑联邦理工学院从事博士后研究工作，并主持欧盟“玛丽·居里学者”项目。其研究工作聚焦于稀土元素掺杂的集成光子器件，集成非线性光子器件（基于布里渊散射和克尔效应），和以面向微波光子信号处理、雷达为代表的应用。

图丨刘阳（左）与张紫千（来源：刘阳、张紫千）

张紫千在哈尔滨工程大学获得电子工程学士学位（水声学），并于 2018 年从澳大利亚悉尼大学获得 IT 和工程（无线通信）硕士学位。目前，他即将在悉尼大学物理学专业博士毕业，并计划回国寻找教职工作。

他的研究兴趣包括光子学和光学，特别关注微波光子学、非线性光学，光子雷达探测，以及集成光学。他已在 Nature Photonic，Laser and Photonics Review， IEEE JLT 发表了多篇科学论文，并拥有一项国际专利。

四年前刘阳开始博士后工作，并作为副导师开始指导刚入组实习的张紫千。在研究过程中，张紫千和刘阳一起设计雷达系统和实验方案、处理分析数据、挖掘包括无人机探测、活体生命体征探测（受新冠防控的启发）等潜在应用。即使他们后期分别在不同国家的工作，依然保持频繁的讨论交流和每周例会，对实验结果和现象反复推敲，合作完成数据处理、论文撰写和修改。

回顾四年来，两人共同在艾格尔顿教授课题组学习研究的经历，张紫千感叹道：“我们亦师亦友，始终坚持朝着制定的研究目标计划迈进，收获的不仅是研究成果，更多的是做独立研究的方法和做高质量工作的信心。”

参考资料：

1.Zhang, Z., Liu, Y., Stephens, T. et al. Photonic radar for contactless vital sign detection. Nature Photonics (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-023-01245-6

2.Yang Liu, Ziqian Zhang, Maurizio Burla, and Benjamin Eggleton, 11‐GHz‐Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics Laser & Photonics Reviews, 16, 4, 2100549 (2022). https://doi.org/10.1002/lpor.202100549

3.Ziqian Zhang, Yang Liu, and Benjamin Eggleton, Photonic Generation of 30 GHz Bandwidth Stepped-Frequency Signals for Radar Applications, Journal of Lightwave Technology, 40, 14, 4521-4527 (2022). https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3164637