Nature-电子学：太赫兹雷达透过衣服实现非接触式心跳测量

推广位（非商务）

在雷达上使用太赫兹波比传统的无线电波(如毫米波)有更高的分辨率，有比光更高的透射率。

由于缺乏适合制造移相器和环形器的低损耗材料，在太赫兹范围内无法集成雷达系统。

通过对波导结构和扫频方案的重新设计，在不使用移相器和环形器的情况下建立了太赫兹雷达系统。

作为实际应用概念的一个证明，通过检测人的胸部表面衣服的微小位移来实现了非接触式心跳测量。

日本庆应义塾大学（Keio）和日本情报通信研究机构(NICT)的研究人员利用太赫兹波探头，开发了一种便携、高分辨率的雷达系统。

基于一种新的波导结构，在一个程序包内集成了波束转向、零差检测等诸多功能。

在过去几年里，雷达，特别是毫米波雷达，在智能和自动驾驶车辆方面的发展和使用显著增加。

然而，雷达的距离分辨率和角分辨率分别受到带宽和波长的限制。

与毫米波相比，太赫兹波具有更高的频率和更短的波长，可以实现更小足迹和更高分辨率的雷达系统。但同时，随着波长的变短，由衍射引起的衰减迅速增大。为了补偿衰减，通过形成定向波束来发射波变得非常重要。

然而，尽管半导体技术的进步使太赫兹振荡器、乘法器和实用的接收器成为现实，但由于缺少波束转向和输入输出隔离的基本组件——移相器和环形器，阻碍了太赫兹范围内雷达系统的集成。

为了克服这些困难，此前提出了使用混合耦合器和正交模式转换器来代替环形器、使用发射机和接收器天线分离的收发分置结构等方法。但尽管有这些努力，实现有效的、宽带的和紧凑的太赫兹雷达仍然很困难。

研究人员Monnai及他的同事提出一种漏波相干层析成像技术，使用一对反向连接的漏波天线整合太赫兹雷达系统，实现了波束引导和零差检波。

这项技术无需使用移相器、环行器、半镜、透镜或机械扫描仪，可以同时探测方向和范围，这对于上述困难可谓是来了一招“釜底抽薪”。

这提供了一种适用于移动设备和无人机的紧凑、穿透性和高分辨率的雷达系统，还可以使用它来创建一个远程心跳检测器，透过一个人的衣服来测量他的胸部位移。

研究人员提出了一种多功能波导，避开了使用移相器和环形器，从而在一个封装中实现太赫兹雷达系统。

使用了一种重新设计漏波天线的方法，这种方法结合了两种对称性：一种是中心馈电波导的激发态，另一种是漏波的方向耦合。

以这种方式集成太赫兹雷达系统可以同时实现波束引导和零差检测。

漏波天线(LWA)是行波天线的一种，通过导波和辐射波之间的相位匹配条件来发射和接收定向波束。

图1 LWA的输入和输出。a. 传统的LWA示意图 b. 四端口LWA示意图

传统的LWA是一个双端口设备，将所有的导波辐射到自由空间，如图1 a。但如果要用于雷达，则需要雷达信号发射后，同一孔径捕获输入端口的返回信号。

研究小组设计的LWA可以作为一个类似于半镜的对称的四端口器件，如果可以调整泄漏信号，使一部分导波到达波导端从而被收集，如图1 b。剩余的导波与来自对称方向的雷达信号发生共线叠加。

因此，利用导波作为参考信号，在波导端附加一个非线性探测器，可以实现对雷达信号的零差检测。

研究小组设计建造了一对反向连接的LWA，形成了一个频率为330-500 GHz (WR2.2频段)的三端口设备，如图2a所示。

Ⅰ. 输入端口P1处TE10模式的导波被激发，T型结将其一分为二，传输到两侧的LWA，再以对称的TE-极化模式的光束发射到自由空间。光束方向随频率的变化而变化(图2b)。

Ⅱ. 同时，剩余导波传输到端口P2和P3，经外部的零偏检测肖特基势垒二极管(ZBD)（两个90°的弯曲），使ZBD的外壳与LWA表面共线，如图2c。放大器-倍增器链(AMC)与P1相连，AMC使用两个三倍频器将约10Ghz的频率转换到WR2.2波段。

Ⅲ. 如图2d，AMC进一步连接到微波频率合成器，生成频段为9.16-13.9 GHz，在10 kHz偏移时相位噪声为-100 dBc Hz﹣¹。两个ZBDs连接到40-dB的低噪声放大器，输出信号由16位模数转换器(ADC)采集。为了抑制泄漏，在狭缝上覆盖了一个铜网，相当于一个局部反射器，达到限制导波的作用。

因此，通过反向连接LWA，“漏波”进行相干层析成像，实现了雷达系统的波束引导功能。

作为相位敏感测量的一个应用实例，研究小组通过对两名受试者衣服的位移进行远程测量，演示人体心跳检测的测试。

图3通过相敏测量进行人体心跳检测演示。a. 实验装置照片：受试者胸部在雷达（200mm，45°）方位 b. 时间演变的相敏测量 c. 从时间演化图b中提取的相移图

测试条件：受试者A和B分别为34岁和22岁的健康男性，受试者的胸部定位在距离雷达（200mm，45°）的方位(图3a)，测量过程中，受试者屏住呼吸并保持静止5秒。

测试过程：雷达每31毫秒完成一次频率扫描和相移计算。频率扫描范围400-480 GHz，采样率每帧42µs (24kHz)。通过沿时间轴叠加相移，可以提取特定距离处相移的时间变化(图3b)。

测试结果：图3c所示为两名受试者的胸部的表面相移，可以清楚地观察到与同步心电图(ECG)存在大约30µm的位移。

虽然微波和光波都被用来探测人的心跳，但它们的功能是互补的，即微波对衣服有很大的穿透性，但不能捕捉到皮肤移位的细微特征，而光波恰恰相反。

太赫兹波的使用结合了它们的优点，能够通过衣服来详细测量皮肤的位移。

它提供的信息与听诊器类似，更像是一个“远程”听诊器，因此它可以被用来检测无约束环境下的心律失常，或者消除健康检查时脱衣的需要。

太赫兹波雷达通过处理扫频数据来提取目标的方向、距离和速度，为实现集成太赫兹雷达系统铺平了道路，与毫米波雷达相比，它的足迹要小得多，分辨率也高得多。

这种高分辨率、穿透性和便携性的集成太赫兹雷达系统，可以广泛用于包括安全检查、健康监测、无人机航空电子设备和人机界面在内的多种领域。

同时，这种雷达系统可应用于非接触式心跳测量。

即使在不透明的介质中，测量微小位移的能力为健康检查过程提供了更简单、更快和更卫生的程序，同时减少了隐私问题。

未来，研究和开发更多的滤波软件是非常重要的，通过分析大量的数据，检测身体和心理健康状况也将成为可能。

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