前言：我國光子毫米波雷達技術(shù)取得重大突破

近日，南開大學(xué)與香港城市大學(xué)攜手，成功研制出薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達芯片，這一成果在毫米波雷達領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破，為我國乃至全球在相關(guān)前沿科技的發(fā)展注入了強大動力。該成果于 1 月 27 日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然?光子學(xué)》雜志上，標(biāo)志著我國在光子毫米波雷達技術(shù)方面達到了國際領(lǐng)先水平。

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，毫米波雷達作為一種重要的感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能交通、航空航天、安防監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電子雷達在低頻段窄帶寬上存在著技術(shù)瓶頸，限制了其在高精度探測和復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用中的性能。而光子毫米波雷達技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了新的途徑。

此次研制的薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達芯片，基于兼容 CMOS 工藝的 4 英寸薄膜鈮酸鋰平臺設(shè)計 ，具有諸多卓越特性。從技術(shù)原理層面來看，它將光子技術(shù)與毫米波雷達技術(shù)巧妙融合，充分利用了光子技術(shù)高速、低損耗的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)電子器件在信號傳輸和處理過程中帶寬和速度的限制。通過將毫米波信號加載到光信號上進行傳輸和處理，大大提高了信號處理的速度和精度，同時降低了信號傳輸過程中的損耗。

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技術(shù)原理與創(chuàng)新亮點

（一）技術(shù)原理剖析

光子毫米波雷達技術(shù)，作為微波光子學(xué)與毫米波雷達技術(shù)的融合創(chuàng)新，其原理蘊含著前沿科技的精妙之處。在傳統(tǒng)的毫米波雷達中，信號的產(chǎn)生和處理主要依賴電子器件，然而電子器件在面對高頻信號時，存在帶寬受限、損耗較大以及速度瓶頸等問題。光子毫米波雷達則另辟蹊徑，利用光子技術(shù)來生成和處理毫米波信號。

具體而言，它首先將電信號轉(zhuǎn)換為光信號 ，利用光的高速傳輸特性和極低的傳輸損耗，將毫米波信號加載到光載波上進行傳輸。在接收端，再通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換回電信號，從而實現(xiàn)對毫米波信號的高效處理。這種方式不僅突破了電子器件的帶寬限制，能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻率的毫米波信號處理，而且在信號傳輸過程中，光信號幾乎不受電磁干擾，大大提高了信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，進而實現(xiàn)高分辨率、高精度的目標(biāo)探測，為復(fù)雜環(huán)境下的精準(zhǔn)感知提供了有力保障。

（二）薄膜鈮酸鋰材料的優(yōu)勢

在此次光子毫米波雷達芯片的研制中，薄膜鈮酸鋰材料發(fā)揮了關(guān)鍵作用。薄膜鈮酸鋰具有獨特的電光性質(zhì)，其電光系數(shù)高，這意味著它能夠在電場作用下快速、有效地改變光的相位、幅度等特性，實現(xiàn)高性能的電光調(diào)制。

與其他材料相比，薄膜鈮酸鋰在實現(xiàn)電光調(diào)制方面具有諸多優(yōu)勢。例如，它的帶寬極寬，能夠滿足高速信號處理的需求，在高頻段依然能夠保持良好的調(diào)制性能；同時，其功耗較低，這對于需要長時間穩(wěn)定運行的雷達系統(tǒng)來說至關(guān)重要，能夠有效降低系統(tǒng)的能耗和散熱壓力。此外，薄膜鈮酸鋰材料還具備良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境和條件，這些特性使其成為實現(xiàn)高性能毫米波雷達的理想選擇，為光子毫米波雷達技術(shù)的突破奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

（三）芯片集成創(chuàng)新

研究團隊在芯片設(shè)計與制備方面展現(xiàn)出卓越的創(chuàng)新能力。他們通過優(yōu)化制備技術(shù)，成功在單一芯片上集成了倍頻模塊和回波去斜模塊。倍頻模塊能夠?qū)⑤^低頻率的信號轉(zhuǎn)換為更高頻率的毫米波信號，滿足雷達對高頻信號的需求；回波去斜模塊則負(fù)責(zé)對接收的回波信號進行處理，通過去除信號中的斜距信息，提取出目標(biāo)物體的距離、速度等關(guān)鍵信息。

這種高度集成的設(shè)計，使得毫米波雷達信號的產(chǎn)生、處理和接收能夠在同一芯片上高效完成。一方面，大大減少了芯片之間的信號傳輸損耗和延遲，提高了信號處理的速度和精度；另一方面，也減小了整個雷達系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度，降低了成本，為光子毫米波雷達的小型化、集成化發(fā)展提供了可能，進一步提升了雷達在實際應(yīng)用中的性能和競爭力 。

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性能驗證與實驗成果

（一）實驗測試內(nèi)容

為了全面、科學(xué)地驗證這款集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達的卓越性能，研究團隊精心設(shè)計并開展了一系列嚴(yán)謹(jǐn)且具有針對性的實驗。

在測距測試中，研究團隊在不同的環(huán)境條件下，對不同距離的多個目標(biāo)進行了精確測量。通過發(fā)射毫米波信號并接收目標(biāo)反射的回波，利用雷達芯片的測距算法，計算出目標(biāo)與雷達之間的距離。他們設(shè)置了從近距離到遠距離的多個測試點，涵蓋了日常應(yīng)用場景中可能出現(xiàn)的各種距離范圍，以確保測距性能在不同距離段都能得到充分驗證。

測速測試同樣全面而細(xì)致。研究團隊利用運動目標(biāo)模擬裝置，模擬了不同速度、不同運動軌跡的物體運動情況。這些運動目標(biāo)包括了直線勻速運動、加速運動、減速運動以及曲線運動等多種形式，以模擬現(xiàn)實生活中車輛、行人等物體的復(fù)雜運動狀態(tài)。通過分析雷達接收到的回波信號的多普勒頻移，精確計算出目標(biāo)物體的運動速度。

逆合成孔徑成像測試則是對雷達成像能力的關(guān)鍵檢驗。研究團隊選取了具有不同形狀和結(jié)構(gòu)特征的目標(biāo)物體，如金屬角鐵、飛機模型等，將這些目標(biāo)放置在轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)改變目標(biāo)的姿態(tài)，利用雷達對目標(biāo)進行多角度掃描，獲取目標(biāo)在不同角度下的回波信號，進而通過復(fù)雜的算法處理，重建出目標(biāo)物體的二維圖像，以此來評估雷達的成像分辨率和對目標(biāo)細(xì)節(jié)的捕捉能力。

（二）高精度實驗結(jié)果

經(jīng)過一系列嚴(yán)格的實驗測試，該集成薄膜鈮酸鋰光子毫米波雷達展現(xiàn)出了令人矚目的性能指標(biāo)。在測距方面，其距離分辨率高達 1.5 厘米，這意味著它能夠精確區(qū)分出僅相距 1.5 厘米的兩個目標(biāo)，無論是在近距離還是遠距離探測中，都能為使用者提供極其精準(zhǔn)的距離信息。

在測速性能上，速度探測分辨率達到了 0.067 米 / 秒，如此高的分辨率使得雷達能夠敏銳捕捉到目標(biāo)物體極其微小的速度變化，哪怕是目標(biāo)速度的細(xì)微波動都能被準(zhǔn)確測量出來，為動態(tài)目標(biāo)的監(jiān)測和分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

逆合成孔徑雷達二維成像分辨率更是達到了 1.5 厘米 ×1.06 厘米 ，這一數(shù)據(jù)表明，雷達所生成的目標(biāo)圖像具有極高的清晰度和細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。在對飛機模型等復(fù)雜目標(biāo)進行成像時，不僅能夠清晰地呈現(xiàn)出目標(biāo)的整體輪廓，還能夠分辨出目標(biāo)表面的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)和特征，如飛機的機翼、機身的連接處等，為目標(biāo)識別和分析提供了豐富的圖像信息。

與傳統(tǒng)毫米波雷達系統(tǒng)和其他片上雷達芯片相比，這款集成光子毫米波雷達在分辨率、靈活性和適用性方面實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。它能夠精準(zhǔn)捕捉目標(biāo)的位置、速度以及形狀與姿態(tài)等細(xì)微特征，在復(fù)雜環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定工作，為高精度目標(biāo)探測提供了強有力的技術(shù)支撐，展現(xiàn)出了卓越的性能優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

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多領(lǐng)域應(yīng)用前景展望

（一）6G 通信領(lǐng)域

在 6G 通信的宏偉藍圖中，光子毫米波雷達技術(shù)扮演著舉足輕重的角色。6G 通信追求的是極致的高速數(shù)據(jù)傳輸、近乎為零的低延遲以及更為廣泛的覆蓋范圍，以滿足智能物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、遠程醫(yī)療等眾多前沿應(yīng)用場景的嚴(yán)苛需求。

光子毫米波雷達技術(shù)憑借其卓越的特性，為毫米波頻段信號的高效傳輸和處理提供了堅實的支持。在數(shù)據(jù)傳輸方面，它能夠利用光子的高速特性，實現(xiàn)毫米波信號在光載波上的高速傳輸，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩沟煤Ａ繑?shù)據(jù)能夠在瞬間完成傳輸，滿足 6G 通信對高速率的要求。例如，在虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用中，用戶需要實時接收大量的高清圖像和視頻數(shù)據(jù)，光子毫米波雷達技術(shù)能夠確保這些數(shù)據(jù)快速、穩(wěn)定地傳輸，為用戶帶來沉浸式的體驗，避免因數(shù)據(jù)傳輸延遲而導(dǎo)致的畫面卡頓和眩暈感。

在信號處理上，光子技術(shù)的低損耗和高帶寬優(yōu)勢，使得毫米波信號在處理過程中能夠保持高度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，有效降低信號干擾和噪聲，為 6G 通信的低延遲和高可靠性提供了保障。這對于遠程醫(yī)療領(lǐng)域意義重大，在遠程手術(shù)等應(yīng)用中，醫(yī)生需要根據(jù)患者的實時生理數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)操作，光子毫米波雷達技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸和處理，確保醫(yī)生接收到的患者信息及時、可靠，從而保障手術(shù)的順利進行，挽救患者的生命。

（二）智能駕駛領(lǐng)域

智能駕駛作為未來交通發(fā)展的重要方向，對環(huán)境感知技術(shù)提出了極高的要求。光子毫米波雷達技術(shù)在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，有望成為推動智能駕駛技術(shù)邁向新高度的關(guān)鍵力量。

在自動駕駛汽車行駛過程中，需要對周圍環(huán)境進行全方位、實時的感知，以確保行駛的安全性和可靠性。光子毫米波雷達憑借其厘米級的距離分辨率和極速的速度探測能力，能夠顯著提高自動駕駛汽車對周圍環(huán)境的感知精度。它不僅能夠精確檢測到前方車輛、行人、障礙物等目標(biāo)的位置和速度，還能夠捕捉到一些細(xì)微的變化，如車輛的微小移動、行人的姿態(tài)變化等，為自動駕駛系統(tǒng)提供更加豐富、準(zhǔn)確的信息。

例如，在復(fù)雜的城市道路環(huán)境中，傳統(tǒng)雷達可能難以檢測到一些小型障礙物或快速移動的物體，而光子毫米波雷達能夠輕松應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。它可以及時發(fā)現(xiàn)路上的小石塊、突然竄出的小動物等，為自動駕駛汽車提供足夠的預(yù)警時間，使其能夠及時做出制動、避讓等操作，有效避免碰撞事故的發(fā)生，大大提升了自動駕駛的安全性和可靠性。隨著光子毫米波雷達技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，將加速自動駕駛技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H道路，推動智能交通行業(yè)的快速發(fā)展。

（三）精準(zhǔn)感知領(lǐng)域

在精準(zhǔn)感知領(lǐng)域，光子毫米波雷達技術(shù)同樣展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，為工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。

在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品質(zhì)量檢測至關(guān)重要。光子毫米波雷達能夠利用其高精度的探測能力，對生產(chǎn)線上的產(chǎn)品進行快速、準(zhǔn)確的檢測。它可以檢測出產(chǎn)品表面的微小缺陷、尺寸偏差等問題，為生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制提供精確的數(shù)據(jù)支持。例如，在電子產(chǎn)品制造中，能夠檢測出芯片表面的細(xì)微劃痕、焊點的虛焊等問題，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。

在環(huán)境監(jiān)測方面，對于氣體檢測的精度要求越來越高。光子毫米波雷達可以通過對特定氣體分子的特征吸收光譜進行分析，實現(xiàn)對大氣中有害氣體的高精度檢測，如二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機物等。這有助于及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染問題，為環(huán)境保護和治理提供科學(xué)依據(jù)，助力打造綠色、健康的生態(tài)環(huán)境。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞檢測是研究生命科學(xué)和疾病診斷的重要手段。光子毫米波雷達技術(shù)能夠?qū)?xì)胞的大小、形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進行精確測量和分析，幫助科研人員深入了解細(xì)胞的生理狀態(tài)和病理變化，為疾病的早期診斷和治療提供有力支持。例如，在癌癥早期篩查中，通過對細(xì)胞的精準(zhǔn)檢測，能夠發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的早期病變特征，提高癌癥的早期診斷率，為患者爭取更多的治療時間和更好的治療效果 。

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技術(shù)突破的深遠意義

我國在光子毫米波雷達技術(shù)上取得的這一突破性進展，其意義不僅僅局限于科研領(lǐng)域，更在多個層面產(chǎn)生了深遠的影響。

從科研角度而言，它是我國在毫米波雷達和光電子領(lǐng)域的重大飛躍，彰顯了我國科研團隊在前沿技術(shù)研究上的卓越能力和創(chuàng)新精神。這一成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊上，贏得了國際學(xué)術(shù)界的高度贊譽，為我國在相關(guān)領(lǐng)域贏得了聲譽和話語權(quán)，也激勵著更多科研人員投身于科技創(chuàng)新的浪潮中。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，光子毫米波雷達技術(shù)的突破為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展提供了強大的技術(shù)支撐。在 6G 通信領(lǐng)域，它將助力我國在下一代通信技術(shù)的競爭中搶占先機，推動通信產(chǎn)業(yè)向更高水平邁進；在智能駕駛領(lǐng)域，有望打破國外技術(shù)壟斷，培育本土的智能駕駛產(chǎn)業(yè)鏈，提升我國汽車產(chǎn)業(yè)在全球的競爭力；在精準(zhǔn)感知領(lǐng)域，能夠帶動工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等多個行業(yè)的技術(shù)革新，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。

從社會層面來看，隨著光子毫米波雷達技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將為人們的生活帶來更多便利和安全。例如，在智能駕駛中提高行車安全性，減少交通事故的發(fā)生；在智能家居中提升生活的舒適度和便利性；在環(huán)境監(jiān)測中為環(huán)境保護提供更有力的數(shù)據(jù)支持，助力打造綠色、宜居的生活環(huán)境。

可以預(yù)見，我國光子毫米波雷達技術(shù)的這一突破，將成為推動未來科技發(fā)展和社會進步的重要力量，引領(lǐng)我們邁向更加智能、高效、安全的未來。