Когда люди думают о радаре, они обычно представляют себе систему, отслеживающую самолёты, транспортные средства или погодные условия. Однако достижения в области миллиметровых радиолокационных технологий (мм-волн) значительно расширяют эту концепцию. Недавние исследования показали, что радар, работающий в миллиметровом диапазоне частот, может обнаруживать микровибрации, даже те, которые возникают при человеческой речи ( IEEE Spectrum, 2020 ).
В Linpowave мы наблюдаем растущий интерес к использованию радаров не только для определения расстояния или движения, но и для обнаружения очень тонких механических движений. Эта возможность открывает новые возможности в области интеллектуальных датчиков , мониторинга состояния здоровья и даже бесконтактных голосовых интерфейсов. Однако она также поднимает важные вопросы о надежности сигнала, конфиденциальности и регулировании ( Nature, 2018 ).
Понимание радара миллиметрового диапазона
Радар миллиметрового диапазона обычно работает в диапазоне частот от 30 до 300 ГГц. По сравнению с традиционными микроволновыми или ультразвуковыми датчиками, он обеспечивает более короткие длины волн и более высокое пространственное разрешение. Эти характеристики позволяют обнаруживать даже самые незначительные изменения смещения на поверхности цели ( Технический документ NI по радарам миллиметрового диапазона ).
Когда объект вибрирует, например, из-за звуковых волн речи, эти мельчайшие движения поверхности могут вызывать небольшие изменения фазы отражённого радиолокационного сигнала. Анализируя эти фазовые модуляции, радарная система миллиметрового диапазона может оценить характер вибрации. В контролируемых условиях эти характерные особенности могут соответствовать звуковым частотам, что позволяет системе восстанавливать звуковую информацию без использования традиционного микрофона.
Этот принцип аналогичен принципу действия известных оптических или лазерных датчиков вибрации, но радар имеет уникальное преимущество: он работает в темноте, через определенные материалы и в некоторых случаях без прямого контакта в зоне прямой видимости ( Science Advances, 2019 ).
Как вибрации становятся голосовыми сигналами
Для обнаружения вибраций, связанных с человеческой речью, радар должен регистрировать амплитуды смещений, составляющие всего несколько микрометров или меньше. Это требует высокого отношения сигнал/шум (SNR) и стабильной среды обнаружения. Исследователи часто используют архитектуру радаров с частотно-модулированным непрерывным излучением (ЧМ-РЛС), поскольку они предоставляют информацию как о дальности, так и о фазе с высоким разрешением ( Обзор ФМ-РЛС Texas Instruments ).
Однако этот процесс далеко не прост. Отражённый от вибрирующей поверхности сигнал обычно смешивается с многочисленными эхами и помехами окружающей среды. Даже небольшое движение тела, турбулентность воздуха или отражение от стены могут замаскировать вибрационный сигнал. Поэтому для извлечения данных на уровне голоса требуются сложные алгоритмы обработки сигналов, часто включающие развёртывание фазы, фильтрацию и реконструкцию на основе машинного обучения ( MIT Technology Review on Signal Processing ).
Хотя лабораторные демонстрации показали многообещающие результаты, реальное развертывание по-прежнему сталкивается с техническими проблемами, такими как:
Поддержание стабильного отражения на различных расстояниях и под разными углами;
Уменьшение многолучевых помех в закрытых помещениях;
Достижение постоянной точности фазы при изменениях температуры или движения.
Потенциальные области применения за пределами аудио
Способность обнаруживать микровибрации может выходить далеко за рамки реконструкции голоса. В промышленных условиях датчики миллиметрового диапазона могут контролировать вибрации оборудования для выявления механических неисправностей без физического контакта ( IEEE Transactions on Industrial Electronics ). В здравоохранении аналогичные принципы могут быть применены для дистанционного мониторинга дыхания или сердечного ритма.
Для умных домов исследователи изучают голосовые интерфейсы на основе радаров, распознающие жесты или вибрации, вызванные речью, предлагая альтернативу в случаях, когда микрофоны не подходят из-за ограничений приватности или акустики ( Linpowave Smart Home Radar Blog ). Другой потенциальный вариант использования — неинтрузивное наблюдение — обнаружение присутствия или движения за тонкими стенами или стеклянными перегородками, — хотя такие приложения должны соответствовать региональным нормам конфиденциальности.
Например, радарные решения Linpowave предназначены для мониторинга окружающей среды , обнаружения присутствия человека и анализа движения. Хотя наши текущие линейки продуктов не предназначены для реконструкции звука, те же аппаратные принципы поддерживают различные высокоточные измерения вибрации.
Конфиденциальность и нормативные требования
Всякий раз, когда сенсорная технология получает возможность интерпретировать информацию, связанную с поведением или речью человека, возникают этические и юридические вопросы. Обнаружение вибрации на основе радара, если оно применяется для реконструкции голоса, потенциально может записывать или делать выводы о частной переписке без прямого согласия ( Electronic Frontier Foundation on Radar Privacy ).
Нормативно-правовая база различается в зависимости от региона, но большинство из них делают акцент на прозрачности, минимизации данных и информированном согласии пользователя. Разработчикам и системным интеграторам, использующим миллиметровые радары для усовершенствованного зондирования, рекомендуется:
Уточнить цель и объем сбора данных;
Избегайте обработки идентифицируемой личной информации, если в этом нет необходимости;
Внедрить шифрование и безопасную обработку данных;
Перед внедрением проведите оценку воздействия на конфиденциальность.
В Linpowave мы уделяем особое внимание соблюдению требований и ответственным инновациям. Наша документация по продукции содержит рекомендации по безопасной интеграции и соответствующим нормам электромагнитной безопасности ( Руководство по соблюдению требований Linpowave ).
Технические и практические проблемы
Даже при правильном проектировании радиолокационные системы миллиметрового диапазона для обнаружения микровибраций сталкиваются с ограничениями.
Пределы разрешения: обнаружение субмикронных колебаний требует чрезвычайно стабильного оборудования и точной калибровки.
Факторы окружающей среды: пыль, влажность или неоднородные поверхности могут искажать отражения.
Ограничения по мощности и стоимости: высокочастотные радиолокационные модули потребляют больше энергии и требуют современных антенн.
Эти проблемы не умаляют ценности исследования, а, напротив, подчёркивают необходимость постоянного прогресса для преобразования результатов лабораторных исследований в практические решения. Ожидается, что постоянное совершенствование чипсетов радаров, алгоритмов обработки сигналов и методов объединения данных датчиков со временем приведёт к повышению производительности ( Nature Electronics, 2021 ).
На пути к будущему бесконтактных датчиков
По мере развития технологии миллиметровых радаров их возможности по интерпретации тонких физических явлений продолжают расширяться. Обнаружение вибраций, вызванных голосом, — один из примеров того, насколько точным и гибким может быть радиолокационное зондирование. Будь то промышленная диагностика, мониторинг состояния здоровья или интеллектуальные системы, миллиметровые радары предлагают инженерам инструмент для наблюдения за движением и вибрацией совершенно новыми способами.
Тем не менее, как и в случае со всеми новыми технологиями, ответственное использование остаётся важным. Баланс между инновациями, конфиденциальностью, точностью и прозрачностью определит, как радиолокационные датчики интегрируются в повседневную жизнь.
В Linpowave мы продолжаем изучать потенциал радаров в рамках четко определенных этических границ, уделяя особое внимание приложениям, которые повышают безопасность, автоматизацию и ситуационную осведомленность, не ставя под угрозу конфиденциальность персональных данных.
Часто задаваемые вопросы
В1: Может ли радарный датчик действительно «слышать» звук?
Не в общепринятом смысле. Радар не регистрирует акустические волны напрямую. Вместо этого он измеряет мельчайшие вибрации, вызываемые этими волнами, и восстанавливает соответствующие закономерности посредством обработки сигналов ( Science Daily о радиолокационном распознавании речи ).
В2: Может ли он обнаруживать вибрации сквозь стены или стекло?
В зависимости от толщины материала и частоты радара, некоторые поверхности могут отражать или пропускать радиолокационные волны. Тонкое стекло или лёгкие перегородки могут обеспечить частичное обнаружение, но результаты зависят от расстояния и уровня шума.
В3: Каков эффективный диапазон?
Лабораторные исследования обычно демонстрируют точность обнаружения вибрации с точностью до нескольких метров. Реальные характеристики зависят от конструкции антенны, отражательной способности цели и условий окружающей среды.
В4: Возникают ли при использовании этой технологии проблемы конфиденциальности?
Да. Любая система, способная получать данные о речи или поведении, требует строгих мер защиты конфиденциальности и соблюдения законодательства.
В5: Какое отношение имеет Linpowave к этой области?
Компания Linpowave специализируется на миллиметровых радарах для промышленных, мобильных и интеллектуальных систем обнаружения. Те же принципы точности и стабильности сигнала, которые обсуждались здесь, лежат в основе наших продуктов, хотя в настоящее время мы по-прежнему сосредоточены на обнаружении движения и присутствия, а не на реконструкции звука.