先進(jìn)感知技術(shù)白皮書 2023

1 2 3 4 42.1.1量子傳感 42.1.2腦電傳感 6 72.2.1柔性傳感 82.2.2觸覺傳感 9 112.3.1片上光學(xué)傳感 2.3.2微流控生物傳感 142.4.1仿生視覺傳感 2.4.2堆棧式圖像傳感 182.5.1光纖傳感 2.5.2超敏氣味傳感 20 22 24 25 27 3811.1先進(jìn)感知技術(shù)方向2圖1.先進(jìn)感知技術(shù)方向1.2傳感前沿技術(shù)新機(jī)理方面，量子傳感和腦電傳感等是其中的典型代表，在航空航天、安新材料方面，新型柔性材料等作為傳感器敏感材料，未來將助力更多業(yè)務(wù)新工藝方面，MEMS是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的前沿研究領(lǐng)域，是傳感器工藝31.3傳感融合技術(shù)通信融合方面，面向廣域和局域，以及微域和短距的無線通信技術(shù)能夠支持傳感器實(shí)現(xiàn)感知和傳輸能力的有效提升，更好的滿足差異化的場(chǎng)景需求。廣計(jì)算融合方面，數(shù)據(jù)壓縮、感內(nèi)計(jì)算和異構(gòu)計(jì)算等新型計(jì)算技術(shù)的研究和據(jù)傳輸量，延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期，結(jié)合深度學(xué)習(xí)等AI智能融合方面，智能微系統(tǒng)、分布式計(jì)算和群智感知等通過傳感與智能化4能量融合方面，能量采集與感知和能量管理等技術(shù)能夠改善傳統(tǒng)有源供電（電池/布線）的問題，實(shí)現(xiàn)傳感器無源化。能量采集與感知一方面從環(huán)境中收2.1新機(jī)理2.1.1量子傳感5利用量子力學(xué)來探測(cè)并提取信息的技術(shù)手段，其利用量子物體、量子相干效應(yīng)或量子糾纏測(cè)量特定的物理性質(zhì)，從而提供超越經(jīng)典極限的傳感靈敏度和精度。中，Ramsey測(cè)量最為重要且基礎(chǔ)，它使用兩個(gè)間隔時(shí)間的脈沖來操控和測(cè)量量6圖2.量子陀螺儀用于汽車的偏航速率傳感器[10]子密鑰分發(fā)（QKD）可為通信雙方創(chuàng)建高2.1.2腦電傳感于頭部，獲取大腦活動(dòng)產(chǎn)生的微弱電信號(hào)。通過計(jì)算機(jī)對(duì)腦電傳感的信號(hào)進(jìn)行解碼，分析神經(jīng)元傳遞的信息，可以了解人的認(rèn)知、情緒和運(yùn)動(dòng)等腦內(nèi)活動(dòng)，72.2新材料82.2.1柔性傳感柔性材料制成的傳感器，具備了可彎曲和可變形的特點(diǎn)[21]，能夠更緊密的貼附 能夠在保證靈敏度和分辨率等性能的前提下，實(shí)現(xiàn)與剛性傳感相同的92.2.2觸覺傳感觸覺傳感可用于檢測(cè)接觸、壓覺和滑覺等物理特征量，通過模擬人體皮膚提取接觸物的剛度、形狀和大小信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)[27]（圖3.觸覺傳感器示例[28]2.3新工藝2.3.1片上光學(xué)傳感用的需求。片上光學(xué)傳感是將透鏡、光源、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和耦合陣列等光學(xué)器件集成在一顆芯片上，實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化、低功耗和低成本，并利用納米光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的高精度檢測(cè)，是光學(xué)傳感未來發(fā)展的重要方向。2.3.2微流控生物傳感（LabonaChip可利用微細(xì)加工技術(shù)在玻璃或塑料基板上制作溶液流動(dòng)的微小通道網(wǎng)絡(luò)并集成在芯片中，從而將若干個(gè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目集中和縮小到一圖4.微流控技術(shù)原理示意圖[40]以及水凝膠[47]和紙基[48]等新型材料逐漸成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)。生化特異性方面，2.4新結(jié)構(gòu)2.4.1仿生視覺傳感是通過模仿生物視網(wǎng)膜原理和結(jié)構(gòu)來提升視覺傳感器性能的新型傳感技術(shù)。為了適應(yīng)自然界中多樣化的復(fù)雜環(huán)境，各類生物進(jìn)化出了賴以生存的視覺感官系統(tǒng)，研究人員通過對(duì)生物體視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理的研究，仿照其實(shí)現(xiàn)方圍可以拓展至紫外波段，即具有四色視覺(tetrachromacy)能力。受此啟發(fā)，對(duì)圖5.人類視錐細(xì)胞對(duì)光線的感知適應(yīng)示意圖2.4.2堆棧式圖像傳感使用帶有邏輯電路的芯片層替代了傳統(tǒng)圖像傳感器所需的支撐襯底，在保證圖像傳感器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)為像素區(qū)域的制造去除了諸多限制（圖6.傳統(tǒng)背照式圖像傳感和堆棧式圖像傳感對(duì)比示意圖[55]），圖7.傳統(tǒng)像素結(jié)構(gòu)和雙層晶體管像素結(jié)構(gòu)對(duì)比圖[58]2.5新算法2.5.1光纖傳感又稱為分布式光纖傳感技術(shù)（DFOS），是由光纖通信演變而來，原用于檢測(cè)光在光纖中傳播時(shí)，其振幅、相位、波長(zhǎng)、偏振和傳輸時(shí)間等參數(shù)會(huì)受環(huán)境影響，因此光纖可作為敏感元件來探測(cè)溫度、振動(dòng)圖8.分布式光纖傳感技術(shù)[61]光纖傳感主要基于入射光波和光纖介質(zhì)相互作用產(chǎn)生散射譜的原理進(jìn)行環(huán)2.5.2超敏氣味傳感題，一種由交叉敏感傳感器陣列和模式識(shí)別算法組成的超敏氣味傳感系統(tǒng)被提圖9.超敏氣味傳感系統(tǒng)示意圖的特征,提供可靠的識(shí)別精度。為實(shí)現(xiàn)高效的氣味檢測(cè)，一種基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），圖10.傳感融合技術(shù)示意圖3.1通信融合無線通信信號(hào)參數(shù)特征的變化可以推理感知目標(biāo)的變化，實(shí)現(xiàn)通信感知一體化，圖11.基于通感一體的氣候環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用[72]圖12.無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)路徑粉末、陶瓷和液體等，可應(yīng)用于國(guó)防、安全、天文和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。相比X3.2計(jì)算融合數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可用于對(duì)部署密度大和覆蓋區(qū)域重疊的海量傳感器產(chǎn)生的冗感內(nèi)計(jì)算（in-sensorcomputing）是一種新型的傳感器計(jì)算范式，通過在圖13.感內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)[76]計(jì)算問題，例如GPU可用于高速并行計(jì)算，F(xiàn)PGA可用于快速和定制化的數(shù)據(jù)處3.3智能融合工作效率。智能融合技術(shù)重點(diǎn)涉及智能微系統(tǒng)、分布式計(jì)算和群智感知。MEMS、光電子、算法與軟件等要素的技術(shù)[78]（如圖14）。智能微系統(tǒng)具備微型圖14.一種典型智能微系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖群智感知（CrowdSensing）利用眾包的方式采集感知數(shù)據(jù)，可利用人群通群智感知等新型感知范式的廣泛應(yīng)用，基于深度學(xué)習(xí)等AI算法更高效的數(shù)據(jù)處理、更強(qiáng)大的系統(tǒng)可靠性和更低的功耗，并進(jìn)一步拓展“感知+3.4能量融合為傳感器供能，又可作為傳感器的感知對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備振動(dòng)幅度的信息采集，耗場(chǎng)景，其典型代表是RFID。隨著無線發(fā)射器數(shù)量的與日倍增，利用射頻信號(hào)縮略語英文全名3-Dimensional6GThesixthgenerationmobilecommunicationsystems第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)AIArtificialIntelligence人工智能AMPAmplifierTransistor放大晶體管ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit專用集成電路CMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CNNConvolutionalNeuralNetwork卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CPUCentralProcessingUnit中央處理器DFOSDistributedFiberOpticSensing分布式光纖傳感DRAMDynamicRandomAccessMemory動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問內(nèi)存DTDecisionTree決策樹FPGAFieldProgrammableGateArray現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列GNNGraphNeuralNetwork圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GPUGraphicsProcessingUnit圖形處理器HDRHigh-DynamicRange高動(dòng)態(tài)范圍ImageSignalProcessor圖像處理器LDALinearDiscriminantAnalysis線性判別分析MEMSMicro-ElectroMechanicalSystem微型電子機(jī)械系統(tǒng)OFDAOpticalFrequencyDomainanalysis光頻域分析OFDROpticalFrequencyDomainReflectometry光頻域反射OPTsOrganicPhototransistors有機(jī)光電晶體管OTDAOpticalTimeDomainAnalysis光時(shí)域分析OTDROpticalTime