光子輔助雷達（微波光子雷達）的發展已經曆超過 10 年的時間。與其他系統相比，光子雷達系統具備超大帶寬、高信号質量以及多波段靈活可調性。
對于雷達探測而言，這意味着該系統能夠展現出優異的探測性能。例如，大帶寬帶來的毫米級距離分辨率，可以幫助系統更準确地區分目标與環境中的雜散物體，同時确保多個集中分布目标的實時探測。
在提取目标微小的呼吸和心跳特征時，優異的時頻線性度和信号以及系統的信噪比可保證微米級的精準度。但是，基于光子雷達的活體生命體征探測尚未受到高度的關注。
視頻丨使用激光雷達檢測蟾蜍的口腔運動與相機檢測的比較（來源：Nature Photonics）
最近，澳大利亞悉尼大學團隊證明了一種用于非接觸式生命信号檢測的光子雷達，其能夠基于合成雷達信号實現了信号的帶寬高達 30GHz、精細分辨率達到 6 毫米、準确度達到微米級别。并且，非接觸式的探測方式保證了患者的舒适性和避免了因成像造成的隐私洩露、多目标檢測。
該雷達系統的高分辨率使其能夠準确地從呼吸模拟器，和蟾蜍（Cane Toads）（替代人體檢測實驗）中檢測出呼吸。這是開創性地用微波光子雷達和活體生物體進行生命體征探測，該實驗驗證并開拓了使用高性能的光子雷達和激光雷達進行生命體征探測。
更重要的是，與現有的最先進的電子生命體征雷達相比，它具有更簡化的系統結構、更高的帶寬和靈活性，并且無需并行或多路複用的高頻電子架構。
該技術的應用場景包括醫院、監獄、機場、養老院等需要對人的生命體征進行監測的公共場合。與此同時，還可用于不适用接觸式生命體征探測的特殊群體，例如嚴重燒傷的病人和早産嬰兒、農場對于家畜的生命體征檢測、防疫以及防止野獸攻擊等。
一位審稿人評價稱，該系統的應用令人興奮，并将引起廣大讀者的興趣。結果是有效的，顯示了光子雷達在提高距離分辨率方面的顯著優勢。論文清晰且寫作出色，所報告工作的一個優點是該系統具備同時允許雷達和激光雷達測量的能力，這是光子雷達在多功能感測方面的有用特性。
圖丨相關論文（來源：Nature Photonics）
近日，相關論文以《非接觸式生命體征檢測的光子雷達》（Photonic Radar for Contactless Vital Sign Detection）爲題發表在 Nature Photonics 上 [ 1 ] 。
悉尼大學張紫千博士爲論文第一作者，共同通訊作者爲劉陽博士（現爲瑞士洛桑聯邦理工學院博士後研究員）、本傑明 · J · 艾格爾頓（Benjamin J. Eggleton）教授（代理科研副校長 , pro vice chancellor research）。
用光子雷達和活體生物體進行生命體征探測
需要了解的是，人類胸腔的震動可以分解爲兩種獨立的震動，分别源自呼吸和心跳。對于一般成年人而言，由呼吸引起的胸腔震動位移大約在 4 到 12 毫米之間，而由心跳引起的震動則在 0.2 到 0.5 毫米之間。因此，光子雷達對于成功提取這類微小的生命體征信号顯得尤爲關鍵。
與傳統的電子雷達系統相比，光子雷達系統不僅提供了更優的分辨率（帶寬）和準确性（降低噪聲），而且還能實現分布式的、多頻段的感知，以增強感知的魯棒性和擴大信号覆蓋範圍。
視頻丨光子雷達探測到蟾蜍的頰部運動（來源：Nature Photonics）
張紫千指出，光子雷達系統可以通過光纖将射頻雷達信号，以低損耗的方式分布到廣泛的範圍，從而允許同時進行多個雷達探測。這導緻了來自集中式系統的優越雷達性能，從而實現了更好的協調和更低的成本，無需雇用多個獨立的雷達系統并将它們同步在一起。
與其他光子雷達系統相比，該團隊提出的系統在使用相對簡單到中等複雜的光學系統設置。并且，僅依賴 100MHz 級驅動電子設備的情況下，已經展示出超過 30GHz（5 毫米範圍分辨率）的帶寬。
" 該系統實現了充足的帶寬、系統可調性、高時頻線性度，以及避免高速電子設備之間的最佳平衡，以确保具有足夠準确度的多目标生命體征檢測。"劉陽表示。
圖丨一種用于非接觸式生命體征檢測的光子學雷達系統（來源：Nature Photonics）
接着，張紫千大幅度地提升了雷達信号帶寬和信噪比，實現了超過高速電子信号發生器合成的雷達信号質量 [ 3 ] 。2021 年 6 月，研究人員開始爲動物實驗做準備，包括進行涉及動物的研究訓練、通過必要的倫理考試、提交動物倫理審批申請，以及招募獸醫科學專家協助課題組進行實驗。
爲提高帶寬和信号質量，團隊成員在不斷挑戰系統的極限，張紫千回憶道：" 對來自物理學院的研究者來說，獲得動物倫理審批比解決實驗問題更具挑戰性。我們花了三個月時間完成了 12 頁的動物倫理申請表，并在經過一年以及 18 次修改後，動物倫理委員會終于給予了批準。"
劉陽表示，雖然解答科學問題充滿挑戰，但将實驗帶入真實世界的場景并在那裏進行測試，做出對人類生活和健康檢測有潛在應用價值的研究工作，是真正賦予這項研究其意義的地方。
期望探索更先進的光子方法，不斷推動系統性能的極限
實際上，生命體征檢測在醫療保健環境中的各種應用場景中已得到廣泛應用，觸覺和可穿戴傳感器被廣泛部署。
然而，它們對于燒傷患者或貼附區域不足的嬰兒來說并不适用。雖然可以通過相機成像實現非接觸檢測，但這種方法容易受到環境光照條件的影響，并會引發隐私等問題。
圖丨生命體征檢測結果使用蟾蜍作爲人類的代理（來源：Nature Photonics）
該雷達使用的技術僅需要低頻、兆赫茲級别的電子信号來控制和驅動，一定程度上降低了系統的成本，同時保證了優秀的帶寬和雷達探測表現。下一步，該團隊計劃繼續研究使用芯片級組件來縮小設備的尺寸，或者測試其對人類（可能是已識别出肺部疾病或心髒病的人）的性能表現。
劉陽表示，另一個令人興奮的前景是深入研究先進的算法結合激光雷達，以提升系統在真實應用場景（如養老設施）中對移動目标的性能。此外，研究團隊也期望探索新的、更先進的光子方法，來不斷推動系統性能的極限。
目前，研究團隊正在申請政府成果轉化基金的支持，并緻力于與商業雷達公司合作，開發尺寸更小成本更低的光子雷達系統，用于分布式生命體征探測和活動軌迹監測。
圖丨本傑明 · J · 艾格爾頓（Benjamin J. Eggleton）教授（左）與張紫千（來源：悉尼大學）
值得關注的是，在該研究中還提到了混合傳感（sensor fusion）的可能性，用于提高整個系統的探測性能并彌補單個探測系統的不足。
傳感器融合是指整合來自各種傳感器的數據，以增強系統性能的準确性和可靠性。該融合技術可能允許在實際場景中，如養老院或甚至在自己的家中，進行非侵入式、連續的生命體征監測。随着機器學習和人工智能算法的持續發展，它們将進一步提高這種融合的精确性和效能，爲個體的健康狀态提供更細緻、實時的洞察。
四年亦師亦友的共同研究學習
劉陽本科和碩士分别畢業于華中科技大學的光電子科學與工程學院及武漢光電國家研究中心。他在悉尼大學物理系、超寬帶光子器件與系統研究中心獲得了博士學位，并在那裏從事博士後研究工作。
2020 年 12 月，劉陽加入瑞士洛桑聯邦理工學院從事博士後研究工作，并主持歐盟 " 瑪麗 · 居裏學者 " 項目。其研究工作聚焦于稀土元素摻雜的集成光子器件，集成非線性光子器件（基于布裏淵散射和克爾效應），和以面向微波光子信号處理、雷達爲代表的應用。
張紫千在哈爾濱工程大學獲得電子工程學士學位（水聲學），并于 2018 年從澳大利亞悉尼大學獲得 IT 和工程（無線通信）碩士學位。目前，他即将在悉尼大學物理學專業博士畢業，并計劃回國尋找教職工作。
他的研究興趣包括光子學和光學，特别關注微波光子學、非線性光學，光子雷達探測，以及集成光學。他已在 Nature Photonic，Laser and Photonics Review， IEEE JLT 發表了多篇科學論文，并擁有一項國際專利。
四年前劉陽開始博士後工作，并作爲副導師開始指導剛入組實習的張紫千。在研究過程中，張紫千和劉陽一起設計雷達系統和實驗方案、處理分析數據、挖掘包括無人機探測、活體生命體征探測（受新冠防控的啓發）等潛在應用。即使他們後期分别在不同國家的工作，依然保持頻繁的讨論交流和每周例會，對實驗結果和現象反複推敲，合作完成數據處理、論文撰寫和修改。
回顧四年來，兩人共同在艾格爾頓教授課題組學習研究的經曆，張紫千感歎道：" 我們亦師亦友，始終堅持朝着制定的研究目标計劃邁進，收獲的不僅是研究成果，更多的是做獨立研究的方法和做高質量工作的信心。"
參考資料：
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
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