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研究人员利用雷达系统中的光子学探测到毫米级
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/2/18

悉尼大学的科学家们开发了一种新型的光子雷达系统和传感器,有望实现无创医疗监测。


随着自动驾驶汽车、家庭自动化和智慧城市设计等工程进步在日常生活中变得越来越普遍,工程师有很多工作要做。一些任务涉及为给定环境的高分辨率和实时传感开发更好、更有效的成像技术。


开发此类技术依赖于新领域的创新和重新构想当前和旧技术。

通用雷达系统的框图。图片由 aounallah 和 khalfa 提供

 

其中一项称为光子雷达的发明改进了传统的雷达技术,同时有可能集成到现有系统中,并为新的和可能挽救生命的应用打开了大门。


本文将重点介绍传统雷达在现代实施中的一些缺点,以及悉尼大学目前正在开发的一种新的光子雷达技术。


传统雷达成像技术

雷达或无线电探测和测距是用于探测和跟踪物体以及分析其速度和角动量的一些广泛使用的方法。 


这些系统自 1940 年代以来就已经存在。起初,它们的使用与第二次世界大战期间的军事行动密切相关。


从那时起,雷达在我们的日常生活中发现了其他用途,作为不同类型设备和技术的传感工具。这种采用是因为雷达原理通常非常简单且易于操作和制造。 


雷达的工作原理是从收发器发出短脉冲电磁波并计算它们反弹回来所需的时间。因此,它可以测量任何妨碍系统的物体及其相对于测量仪器的距离和位置。


尽管如此,传统雷达技术在现代应用中的实施仍存在一些缺陷。通常,雷达系统是根据具体情况开发的,根据小范围的特定传感需求,使单个系统具有专有性。


尽管一些公司正在致力于雷达开发的标准化,但个别应用通常需要非常不同的电子设备、不同的工作频率和不同的功率要求,即使它们的开发和软件平台是通用的。


尽管典型的雷达系统取得了进步,但仍有改进的地方。一种旨在提供更准确和精确雷达的雷达系统使用光子学。 


光子雷达承诺具有更高图像质量(分辨率)的实时成像速率,以检测毫米而不是米的差异。


悉尼大学的光子雷达技术

光子雷达技术的新进展之一是悉尼大学开发的一种被称为“高级光子雷达”的设备。 


在 benjamin eggleton 教授的带领下,在美国空军和澳大利亚研究委员会的支持下,该项目背后的团队着手改进雷达并制造超高分辨率成像传感器。


与常规雷达类似,该系统使用无线电波来测量物体的速度、位置和角速度;然而,它的一些主要组件是使用光子电路而不是电子电路制造的。


光子学的这种使用使其比传统雷达具有优势,并且成像分辨率为毫米而不是米。 


此外,光子学降低了雷达系统的硬件负担,同时提高了其采样精度,并允许使用更广泛的工作频率,而无需任何额外的组件。

研究人员雷达测距演示的实验装置示意图。图片由liu 等人提供

 

减少硬件负担,或者在这种情况下,基本上使用更少的组件来做更多的事情,将使光子雷达系统具有普遍用途,具有能源和空间效率,并且与传统雷达系统相比成本更低。 


该特定设备由以下部分组成: 

产生超宽带光子信号的光子信号发生器

将这些信号从光子转换为微波的光电转换器

射频天线

在光域中解调信号的光子信号混合单元 

用于信号处理的电光转换器

 

光子雷达系统的应用

光子雷达系统的潜在应用没有限制;然而,eggleton 教授和博士。候选人张子谦目前正在研究医疗监控领域的未来救生应用。 

张子谦(左)和 benjamin eggleton 教授(右)展示了他们的雷达系统。图片由悉尼大学提供

 

使用他们的光子雷达传感器,该团队希望开发一种检测患者生命体征(如呼吸和心率)的新方法。


通过连续测量患者身体的细微运动,该技术可以检测他们的呼吸模式并确定潜在的异常情况,而无需将任何设备连接到患者身上。这种方法将有利于对烧伤受害者或婴儿进行非侵入式测量,否则这些测量会对传统传感器和监测设备敏感。


类似的测量可以通过使用携带更多数据和用户可用于识别患者的私人信息的视频捕获技术来完成。 


光子雷达系统可以帮助解决医疗监测的隐私问题,因为它只能捕获与患者健康相关的特定信息,允许完全隐私和匿名,同时还遵守该领域的法律和法规。


光子雷达系统的未来

这种光子雷达系统仍在开发中,悉尼大学的研究人员正在计划在获得伦理批准后进行多个测试阶段。 


他们目前的计划是首先在甘蔗蟾蜍上测试这项技术,然后再转移到人类参与者身上。 


由于雷达中使用的无线电波的非侵入性,基于该技术的生命体征医疗设备在家庭或医院环境中广泛使用是完全安全的。 


未来,该团队计划缩小这些传感器,使它们足够小,可以嵌入到手机和其他设备中。


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