面向非接触式生命体征检测的光子雷达

生命体征是反映人体基本功能的一组临床测量值，被用作监测医疗和健康状况的诊断参数。因此，生命体征检测已经广泛应用于很多临床场景，例如，重症监护病房用于危重患者的监护，老年护理机构用于昼夜健康监测以防止无人看管的患者出现医疗紧急情况，以及在车辆中用于确定驾驶员是否打嗜睡等。

传统的生命体征检测需要依赖接触式设备，例如脉搏血氧计，利用电极来检测由心脏收缩引起的微弱电变化，还有智能手表，利用基于血流和体积变化引起的红外探测光的强度变化（光体积描记术）。这类应用已经非常广泛，但接触式方案在全天候监测中还是会引起用户不适。尽管利用可穿戴传感器嵌入腕带或衣物等方案大幅改善了用户体验，但它们仍然不适合烧伤或皮肤刺激性的患者，也不适合附着面积不足的婴儿。

业界已经探索了基于光学传感器的非接触式检测方案，例如，利用相机来跟踪人体某些目标区域。然而，基于相机的系统（包括红外相机和传统可见光相机）对皮肤颜色和照明条件很敏感。这些系统通常需要复杂的计算算法，以及红外相机生成的热成像视频，其分辨率通常有限。此外，一些基于高分辨率摄像头的系统则可能会导致隐私问题，尤其是涉及侵入性监控以及云计算和数据存储基础设施具有潜在安全风险的情况。

利用射频（RF）波的雷达可以远距离捕捉目标的生命体征，以克服接触式传感器的缺点。这种生命体征信息基于射频感应而非相机拍摄而产生，因此自然提供了所需要的隐私保护。近年，已有利用单音调频波电子雷达进行生命体征检测的探索。基于多普勒原理的单音雷达可以通过运动物体反射信号的相位信息来获取生命体征。

不过，这种技术缺乏检测往返时间的功能，因此无法获取目标的距离信息。它们无法利用距离信息来分离位置较近的目标，并将目标与周围的杂波隔离开，这限制了它们在现实应用中的性能和实用性。相比之下，调频雷达可以提取距离信息来克服这一问题。更重要的是，通过拓宽传感信号的带宽可以提高调频雷达的距离分辨率和精度。

不幸的是，传统电子雷达系统通常仅有有限的亚千兆赫带宽，导致分辨率仅为数十厘米，这不足以准确检测微弱的生命体征信号（例如人体呼吸，胸部位移仅约1 cm）。这种分辨率很难从身体运动中分离生命体征信号，也无法跟踪多个目标。此外，新兴应用往往需要多个频段和部署位置进行分布式传感，这对于没有复杂并行硬件架构的传统电子器件来说具有挑战性。

微波光子雷达技术由于其相对于传统电子雷达传感方案的众多优势而获得发展。光子雷达系统已经证明了它们在产生超宽带信号方面的能力，由此可以实现卓越的距离分辨率。基于色散的技术可以提供高达40 GHz的带宽 ，实现低至3.9 mm的分辨率。

基于外部光注入的扫频光源实现了超过1.2 × 10⁵的大时间带宽积 ，更长的脉冲时间改善了噪声环境中的信噪比以及整体性能。光子倍频器和数模转换器为精确的雷达传感提供了充足的带宽和高时频线性度。光子雷达可以产生不同类型的雷达信号，包括线性调频（LFM）和步进频率（SF）信号。

此外，它还可以在毫米波区域的多个频段工作，根据工作条件优化性能。这些功能克服了电子雷达的局限性，使其非常适合生命体征检测。然而，尽管光子雷达具有潜力，但用于生命体征检测的光子雷达尚未在实际应用中得到探索。

据麦姆斯咨询介绍，澳大利亚悉尼大学（University of Sydney）光子学与光学科学研究所（Institute of Photonics and Optical Science）的研究人员近期在Nature Photonics期刊上发表了一篇题为“Photonic radar for contactless vital sign detection”的文章。在这篇文章中，研究人员展示了一种用于生命体征检测的光子雷达，利用人类呼吸模拟器和活体动物（蔗蟾）代替人类进行了实验。该雷达可在Ka波段（26.5–40 GHz）产生10 GHz宽的SF RF信号，来检测模拟器的呼吸活动，实现了13.7 mm的距离分辨率和微米级的检测精度。即使动物雷达截面尺寸较小，这种高分辨率和精度对于检测蔗蟾细微的生命体征至关重要。

研究人员展示了高达30 GHz的带宽可扩展性 ，不受RF天线和放大器的限制。研究人员还展示了基于相同微波光子源的激光雷达（LiDAR）生命体征检测系统，展示了该系统实现雷达和激光雷达互补功能的潜力。研究人员设想了将这种高性能分布式雷达系统应用于一系列医疗保健场景，例如老年护理机构、医院以及监管机构的全天候生命体征监测等。

例如，具有多个雷达光学RF接入点的分布式光子雷达传感网络，可以使用RF波来检测人类生命体征（如下图a所示）。与部署单个雷达接入点不同，这种方法可以连续跟踪自由活动的背面或侧面目标。支持多个光学RF接入点的光学雷达信号源可以覆盖不同的视角，以使用低损耗光纤来监测一个或多个目标。

面向非接触式生命体征检测的光子雷达系统

基于呼吸模拟器的多目标生命体征检测结果

利用蔗蟾代替人类进行的生命体征检测实验

总结来说，研究人员展示了一种分辨率达到毫米级、精度达到微米级的光子生命体征检测系统 ，能够实现多目标检测，并且不会带来舒适性和隐私问题。实验证明了它在发现细微呼吸异常，准确提取蔗蟾口腔运动方面的能力和有效性。更重要的是，它具有简化的系统结构，提供了改进的带宽和灵活性，这是当前最先进的生命体征电子雷达无法实现的。

这种光子方案为实现高分辨率、快速响应且具有高成本效益的混合雷达-激光雷达模块提供了一条新途径，可用于分布式、非接触式生命体征检测。

审核编辑：刘清