先进感知技术白皮书

*«Ÿ"*„_„Ø' ChinaMobile CMRI··中国移动 先进感知技术白皮书（1.0版）目 录概述 1先感知术方向 1传前沿术 2传融合术 3传感前沿技术 4新理 4量子传感 4脑电传感 6新料 7柔性传感 8触觉传感 9新艺 11片上光学传感 11微流控生物传感 13新构 14仿生视觉传感 15堆栈式图像传感 16新法 18光纤传感 18超敏气味传感 20传感融合技术 22通融合 22计融合 24智融合 25能融合 27总结与展望 28缩略语列表 29参考文献 30参编单位及人员 38感知是通过各类感知设备获得目标信息的过程[1]，包括对感知数据的采集、宙相互促进，势必迎来爆发式技术突破及市场增长。先进感知技术方向（传感前沿技术传感融合技术使原图1.先进感知技术方向传感前沿技术新机理方面，量子传感和脑电传感等是其中的典型代表，在航空航天、安疗、娱乐、军事和教育等行业发挥重要作用。新材料方面，新型柔性材料等作为传感器敏感材料，未来将助力更多业务物理学和柔性电子学的前沿进展，在传感精度和机械性能方面有较大提升。新工艺方面，MEMS样的等待时间和痛苦程度，受到业界的广泛关注。3D堆栈结构分别为视觉传感和图像传感的技术研用原理，实现在不同光照情况下的高效信息采集，是未来视觉传感的重要方向。堆栈式图像传感通过结构的优化提高光线的接收和处理效率，从而降低噪声、提高图像质量并扩大动态范围。光纤传感利用光纤通信技术中的传感融合技术6G[2]。通信融合方面，面向广域和局域，以及微域和短距的无线通信技术能够支持传感器实现感知和传输能力的有效提升，更好的满足差异化的场景需求。广计算融合方面，数据压缩、感内计算和异构计算等新型计算技术的研究和AI智能融合方面，智能微系统、分布式计算和群智感知等通过传感与智能化能量融合方面，能量采集与感知和能量管理等技术能够改善传统有源供电（电池/布线）的问题，实现传感器无源化。包括采能高效管理、储能优化控制以及用能按需调整等。新机理量子传感技术应用范围广泛，可用于军事、交通及航空航天等重要领域。未来，量子传感量子传感是一种利用量子力学来探测并提取信息的技术手段，其利用量子物体、量子相干效应（例如电磁场或引力场Ramsey[3]，Rabi[4]，Bose-Einstein[5]测量最为重要且基础，它使用两个间隔时间的脉冲来操控和测量量子系统，主要用于原子钟、核磁共振、惯性导航和天体辐射频谱等高精度测量。以原（如处于基态的铷或铯等（多为微波脉冲[7]（了量子陀螺仪的研发工作推动量子传感器持续快速发展。图2.量子陀螺仪用于汽车的偏航速率传感器[10]子密钥分发（QKD）可为通信双方创建高安全信息通道。量子传感也将与量子通转型。脑电传感于头部，获取大脑活动产生的微弱电信号。通过计算机对脑电传感的信号进行解码，分析神经元传递的信息，可以了解人的认知、情绪和运动等脑内活动，并进一步实现大脑与外部设备的信息交换。[11]便携化、可穿戴化及简单易用化方向发展。具有生物兼容性的材料制成。柔性电极具有密度高、信号稳定和损伤小的优势，是现阶段脑信号传感电极的主攻方向AI[13]从而提高解码的泛化能力和适应性[14]。[16][17]戏控制等方面，实现更加良好的应用体验，为人类带来便利与福祉。新材料域应用，为万物智联奠定重要基础。柔性传感柔性传感器是基于柔性材料制成的传感器，具备了可弯曲和可变形的特点[21]，能够更紧密的贴附[22]，且生物相容性更好[23]，能够在保证灵敏度和分辨率等性能的前提下，实现与刚性传感相同的功能。[24][25][26]抛光的方法，在实验室初步实现了纳米级转印。器设备能够实现柔性化。孪生和元宇宙的重要基础。触觉传感触觉传感可用于检测接触、压觉和滑觉等物理特征量，通过模拟人体皮肤提取接触物的刚度、形状和大小信息，并转换成相应的电信号[27]（3）。图3.触觉传感器示例[28]要感知法向力和剪切力[29]电式[30]敏材料受力产生形变时根据其不同位置积累的电荷判断力度和力向[31]。[33]布多个原型产品，但距离实际应用仍然较远。或灵长类手指结构[35]人机交互等领域具有更加广阔的应用前景。新工艺MEMSMEMS片上光学传感然而，传统的光学传感技术往往依赖于复杂的耦合光路和外部精密的检测设备，用的需求。片上光学传感是将透镜、光源、波导结构和耦合阵列等光学器件集成在一颗芯片上，实现传感器的小型化、低功耗和低成本，并利用纳米光学技术实现对象的高精度检测，是光学传感未来发展的重要方向。CF4/Ar4定差距。未来，片上光学传感技术有望实现性能的进一步突破，达到与传统光学传感器相似的准确率、识别速度和光源质量，提高集成光学器件的大数据处理能力，进一步实现光学传感在更多领域中的应用推广，成为元宇宙和虚拟现实技术落地的重要基础。微流控生物传感MEMS（LabonaChip），可利用微细加工技术在玻璃或塑料基板上制作溶液流动的微小通道网络并集成在芯片中，从而将若干个实验室检测项目集中和缩小到一个几平方厘米大小的芯片上完成[39]（如图4）。图4.微流控技术原理示意图[40][41]aL~fL（10~103nm）加大了样品混合和分析的难度[45]以及水凝胶[47]和纸基[48]等新型材料逐渐成为业界研究的热点。生化特异性方面，探针分子对待测分子的结合力和筛选性决定了微流控生物传感的反应速率和分面装饰，或人工合成探针分子以进一步提升灵敏度和准确性。[50]和眼科疾病[51]光学器件、生化分析仪和环境监测等领域具有广阔的应用前景。新结构CMOS促进传感能力的提升，推动传感器技术和产业的全面发展。仿生视觉传感是通过模仿生物视网膜原理和结构来提升视觉传感器性能的新型传感技术。为了适应自然界中多样化的复杂环境，各类生物进化出了赖以生存的视觉感官系统，研究人员通过对生物体视觉系统的结构与工作原理的研究，仿照其实现方式形成仿生视觉传感。280dBCMOS70dB40dB199dB[52]。绿光和短（蓝光150OPTs31nWcm-24690%，同时具备较高灵敏度的图像感知和记忆能力[53]。和协同视觉功能[54]（如图5）。图5.人类视锥细胞对光线的感知适应示意图统的环境感知能力，助力未来发展和生产效率的提高。堆栈式图像传感CMOS到诸多限制。针对上述问题，CMOS6）。图6.传统背照式图像传感和堆栈式图像传感对比示意图[55]CMOS(TSV)技术实现感光像素与逻辑电路的连接[56]Cu-CuTSVDRAMCMOS[57]，将原本同处于像素层的光电二（2图7.传统像素结构和双层晶体管像素结构对比图[58]AI(ISP)AI3DHDR新算法感器厂商逐渐从单纯围绕硬件竞争，进入到围绕“算法+硬件”竞争的阶段。新据的层次表达，能够在数据量较少的情况下学习代表信息特征的能力,获得更高传感器向更精准的感知结果和更强大的感知能力演进。光纤传感又称为分布式光纤传感技术（DFOS），是由光纤通信演变而来，原用于检测光在光纤中传播时，其振幅、相位、波长、偏振和传输时间等参数会受环境影响，因此光纤可作为敏感元件来探测温度、振动、应力和声音等物理量[60]。图8.分布式光纤传感技术[61]光纤传感主要基于入射光波和光纤介质相互作用产生散射谱的原理进行环（如微（OTDR）（OFDR）（OFDA光程差和频率等参数进行检测分析。因此，与重视敏感单元的传统传感器不同，其研究方向主要是在上述测试方法的基础上通过光噪声抑制[63]、光脉冲编码[64]、时频域特征提取[65]、修正解调方程[66]或引入深度学习[67]等方式提高信号信噪比、优化空间分辨率、补偿光纤衰减、提高感知精度以及降低散射串扰等。商用规模仍然较小，需待技术和产业的进一步发展和推动。超敏气味传感（等题，一种由交叉敏感传感器阵列和模式识别算法组成的超敏气味传感系统被提出，该传感系统也称为电子鼻，实现了对多种气味的准确识别。图9.超敏气味传感系统示意图（如爆炸物检测PCALDASVMDT的特征,提供可靠的识别精度。为实现高效的气味检测，一种基于图神经网络(GNN)的气味分析方法被提出传感系统带来机遇。通信方式生产和社会领域的新场景和新业务持续赋能。图10.传感融合技术示意图通信融合以及微域和短距的无线通信技术。RFIDRFIDRFID图11.基于通感一体的气候环境监测应用[72]图12.无源物联网技术演进路径微域和短距网络粉末、陶瓷和液体等，可应用于国防、安全、天文和医疗等诸多领域。相比X射线，太赫兹不会在人体产生有害的光致电离，因而能实现更安全的人体检测，可为重大疾病诊断和生物干预提供先进的感知手段。融合的重要趋势。计算融合数据压缩技术可用于对部署密度大和覆盖区域重叠的海量传感器产生的冗余数据进行压缩处理[73]有助于提高数据压缩的准确性和保真度[74]。感内计算（in-sensorcomputing）是一种新型的传感器计算范式，通过在[75]（13）。目前感内计算多用于图13.感内计算结构[76]异构计算CPUGPUFPGAASICGPUFPGA[77]和效率。网络的实时监测和大规模部署提供高效可靠的解决方案，真正实现泛在感知。智能融合工作效率。智能融合技术重点涉及智能微系统、分布式计算和群智感知。智能微系统MEMS、光电子、算法与软件等要素的技术[78]（14）。智能微系统具备微型AI算法把多种传感数据促进了传感器向自主化和无人化发展。图14.一种典型智能微系统的架构示意图分布式计算可用于传感器网络节点之间的数据处理和决策任务[79]有效地管理节点资源并实现负载均衡至关重要[80]群智感知（CrowdSensing）感知节点构建的效率，提升感知的韧性和执行效果。AI更高效的数据处理、更强大的系统可靠性和更低的功耗，并进一步拓展“感知+思考+执行”的新应用模式，为业务布局带来新机遇。能量融合知和能量管理。能量采集与感知方面[81]和替代电池或其他电（硅基光伏板和二硫化钼的光电效应将光能直接转RFID。随着无线发射器数量的与日倍增，利用射频信号为传感器供能正成为趋势。化潜力，采取相应的优化措施，以提高能量的利用效率。能量融合技术具有极大的应用价值，能够消除传统有源供电（电池/布线长久续航。五个支持感缩略语英文全名中文解释3D3-Dimensional三维6GThesixthgenerationmobilecommunicationsystems第六代移动通信系统AIArtificialIntelligence人工智能AMPAmplifierTransistor放大晶体管ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit专用集成电路CMOSComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化物半导体CNNConvolutionalNeuralNetwork卷积神经网络CPUCentralProcessingUnit中央处理器DFOSDistributedFiberOpticSensing分布式光纤传感DRAMDynamicRandomAccessMemory动态随机访问内存DTDecisionTree决策树FPGAFieldProgrammableGateArray现场可编程门阵列GNNGraphNeuralNetwork图神经网络GPUGraphicsProcessingUnit图形处理器HDRHigh-DynamicRange高动态范围ISPImageSignalProcessor图像处理器LDALinearDiscriminantAnalysis线性判别分析MEMSMicro-ElectroMechanicalSystem微型电子机械系统OFDAOpticalFrequencyDomainanalysis光频域分析OFDROpticalFrequencyDomainReflectometry光频域反射OPTsOrganicPhototransistors有机光电晶体管OTDAOpticalTimeDomainAnalysis光时域分析OTDROpticalTimeDomainReflectometry光时域反射PCAPrincipalComponentAnalysis主成分分析QKDQuantumKeyDistribution量子密钥分发RFIDRadioFrequencyIdentification射频识别SVMSupportVectorMachine支持向量机TSVThroughSiliconVia硅通孔技术[1]GB/T33745-2017物联网术语中国移动通信研究院，6G（2023）Ramsey,N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