先进感知技术白皮书

· 感知是通过各类感知设备获得目标信息的过程，为行业应用提供了支撑智能决策与控制的数据基础，是构建“万物智联”的核心要素。为不断满足各类应用对感知能力的需求，先进感知技术持续发展，技术方向涵盖传感前沿技术和传感融合技术两类。本白皮书立足于移动通信发展视角，基于物联网的应用需求和演进方向，选取传感前沿和传感融合的代表性技术，解读技术原理，梳理技术现状，分析技术挑战，探索技术趋势，希望能够为加快先进感知技术的研究突破和落地应用提供参考。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 中国移动先进感知技术白皮书（1.0版） 目录 1.概述1 1.1先进感知技术方向1 1.2传感前沿技术2 1.3传感融合技术3 2.传感前沿技术4 2.1新机理4 2.1.1量子传感4 2.1.2脑电传感6 2.2新材料7 2.2.1柔性传感8 2.2.2触觉传感9 2.3新工艺11 2.3.1片上光学传感11 2.3.2微流控生物传感13 2.4新结构14 2.4.1仿生视觉传感15 2.4.2堆栈式图像传感16 2.5新算法18 2.5.1光纤传感18 2.5.2超敏气味传感20 3.传感融合技术22 3.1通信融合22 3.2计算融合24 3.3智能融合25 3.4能量融合27 4.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、处理和感知结果的生成等。感知作为物联网的基石，为各类业务提供了支撑智能决策与控制的数据基础，是构建“万物智联”的核心要素。感知技术已经广泛应用于航天航空、工业制造、生物医学、智慧交通、智慧能源和环境检测等领域。 随着行业信息化程度的不断加深和场景的不断细分，各类应用对感知技术提出了新的需求。第一，行业新场景需要进一步拓展感知范围、提高感知精度和增加感知目标。第二，传统传感器参数固定，精度、效率随着使用时间下滑，未来需要能够对自身进行动态优化。第三，垂直行业的智能化发展需要感知与通信、处理和控制等更多功能深度融合。第四，传统传感器的电源线和数据传输线对应用产生较大制约，导致布线成本高、施工难度高，未来需要实现传感器的无源化和无线化，实现传感器“剪辫子”。为满足各类应用对感知能力的需求，先进感知技术不断发展，通过技术创新提高了感知数据精度和感知效率，扩大了感知范围和感知规模，并不断实现网络化和智能化，进一步开拓了感知技术面向各应用领域的发展空间。 近年来，随着数字孪生和元宇宙的不断发展，感知作为底层数据来源及技术支撑，其重要性日益凸显，在应用需求的不断驱动下，感知将与数字孪生和元宇宙相互促进，势必迎来爆发式技术突破及市场增长。 1.1先进感知技术方向 先进感知技术方向涵盖传感前沿技术和传感融合技术两方面（如图1）。传感前沿技术是涉及传感原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，融合了多学科、多技术和多领域的最新技术进展，涉及物理、化学、生物、能源、通信和数据处理等，是支撑传感器研发、制造和应用的核心。传感融合技术使原本独立的单一参数感知、通信、计算、智能和供能等基础能力紧密结合，有助于提升感知效率，扩大感知技术的应用范围。 图1.先进感知技术方向 1.2传感前沿技术 随着信息通信技术的快速发展，传感前沿技术不断涌现，通过对机理、材料、工艺、结构和算法等五个方面的技术创新，实现更大范围和更高精度的信息获取。 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、安全监测和可穿戴器件等领域具有巨大的应用价值。量子传感通过量子效应提高感知精度，具有非破坏性、实时性、高灵敏性、稳定性和多功能等优势。脑电传感获取大脑活动产生的电信号，通过信号分析实现大脑与外部的信息交换，将在医疗、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场景拓展。柔性传感利用柔性材料良好的柔韧性和延展性，制作可穿戴设备，在智能机器人和医疗养老等方面前景广阔。触觉传感以柔性材料为基础，结合器件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是以微电子技术为基础的前沿研究领域，是传感器工艺的重要发展趋势。片上光学传感利用微纳加工工艺实现传感器的小型化、低功耗和低成本，是光学传感的重要发展方向。微流控生物传感基于细微加工技术，可在微米级流道内完成实验室所需全部分析流程，用于医疗领域可大幅降低病人取样的等待时间和痛苦程度，受到业界的广泛关注。 新结构方面，仿生结构和3D堆栈结构分别为视觉传感和图像传感的技术研究和器件开发提供了新的思路。仿生视觉传感通过模拟人眼球视网膜的结构和作 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。 新算法方面，基于原有的基础设施，通过信号检测、分析和新算法的运用，可以获得新的传感信息或进一步提高传感精度。光纤传感利用光纤通信技术中的分析测试算法对光的各类参数进行计算，能够获得对结构完整性和设备状态等的感知结果。超敏气味传感基于创新的模式识别算法实现性能优化，为环境监测和辅助医学诊断等应用带来新的机遇。 1.3传感融合技术 为满足生活、生产和社会领域新场景和新业务的多元化需求，未来的感知系统还需要具备极致的通信能力、强大的计算能力、高度的智能化能力和无源的供能能力，通信融合、计算融合、智能融合和能量融合等方面的技术已成为新一代移动信息网络的发展态势，也是未来6G物联网技术融合发展的重要方向[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。广域和局域通信以蜂窝网络和无源物联网为代表，能够支持室外广域覆盖场景中的传感信息高效传输和通信感知一体化，降低通信功耗并实现对海量目标的感知。微域和短距通信的典型代表是太赫兹通信，太赫兹波既具有毫米波的波动性，又具有红外线光的粒子性，除用于通信外，还在基因检查等医学领域发挥重要的作用，实现通信与感知的深度融合。 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应用，可满足传感器对于高算力、低时延和低功耗的要求。数据压缩能够减少数据传输量，延长传感器网络生命周期，结合深度学习等AI技术可实现数据高效压缩处理。感内计算通过在传感器内部构建新型感知运算模块，从信息采集的源头实现智能化信息预处理，减少数据传输规模，简化后处理流程。异构计算利用端侧异构计算单元协同工作，实现联合计算，从而获得更好的性能和更低的功耗。 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的深度融合，能够有效提升端到端综合感知能力。智能微系统支持传感器在提高 功能密度的同时向能力集成化、通信无线化、供能无源化和应用智能化发展，未来将围绕自主灵巧执行和高效资源利用等方向不断演进。分布式计算使传感器能够具有良好的扩展性和容错性，未来在任务分配和调度算法方面将进一步优化。群智感知利用人群通用移动设备作为传感节点，具有节点开放化、可按需部署和按需调度等优势，能够满足城市级大范围细粒度的传感任务要求。 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。能量采集与感知一方面从环境中收集光能、风能、温差能、振动能或射频能等，将其转换为电能以确保传感器正常运行，研究重点是提升能量收集密度，提高能量转换效率。另一方面将供能源作为感知对象，真正实现数能融合。能量管理确保传感器长期稳定运行，研究重点包括采能高效管理、储能优化控制以及用能按需调整等。 2.1新机理 传感新机理是指基于物理、化学、生物的效应，采用新的检测机理，提高传感的灵敏度、准确度和响应速度等性能指标，以满足不断变化和发展的应用需求。新机理包括量子传感、脑电传感、声表面波传感、微波光子传感等方方面面。以量子传感为例，其利用量子力学探测并提取信息，突破传统传感技术的能力极限。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，新机理的不断发展将持续推动传感技术的升级，并带动传感新材料、新工艺、新结构和新算法的持续发展。 2.1.1量子传感 当前，电子、光学和声学等传感技术的广泛应用为生产和生活提供了极大的便利。然而，传统传感技术的探测精度、设备尺寸和响应速度等重要指标均受制于经典物理学的基本原理，难以满足新一代半导体研发和航空航天等高精尖产业 的需求，而基于量子力学原理的量子传感技术则逐渐崭露头角。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、量子相干效应或量子纠缠测量特定的物理性质，从而提供超越经典极限的传感灵敏度和精度。 量子传感器一般是一个具有离散能级的单粒子或多粒子系统，此类系统受到各类场（例如电磁场或引力场）的作用时会发生干涉，即量子传感器在探测到外部场干扰时，能够将粒子系统的初始态转化为另一个量子态。量子传感有多种重要的探测手段，例如Ramsey测量[3]，Rabi探测[4]，Bose-Einstein凝聚[5]等。其中，Ramsey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。以原子钟为例，对稳定的原子样本（如处于基态的铷或铯等）施加一个脉冲（多为微波脉冲），原子会进入自由演化态，再施加第二个脉冲令其回到初始态，通过分析演化过程的概率分布即可精确推算出原子的震荡频率，实现对时间的校准。 噪声是降低量子传感灵敏度和稳定性的主要原因，包括量子投影噪声、退相干与弛豫现象导致的噪声等。投影噪声的诱因是量子力学的不确定性原理，即在测量导致的量子态坍缩过程中，即使是相同的初始态和演化过程也可能导致不同的结果。退相干与弛豫噪声同样是量子力学的基本现象，退相干表示量子传感系统在外部干扰下量子干涉效应的减弱，而弛豫则是量子系统向热平衡演化的过程，二者都意味着量子系统逐渐退化为经典系统。针对噪声问题，当前研究方向包括三个：一是改进冷却技术，即通过降低温度来弱化退相干和弛豫的影响；二是研究量子校准技术，利用量子干涉来改进相位测量的灵敏度[6]；三是研发具有更好量子态和更低噪声水平的新型量子材料。 量子传感技术具有广阔的应用前景，量子陀螺仪[7]和加速计等传感器可用于提高导航系统的精确性，可在无人驾驶、航空航天和海洋导航等领域广泛应用（如图2）。同时，量子传感技术也可用于测量生物分子的结构和相互作用，赋能医药研发或疾病检测。目前，受限于抗环境干扰和去相干效应[8]，以及集成到微纳尺度器件中存在的稳定性、耦合和量子比特相互影响等工艺难点，量子传感器尚无商用产品问世，仍停留在方案设计或原型验证阶段。例如，相关企业已经开展了量子陀螺仪的研发工作[9]，通过测量原子自旋进动频率的变化来计算当前的角 速度，感知精度有较大提升。同时，众多国内企业和科研机构也已相继开展研发，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] 未来，量子传感的研究将围绕重要物理参数的测量展开，如量子重力测量和惯性测量等。此外，基于量子纠缠的新一代远程通信可实现近乎零时延通信，量子密钥分发（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信等技术进一步结合，促进人类向量子信息技术时代加速迈进，推动社会数智化转型。 2.1.2脑电传感 长期以来，为充分了解人类的思维和行为，科学家们致力于对大脑结构、功能和信号等进行研究。但由于大脑难以直接观察和测量，传统传感技术在直接获取大脑信号方面存在一定挑战。人脑的思维涉及到电生理活动和化学反应，可以采用高灵敏度和高分辨率的传感器进行捕捉和记录。脑电传感技术将传感器放置于头部，获取大脑活动产生的微弱电信号