2023先進(jìn)感知技術(shù)白皮書

先進(jìn)感知技術(shù)白皮書2023.11（1.0版）目 錄概述 1先感知術(shù)方向 1傳前沿術(shù) 2傳融合術(shù) 3傳感前沿技術(shù) 4新理 4量子傳感 4腦電傳感 6新料 7柔性傳感 8觸覺(jué)傳感 9新藝 11片上光學(xué)傳感 11微流控生物傳感 13新構(gòu) 14仿生視覺(jué)傳感 15堆棧式圖像傳感 16新法 18光纖傳感 18超敏氣味傳感 20傳感融合技術(shù) 22通融合 22計(jì)融合 24智融合 25能融合 27總結(jié)與展望 28縮略語(yǔ)列表 29參考文獻(xiàn) 30參編單位及人員 38PAGEPAGE29感知是通過(guò)各類感知設(shè)備獲得目標(biāo)信息的過(guò)程[1]，包括對(duì)感知數(shù)據(jù)的采集、宙相互促進(jìn)，勢(shì)必迎來(lái)爆發(fā)式技術(shù)突破及市場(chǎng)增長(zhǎng)。先進(jìn)感知技術(shù)方向（傳感前沿技術(shù)傳感融合技術(shù)使原圖1.先進(jìn)感知技術(shù)方向傳感前沿技術(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、安療、娛樂(lè)、軍事和教育等行業(yè)發(fā)揮重要作用。新材料方面，新型柔性材料等作為傳感器敏感材料，未來(lái)將助力更多業(yè)務(wù)物理學(xué)和柔性電子學(xué)的前沿進(jìn)展，在傳感精度和機(jī)械性能方面有較大提升。新工藝方面，MEMS樣的等待時(shí)間和痛苦程度，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。3D堆棧結(jié)構(gòu)分別為視覺(jué)傳感和圖像傳感的技術(shù)研用原理，實(shí)現(xiàn)在不同光照情況下的高效信息采集，是未來(lái)視覺(jué)傳感的重要方向。堆棧式圖像傳感通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高光線的接收和處理效率，從而降低噪聲、提高圖像質(zhì)量并擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。光纖傳感利用光纖通信技術(shù)中的傳感融合技術(shù)6G[2]。通信融合方面，面向廣域和局域，以及微域和短距的無(wú)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(guò)傳感與智能化能量融合方面，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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)傳感器無(wú)源化。包括采能高效管理、儲(chǔ)能優(yōu)化控制以及用能按需調(diào)整等。新機(jī)理量子傳感技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，可用于軍事、交通及航空航天等重要領(lǐng)域。未來(lái)，量子傳感量子傳感是一種利用量子力學(xué)來(lái)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)（例如電磁場(chǎng)或引力場(chǎng)Ramsey[3]，Rabi[4]，Bose-Einstein[5]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(lái)操控和測(cè)量量子系統(tǒng)，主要用于原子鐘、核磁共振、慣性導(dǎo)航和天體輻射頻譜等高精度測(cè)量。以原（如處于基態(tài)的銣或銫等（多為微波脈沖[7]（了量子陀螺儀的研發(fā)工作推動(dòng)量子傳感器持續(xù)快速發(fā)展。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)建高安全信息通道。量子傳感也將與量子通轉(zhuǎn)型。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(guò)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)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的信息交換。[11]便攜化、可穿戴化及簡(jiǎn)單易用化方向發(fā)展。具有生物兼容性的材料制成。柔性電極具有密度高、信號(hào)穩(wěn)定和損傷小的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)階段腦信號(hào)傳感電極的主攻方向AI[13]從而提高解碼的泛化能力和適應(yīng)性[14]。[16][17]戲控制等方面，實(shí)現(xiàn)更加良好的應(yīng)用體驗(yàn)，為人類帶來(lái)便利與福祉。新材料域應(yīng)用，為萬(wàn)物智聯(lián)奠定重要基礎(chǔ)。柔性傳感柔性傳感器是基于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[22]，且生物相容性更好[23]，能夠在保證靈敏度和分辨率等性能的前提下，實(shí)現(xiàn)與剛性傳感相同的功能。[24][25][26]拋光的方法，在實(shí)驗(yàn)室初步實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)轉(zhuǎn)印。器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)柔性化。孿生和元宇宙的重要基礎(chǔ)。觸覺(jué)傳感觸覺(jué)傳感可用于檢測(cè)接觸、壓覺(jué)和滑覺(jué)等物理特征量，通過(guò)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]（3）。圖3.觸覺(jué)傳感器示例[28]要感知法向力和剪切力[29]電式[30]敏材料受力產(chǎn)生形變時(shí)根據(jù)其不同位置積累的電荷判斷力度和力向[31]。[33]布多個(gè)原型產(chǎn)品，但距離實(shí)際應(yīng)用仍然較遠(yuǎn)?；蜢`長(zhǎng)類手指結(jié)構(gòu)[35]人機(jī)交互等領(lǐng)域具有更加廣闊的應(yīng)用前景。新工藝MEMSMEMS片上光學(xué)傳感然而，傳統(tǒng)的光學(xué)傳感技術(shù)往往依賴于復(fù)雜的耦合光路和外部精密的檢測(cè)設(shè)備，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(lái)發(fā)展的重要方向。CF4/Ar4定差距。未來(lái)，片上光學(xué)傳感技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一步突破，達(dá)到與傳統(tǒng)光學(xué)傳感器相似的準(zhǔn)確率、識(shí)別速度和光源質(zhì)量，提高集成光學(xué)器件的大數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣，成為元宇宙和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)落地的重要基礎(chǔ)。微流控生物傳感MEMS（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)目集中和縮小到一個(gè)幾平方厘米大小的芯片上完成[39]（如圖4）。圖4.微流控技術(shù)原理示意圖[40][41]aL~fL（10~103nm）加大了樣品混合和分析的難度[45]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，探針?lè)肿訉?duì)待測(cè)分子的結(jié)合力和篩選性決定了微流控生物傳感的反應(yīng)速率和分面裝飾，或人工合成探針?lè)肿右赃M(jìn)一步提升靈敏度和準(zhǔn)確性。[50]和眼科疾病[51]光學(xué)器件、生化分析儀和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。新結(jié)構(gòu)CMOS促進(jìn)傳感能力的提升，推動(dòng)傳感器技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。仿生視覺(jué)傳感是通過(guò)模仿生物視網(wǎng)膜原理和結(jié)構(gòu)來(lái)提升視覺(jué)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(jué)感官系統(tǒng)，研究人員通過(guò)對(duì)生物體視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理的研究，仿照其實(shí)現(xiàn)方式形成仿生視覺(jué)傳感。280dBCMOS70dB40dB199dB[52]。綠光和短（藍(lán)光150OPTs31nWcm-24690%，同時(shí)具備較高靈敏度的圖像感知和記憶能力[53]。和協(xié)同視覺(jué)功能[54]（如圖5）。圖5.人類視錐細(xì)胞對(duì)光線的感知適應(yīng)示意圖統(tǒng)的環(huán)境感知能力，助力未來(lái)發(fā)展和生產(chǎn)效率的提高。堆棧式圖像傳感CMOS到諸多限制。針對(duì)上述問(wèn)題，CMOS6）。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]CMOS(TSV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)感光像素與邏輯電路的連接[56]Cu-CuTSVDRAMCMOS[57]，將原本同處于像素層的光電二（2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]AI(ISP)AI3DHDR新算法感器廠商逐漸從單純圍繞硬件競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)入到圍繞“算法+硬件”競(jìng)爭(zhēng)的階段。新?lián)膶哟伪磉_(dá)，能夠在數(shù)據(jù)量較少的情況下學(xué)習(xí)代表信息特征的能力,獲得更高傳感器向更精準(zhǔn)的感知結(jié)果和更強(qiáng)大的感知能力演進(jìn)。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(lái)，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(lái)探測(cè)溫度、振動(dòng)、應(yīng)力和聲音等物理量[60]。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)（如微（OTDR）（OFDR）（OFDA光程差和頻率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析。因此，與重視敏感單元的傳統(tǒng)傳感器不同，其研究方向主要是在上述測(cè)試方法的基礎(chǔ)上通過(guò)光噪聲抑制[63]、光脈沖編碼[64]、時(shí)頻域特征提取[65]、修正解調(diào)方程[66]或引入深度學(xué)習(xí)[67]等方式提高信號(hào)信噪比、優(yōu)化空間分辨率、補(bǔ)償光纖衰減、提高感知精度以及降低散射串?dāng)_等。商用規(guī)模仍然較小，需待技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和推動(dòng)。超敏氣味傳感（等題，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)被提出，該傳感系統(tǒng)也稱為電子鼻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種氣味的準(zhǔn)確識(shí)別。圖9.超敏氣味傳感系統(tǒng)示意圖（如爆炸物檢測(cè)PCALDASVMDT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)(GNN)的氣味分析方法被提出傳感系統(tǒng)帶來(lái)機(jī)遇。通信方式生產(chǎn)和社會(huì)領(lǐng)域的新場(chǎng)景和新業(yè)務(wù)持續(xù)賦能。圖10.傳感融合技術(shù)示意圖通信融合以及微域和短距的無(wú)線通信技術(shù)。RFIDRFIDRFID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(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)路徑微域和短距網(wǎng)絡(luò)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X射線，太赫茲不會(huì)在人體產(chǎn)生有害的光致電離，因而能實(shí)現(xiàn)更安全的人體檢測(cè)，可為重大疾病診斷和生物干預(yù)提供先進(jìn)的感知手段。融合的重要趨勢(shì)。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)生的冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理[73]有助于提高數(shù)據(jù)壓縮的準(zhǔn)確性和保真度[74]。感內(nèi)計(jì)算（in-sensorcomputing）是一種新型的傳感器計(jì)算范式，通過(guò)在[75]（13）。目前感內(nèi)計(jì)算多用于圖13.感內(nèi)計(jì)算結(jié)構(gòu)[76]異構(gòu)計(jì)算CPUGPUFPGAASICGPUFPGA[77]和效率。網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和大規(guī)模部署提供高效可靠的解決方案，真正實(shí)現(xiàn)泛在感知。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。智能微系統(tǒng)MEMS、光電子、算法與軟件等要素的技術(shù)[78]（14）。智能微系統(tǒng)具備微型AI算法把多種傳感數(shù)據(jù)促進(jìn)了傳感器向自主化和無(wú)人化發(fā)展。圖14.一種典型智能微系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖分布式計(jì)算可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)處理和決策任務(wù)[79]有效地管理節(jié)點(diǎn)資源并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡至關(guān)重要[80]群智感知（CrowdSensing）感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的效率，提升感知的韌性和執(zhí)行效果。AI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+思考+執(zhí)行”的新應(yīng)用模式，為業(yè)務(wù)布局帶來(lái)新機(jī)遇。能量融合知和能量管理。能量采集與感知方面[81]和替代電池或其他電（硅基光伏板和二硫化鉬的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)RFID。隨著無(wú)線發(fā)射器數(shù)量的與日倍增，利用射頻信號(hào)為傳感器供能正成為趨勢(shì)。化潛力，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，以提高能量的利用效率。能量融合技術(shù)具有極大的應(yīng)用價(jià)值，能夠消除傳統(tǒng)有源供電（電池/布線長(zhǎng)久續(xù)航。五個(gè)支持感縮略語(yǔ)英文全名中文解釋3D3-Dimensional三維6GThesixthgenerationmobilecommunicationsystems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(wèn)內(nèi)存DTDecisionTree決策樹(shù)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ISPImageSignalProcessor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OPTsOrganic