2024先进感知新技术及新应用白皮书

图1图1 01先进感知发展概述先进感知发展概述伴随着数字经济蓬勃发展带来的产业数字化浪潮，物联网技术迎来快速发展期，2022年8月我国移动物联网连接数首次超过移动电话用户数，正式步入网络连接“物超人”时代，物联网市场向着千亿级连接规模迈进。“万物智联，感知为先”，感知技术是物联网系统最为重要的底层数据来源及核心技术支撑。近年来，随着千行百业感知需求的持续增长和感知场景的不断细分，感知技术在以下领域的技术瓶颈凸显，制约了产业进一步发展：一是垂直行业发展带来新应用场景，感知设备需要拓展感知范围、提高感知精度、增加可感范围；二是物联网终端空间有限，感知设备体积需要进一步压缩；三是智能化发展需要传感器集成通信、供能、校准、处理等更多功能，提供更多服务；四是当前有线连接的传感器由于施工难度高、布设拉线成本超高，应用受到制约。感知技术是多学科、多技术、多领域的融合体,产业链覆盖材料、电子、通信、计算机软硬件、机械、理论数学等领域。为满足各类应用对感知能力的需求，近年来先进感知技术不断发展，通过对机理、材料、工艺和算法等四个方面的技术创新持续拓展感知范围，提升感知精度，优化感知效率。0202 感知新机理是指基于物理、化学、生物的基本效应，采用新的感知机理，提高传感设备的感知范围、灵敏度、精确度和响应速度等核心性能指标，以满足不断变化和发展的行业应用需求，近年来重要创新包括无源感知技术、通感一体技术及量子传感。感知新材料是指不同于传统金属材料以外的，可用于响应环境变化并传递电信号的新型材料，是传感技术未来的重要发展方向之一，主要包括柔性传感材料和触觉传感材料。感知新工艺是制作传感器件实体的重要步骤，工艺的发展可以使技术创新不止停留在想法层面，而是完成工程化实现，目前业界主要关注智能微系统工艺及激光直写共形制造工艺。随着物联网技术的不断发展，应用场景不断拓展，用户对于传感能力的要求越来越高，但传感器硬件的开发周期较长，难以快速满足市场需求。因此，各传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。感知新算法可用于提高传感精度，或以原始数据为基础实现新的感知能力，主要包括脑电传感算法和光纤传感算法。在上述四类技术创新基础上，先进感知将持续强化自身能力，向着微型化、集成化、无线化、智能化趋势发展，以实现高精度、大量程、小体积、抗干扰、易部署等优质特性。先进感知新机理无源感知通感一体量子传感先进感知新技术及新应用先进感知新技术及新应用先进感知新机理在先进感知新机理方面，无源感知、量子传感和通感一体是其中典型代表技术，在低空经济、智慧城市、航空航天、智慧医疗和生物医学等领域具有极大应用价值。无源感知利用无源物联免电源、易部署技术优势，极大的地降低特定场景的感知成本，拓展感知广度；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；通感一体通过将通信、感知和算力深度融合，提供更加泛在的定位感知服务。无源感知（1）无源感知新技术无源感知是一种不依赖传统电源的传感技术，通过解析无线信号的反射和散射，基于相位信息与传输距离和信号载波波长的关系，推断出目标状态变化，以实现周围环境变化的细粒度感知[1]。无源感知技术按照部署方式分为绑定式感知和非绑定式感知，绑定式感知主要指无源标签绑定在感知目标上，根据标签的感知信息来推感知目标的位置变化、微状态变化等信息。非绑定式感知不对感知目标绑定任何标签等设备，利用感知目标对标签信号的反射影响，构建模型进行感知，减小了设备部署开销。近年来，无源感知技术取得了显著的进展及成效：一是与AI技术结合。在无源感知技术中，无线信号“特征成像”和“智能推理”是关键环节，其中“智能推理”需要根据“特征成像”输出的多维特征实现分类、回归等推理过程。传统的建模推理方法由于泛化性的需求导致模型相对简03 图2基于RFID的感知原理单，难以用“模型驱动”的方式细致、有效地刻画多维信号特征与最终输出的分类结果之间的非线性关系。结合AI技术后，基于深度学习、强化学习等智能化手段实现“数据驱动”的推理过程，通过大量标记的感知数据实现精确、泛化、鲁棒的泛在智能感知机制[2][3][4]。二是与新材料和新技术的结合。正交频分复用（OFDM）、可见光通信（VLC）、气敏材料等技术的应用，为无源感知技术带来了新的发展方向。其中，OFDM技术通过多载波传输特性，增强了RFID系统的传感能力[5][6]，使得在不增加硬件成本的情况下，能够并行收集多维度的传感数据。VLC技术则利用照明设备进行数据传输[7]，为无源RFID标签提供了新的通信方式，实现了可见光与RFID标签之间的创新通信。此外，气敏材料等环境敏感材料与RFID标签的结合[8]，为环境状态监测提供了一种低成本且高效的新方法。三是基于感知信噪比的粒度优化。感知信噪比（SSNR）作为衡量系统性能的核心指标，可引导技术优化，提升目标信号的识别精度并降低噪声干扰[9]。此外，基于感知信噪比模型，无源感知技术将能够拓展其应用范畴，包括物体姿态追踪、人体微动作感知和生命体征监测等，同时在感知精度上实现从分米级到厘米级甚至毫米级的跃升。由于无源感知不带电源的特性，其极易受到环境的干扰，导致感知精度降 04低，并且感知对象单一，难以全面刻画感知目标的状态，无法实现泛化鲁棒的目标感知。未来，为解决上述问题，无源感知将呈现以下发展趋势：一是利用多个标签构成阵列来解决环境干扰问题，通过构造多条信道保证感知的鲁棒稳定，消除环境因素的干扰；二是将无源感知与视觉等其他模态感知技术进行融合感知，实现优势互补，提升感知鲁棒性；三是提升单标签性能，通过在标签内嵌入低功耗传感设备或者部件，提升感知维度。（2）无源感知新场景无源感知技术广泛应用在智慧康养、智慧医疗、航空航天、智慧城市等场景中。针对智慧康养场景，无源感知技术实现家庭场景下无感式的呼吸、心跳检测，实时监测家庭成员的健康状态，对异常情况及时告警。针对智慧医疗场景，无源感知实现输液瓶液位的实时监测，解决了人工记录效率低、时效性差等痛点问题，减少医疗事故的发生。针对航空航天场景，无源感知实现有效载荷运行状态实时监测，提升载荷实时监控和故障处置效率。针对智慧城市场景，无源感知实现了地下管廊中人员的精准定位，提升城市生命线智能化管理水平，减少安全事故发生。典型场景A：智慧康养——体征监测传统心跳和呼吸的监测方法包括佩戴专门的可穿戴设备或者利用雷达、wifi等无线通感技术进行监测，存在可穿戴设备需要定期充电、无线信号无法区分多人身份等问题。无源感知通过在胸前部署标签阵列滤除环境的噪声，利用算法从信号中提取心跳和呼吸所对应的信号，再从信号中计算心率和呼吸频率的具体值，从而实现对心跳和呼吸的无源感知。相较于可穿戴设备具有非侵入、非接触、免充电的优势；相较于基于雷达、wifi的通感融合技术相比，可支持多人同时检测心跳和呼吸的“可标识”能力。05 图4基于RFID的输液滴速监测系统DropMonitor图4基于RFID的输液滴速监测系统DropMonitor[10] 06本报告来源于三个皮匠报告站（）,由用户Id:768394下载,文档Id:181892,下载日期:2024-11-20图3基于无源感知的呼吸、心跳监测典型场景B：智慧医疗——滴速监测输液时滴速监测精度要求高、人力开销大，基于无源感知技术，通过内置无源标签的滴速检测装置，自动、便捷实现滴速监测。其中一个标签为感知标签，用于捕捉液滴滴落带来的信号变化，而另一个为参考标签，用于感知外界环境的多径干扰，基于信号差分的思想设计算法排除外界干扰、提取输液液滴相关的信号，从而准确地计算输液滴速。典型场景C：航空航天——空间站运维监测空间站作为复杂的航天器系统，其运行管理涉及环境控制、能源管理、生命保障、科学实验等多个方面。我国空间站科学实验舱中部署有实验柜、供电柜、流体回路设备等大量仪器设备，仪器状态对于空间站平稳运行至关重要。空间站对电池有严格的管理要求，对无源化有强烈需求。基于无源感知技术的智能微系统设备，通过非侵入式安装，实现了对多种柜体有效载荷状态、环境温湿度的实时监测，发现异常能耗情况时，提前运维预警，填补了国内航空航天领域无源感知应用空白。图5空间站中无源感知部署方案典型场景D：智慧城市——地下管廊巡检城市综合地下管廊环境复杂、空间狭窄，巡检人员存在缺氧、高温、有害气体泄露等潜在危险，实时精准的人员定位有助于快速定位事故发生位置，及时开展救援。利用无源感知技术，在管廊内壁均匀部署无源感知标签，巡检人员经过标签影响无线信号衰减和多径效应，将接收端信号特征变化结合机器学习、多参数融合等AI技术，构建CSI信道分析模型，分析人员精准的位置信息，实现<2米精度的人员定位。另外，在管廊内需要进行环境监测和能耗管理07 2.5m的点位布放无源无线智能感知终端，即放即用，实现对温度、湿度、能耗等感知数据的按需采集和自动化上报，解决了传统传感器需插线供电，移动性不足、或需内置电池，人工替换成本高且繁琐等问题。2.5m4040°管理平台工卡签图6无源无线人员定位方案通感一体（1）通感一体新技术随着无线通信系统的不断演进，未来6G将不仅具备连接万物的通信能力，还将具有无所不在的感知能力，其核心通感一体(IntegratedSensingandCommunica-tions,通感一体)是一种通过共享频谱和硬件来实现通信和感知两种功能的技术[11],既可以

图7通感一体技术示意图实现对于无设备的目标检测和追踪，提供更加泛在的定位服务；又可以实现对于环境的感知，为构建数字世界提供海量数据支持。 08作为6G的关键技术，通感一体技术近年来在理论技术和应用技术方面取得阶段性进展：在理论技术方面，关于通感一体整体性能指标的研究引发了越来越多的关注，传统无线通信基于信息论，而传统无线感知基于估计理论的指标和极限，为了融合两者，可以将通信指标替换成等效MSE或感知指标替换成信息估计速率，从而实现指标的融合。为解决替换后指标可靠性降低的问题，业界探索建立容量-失真函数，利用一定感知失真下的通信容量来表征通感一体系统的融合性能和理论极限。在应用技术方面，国内已面向5G-A演进对通感一体技术进行了大量的试验和应用示范。通感一体基站可以为低空经济提供有效的监管手段，通过全天候，无死角，高精度和低成本的感知能力，实现基于通信网络的无人机的检测定位和黑飞监控。此外，通感一体技术在陆地和水域的场景上也进行了大量的测试验证，可实现人、车和无人机等地空多目标同步精准感知。尽管近年来通感一体技术持续取得进展，但在组网干扰和分辨能力上仍面临挑战：在组网干扰上，在目前的小范围组网测试中，由于基站感知工作态时的发射功率较高，低空探测时的仰角也较高，导致其对于周围通信基站的干扰影响严重。此外，多基站协同感知时彼此干扰的消除也成为一大挑战。在分辨能力上，基站受限于自身的孔径大小，很难实现极高分辨率感知，导致目前感知应用大多都属于检测定位类。环境重构类的应用需要极高的分辨率，需要研发如何利用多基站资源甚至运动的用户终端来构建协同感知模式，形成巨大的合成孔径，实现高分辨率环境重构。（2）通感一体新场景近几年，3GPP、ITU等标准组织对通感一体应用场景展开了深入的研究并发布了相应的研究成果[12][13][14]，将场景分为三类：一是检测、定位和跟踪类，以检测目标有无、感知目标位置和速度为基本检测特征，包括无人机、车辆、船只、行人及动物等检测跟踪。二是动作监测，包括人体呼吸监测、运动监测09 （c）无人机飞行轨迹跟踪 （d）无人机防碰撞图8感知UAV四类典型用例 （c）无人机飞行轨迹跟踪 （d）无人机防碰撞图8感知UAV四类典型用例 10典型场景A：低空经济——无人机（UAV）检测面向低空经济发展需求，利用信息通信基础设施泛在特性，对无人机进行检测管理，可有效提高监管效能，具体方案包括：一是无人机入侵检测，支撑机场、政府、研究所、军事区域、高铁站等敏感区域的高级别管控要求。二是无人机路径管理，综合感知无人机位置、高度、航向、速度等信息，若发现与原计划飞行轨迹不符，则引导回归正确航迹；构建3D地图或障碍信息，当无人机接近障碍物（例如楼宇、山体），引导无人机调整飞行路线，避免碰撞；同一区域存在多个无人机时，根据各无人机的位置、高度、航向、速度等信息，预测其航迹，若预计无人机间将发生冲突，则给出冲突告警，此类技术广泛应用于无人机物流快递、电力巡检、农业植保、设备检测、森林火灾监测等。（a）无人机非法入侵检测 （b）无人机航线保护典型场景B：智能交通——车辆和行人检测在智能交通场景中，随着车辆智能化越来越高，需要车辆或网络掌握更全面的信息以便辅助自动驾驶。单车雷达或摄像头识别具有感知范围受限、感知盲区大、感知实时误判大等缺点。利用移动通信网络广域覆盖、组网能力强等特点，对车辆或行人进行较大区域的连续感知识别，为自动驾驶和交通管理提供辅助信息，包括车辆信息统计、行人穿高速公路检测等。（a）车辆信息统计

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（b）行人检测防事故发生。防事故发生。图1011 典型场景C：设施微形变监测79[15]量子传感（1）量子传感新技术量子传感是与量子通信、量子计算并列的三大量子力学技术之一，其利用量子力学原理中微观粒子相干性、纠缠性、量子叠加等特性，实现对物理量的超高精度测量。不同于传统传感器，量子传感器可以突破经典测量的统计极限，通过对微观粒子量子态演化过程的操控进一步提高灵敏度，降低噪声，从而在极小的物理变化中获得可靠数据，提升测量精确度[16]。近年来，量子传感在满足高精度定位、计量和测量方面的需求中扮演了重要角色，例如水下或地下导航、非侵入式医学成像、地质勘探及基础科学研究等[17][18]。当前，量子传感已是量子技术中发展成熟、应用广泛的方向之一。图11分立性(分立能级)、相干性(量子叠加态、纠缠态)、随机性(量子噪声）[19]近年来，量子传感技术在时间基准、磁场感应和重力探测等多个领域取得了具体且明确的技术突破：一是量子原子钟的发展。原子钟在量子传感的时间同步和高精度计时方面十分重要，研究团队通过利用原子之间的光频共振，改进了光频梳和激光系统的稳定性。光频原子钟的频率不确定性接近10-18—10-20HZ[20]，这一精度远高于传统的微波原子钟，使其在导航、深空探测和基础物理实验中被广泛应用。例 12如，在GPS拒止环境下提供高精度导航定位信号服务，或是检验广义相对论和引力红移现象时，这种高精度的计时基准为科学家提供了可靠的数据支持。图12微波原子钟、光频原子钟及原子核钟[21]我国是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一，同时拥有7万余座露天矿山、9万座各类水库、大量高铁桥梁及超高层建筑，这些设施的安全监测关系国计民生。通感一体技术为这些设施的检测提供了一个潜在方案[15]，通过长期监测设施的微小变化，观测设施质量、使用情况以及风险，保障设施安全，预防事故发生。二是原子磁力仪的技术进展。原子磁力仪在近年来的技术改进使其在生物医学领域的应用范围显著扩大，基于冷原子和金刚石NV色心的传感器能够在常温下进行高精度的磁场检测，避免了传统磁力仪中对超导冷却的依赖[22]。NV色心磁力仪可以在检测脑磁图（MEG）和心磁图（MCG）时提供毫米量级的空间分辨率和毫秒量级的时间分辨率，使得它在神经科学和心血管疾病的检测中应用广泛，特别是对微弱生物磁场信号的实时监测成为可能。三是量子重力传感器的最新应用。量子重力仪近年来在地质勘探和资源监测中表现出更高的灵敏度，基于冷原子干涉的重力传感器可以检测到极小的重力变化，并用于监测地下资源和结构的变化，已经成功应用于地下矿藏的探测、地震前兆的监测等任务中。研究团队通过改善传感器的噪声抑制能力和测量精度，使得这些设备能够稳定运行更长时间，并提供更加精确的重力变化数13 图13[24] 图13[24] 14失去量子效应是技术进一步成熟的关键；二是研发及生产成本等问题限制了量（2）量子传感新场景量子传感技术近年来的进步为多个实际场景带来了变革性的应用。这些新兴应用场景涵盖了从导航定位到环境监测、再到生物医学等多个领域，在提升数据精度、延长传感器运行时间以及降低操作复杂性等方面已经展示了独特的价值。例如，量子惯性导航系统可在无卫星信号的情况下提供稳定的导航服务；原理磁力仪、重力仪等在遥感探测、基础物理研究中引入了全新的测绘手段；量子磁力仪则用于非侵入式医学成像，提供了更高精度的生物磁信号检测。典型场景A：导航与定位量子惯性导航系统为GPS不可用或信号受到干扰的环境提供了可靠的解决方案，基于量子陀螺仪和量子加速度计，精确测量设备的旋转和加速度变化，在无需依赖外部卫星信号的情况下，提供连续、高精度的定位信息。与传统的惯性导航系统相比，量子系统能够更长时间维持精度，减少了由于漂移效应带来的误差累积问题[25]。无人机，潜艇和深海探测器也已经开始尝试使用量子惯性导航系统，以应对水下复杂环境下的导航需求。由于该系统能够抵抗外界干扰并在极端条件下运行，它特别适合在GPS信号被屏蔽或干扰的环境中工作，例如战时环境或偏远地区[26]。这种量子导航技术的应用为未来的无人驾驶、军事作战、海洋探索等提供了重要技术保障。典型场景B：遥感探测与基础物理研究遥感探测是量子传感技术的重点应用方向之一，主要代表技术包括原子磁传感器和原子重力仪，在地球磁场和重力场的高精度测绘、航空物探、磁异常和重力异常检测中也发挥着重要作用。原子磁传感器可以为本地和远程传感和测绘提供高性能磁场测量能力，如激光导星技术[27]，即通过向大气中发射激光来创建人造导星。量子传感器在基础物理研究中的应用也愈发重要，例如基于原子钟的时间同步系统还支持超长基线干涉测量，从而实现如黑洞观测等极限天文观测能力。此外，量子传感技术在诸多前沿物理探测领域，特别是在暗物质、暗能量及其他基础物理实验中逐步崭露头角[28]。典型场景C：医学诊断在生物医学领域，量子传感技术为非侵入式诊断和生物磁信号检测带来了革命性进展。基于NV色心的量子磁力仪能够在常温下实现对心脏和大脑磁场的精确测量，为心磁图和脑磁图检测提供了更高的时间和空间分辨率，甚至可达15 16单个分子级别[29]。与传统的医学成像设备相比，量子磁力仪无需依赖超导磁体和冷却设备，因此操作更加便捷，成本也得到了显著降低 16先进感知新材料柔性传感触觉传感先进感知新材料柔性传感触觉传感图14图14近年来，柔性传感技术取得多项重要进展，主要体现在以下几个方面：一是新型材料与结构的创新[33][34][35]、 17先进感知新材料柔性传感（1）柔性传感新技术随着智能可穿戴设备、柔性电子技术发展，对传感器柔韧性、适应性和集成性提出更高要求，推动柔性传感技术快速发展。柔性传感技术利用柔性材料和微纳加工技术，制造能在受力、形变、温度变化等刺激下产生可检测电信号的传感器。其工作原理基于材料的压阻、电容、压电等效应[32]。相较于传统刚性传感器，柔性传感器具有更好的柔韧性、可穿戴性、轻量化和适应复杂表面的能力，易于集成和大规模生产。柔性传感器在健康监测、智能服装、机器人、环境监测等领域有广泛应用，为智能化生活和工业自动化提供了关键技术支持。更为复杂的工作环境。微纳加工技术的发展使得传感器的尺寸和精度得柔性传感器正向多功能集成方向发展，能够同时柔性传感器在生物医学领域的应用取得了柔性传感器在极端环境下的稳定性和耐用性得到军事应用等领域具有重要意义。柔性传感技术面临的难点主要包括提高传感器的稳定性、可靠性和耐久性，（2）柔性传感新场景柔性传感技术通过提供灵活、舒适的感知交互方式，增强了设备的功能性和适应性，已广泛应用于健康监测、智能穿戴、环境监测等领域。在医疗领域，它通过可穿戴设备实时监测生理参数，提高疾病预防和治疗效率。在消费电子市场，柔性传感器使设备更贴合用户，提升用户体验。在环境监测领域，柔性传感器实现检测污染物检测，保护生态平衡。18 图15图15 19在慢性病管理中，柔性传感技术通过健康监测手环和生物兼容性的电子皮肤等柔性可穿戴设备，提供长期的、不受限制的监测，实时跟踪患者的生理参数，如心率、血压和血糖水平，实现连续的健康监测，有效提高诊断准确性，使得个性化治疗成为可能，以脉搏波检测为例[36]。柔性脉搏传感器能够长期实时监测心血管状态，它将脉搏跳动的压力信号采集并转换为电信号，经过放大和调理后，得到脉搏跳动的完整波形。通过微结构设计，如微毛结构，增强与不规则表皮的有效接触，最大化信号放大作用，从而提高信噪比。与传统的脉搏监测方法相比，柔性传感器因其贴合性好、信号传输无线化等特点，在不影响人体运动状态下长时间采集心电数据，并实时传输至监护终端进行分析处理，大大提高了监测的便捷性和准确性。此外，柔性传感器的高灵敏度和快速响应能力使其在监测心率变异性（HRV）等细微生理变化方面展现出优势，这为个性化医疗和健康监测提供了强有力的技术支持，具有重要的临床价值和广泛的应用前景。典型场景B：智能穿戴领域柔性传感技术极大地丰富了可穿戴设备的功能并提升了用户体验。通过集[37]柔性传感器的轻量化和定制化特点也使得智能穿戴设备设计更加多样化，能够图16柔性传感技术在智能穿戴领域中的应用典型场景C：环境监测领域20 图17[38] 21图17[38] 21触觉传感（1）触觉传感新技术触觉传感技术是模拟人类触觉，基于压阻、电容、压电等效应，将机械刺激转换为电信号，检测接触力、滑动、温度等物理量，使机器人能够理解和响应实体环境。触觉传感的优势在于高空间分辨率、多模式感知和丰富的触觉信息，提供比传统传感器更精细的感知能力。触觉传感技术有效提高机器人的灵巧性，提升机器人与人类互动的安全性和有效性，广泛应用于医疗手术、工业装配、服务机器人等领域。触觉传感技术近年来主要进展包括以下几个方面：（MEMS器结构设计变得更加精细和复杂。目前触觉传感技术面临的难点主要包括提高传感器的空间分辨率和灵敏以下几个方向：一是传感器的材料和结构设计将更加精细化和多功能化，以实（2）触觉传感新场景触觉传感技术已广泛应用于医疗手术、服务机器人、消费电子等领域。在医疗领域中，触觉传感器辅助进行微创手术，提高了手术的精确性和安全性。服务机器人通过触觉反馈，提供更加人性化的交互体验。在消费电子中，触觉传感技术增强了设备的用户体验，如触觉反馈游戏控制器。典型场景A：医疗领域——临床手术辅助触觉传感技术在医疗领域的应用带来重要的变化，尤其是在手术和康复治22 图18[39]图18[39] 23已经成功开发了一种与手术期间的磁共振系统和成像系统兼容的触觉传提供类似于直接接触人体组织的感知能力，增强了手术过程中的交互性和可靠性，也解决了传统微创手术中医护人员可能暴露于放射线和整形外科危害的问典型场景B：机器人——机器人灵巧手触觉传感技术在机器人灵巧手技术领域极大地提升了交互能力和任务执行24 24 觉反馈技术被集成到智能手机和游戏控制器中，增强了用户操作的沉浸感和真传感技术将在未来的电子产品中得到更广泛的应用，从而进一步推动消费电子市场的创新和发展。图19触觉传感在消费电子领域的应用[40]先进感知新工艺激光直写共形制造工艺智能微系统先进感知新工艺激光直写共形制造工艺智能微系统先进感知新工艺激光直写共形制造工艺（1）激光直写共形制造新技术随着航空航天、医疗健康等领域对传感器需求的多样化发展，传统溅射工艺制造技术对新材质衬底适应能力不足、大面积制备与共形制备能力不足、设计验证周期长等缺点逐渐显露。尤其是空天高温环境参数监测、人体健康监测等领域使用的高温环境可共形传感器，大面积柔性传感器阵列，传统传感器缺乏有效的解决途径，亟需高适应性、高可靠度、大面积、可共形的传感器制造技术，适应未来传感器更高效费比、更强衬底适应性、更大制备区域的发展需求。激光直写共形制造技术利用光刻、光（热）固化、光化学反应原理实现电子材料的高效成形，能够在粗糙、曲面衬底上快速地大面积制造敏感膜层，是开发极端环境传感器、曲面共形传感器、特种柔性传感器、生物传感器的优势方法，在高速飞行器气动参数原位测量、叶片、舵翼曲面参数获取、医用可穿戴传感、低成本结构监测方面具有广阔应用前景。近年来，激光直写共形制造技术取得新进展涉及微机电、微能源、信息处理表面等领域。在3D打印领域，NanoDimension公司通过光（热）聚酰亚胺与纳米银两类材料，采用256喷头阵列化喷墨打印，大大提高了制备效率，分辨率可达35微米，其阵列化与集成化思想弥补了单头直写效率不足的缺点，采用多层加工和柔性板技术弥补了共形加工能力缺失的不足。图20NanoDimension展示的平面换能器、三维集成电路、WiFi热点25 体的作用下喷射到衬底表面。等离子热喷涂的理论温度上限可达3000℃，该技术最大的优势是可适应材料库充裕，产品可耐高温，例如氧化铝、氧化锆、氧体的作用下喷射到衬底表面。等离子热喷涂的理论温度上限可达3000℃，该技术最大的优势是可适应材料库充裕，产品可耐高温，例如氧化铝、氧化锆、氧化铪陶瓷和W、Pt、NiCr、Au、Ag、Cu等金属，产品大多用于军工、航天工业等。 26图21Frauhofer直写制备小批量压电传感元件并将分立的元件集成在扩音电路上图22Frauhofer在类铁轨结构上直写的开发的SenseTrAIn集成传感器系统在高温环境特种测量领域，MesoScribe公司研制在涡轮叶片等结构件表面制备温度传感器，采用等离子热喷涂技术，将材料加热至熔点并将其在高压气 图23热喷涂直写技术在曲面高温合金表面沉积陶瓷后制备导线

图24热喷涂直写制备的共形热电偶、热电堆、应变栅传感器图25直写耐高温共形热流传感器（a/b）与应变传感器（c/d）图25直写耐高温共形热流传感器（a/b）与应变传感器（c/d）27 （2）激光直写共形制造新场景典型场景A：航空航天领域航空航天领域应用了大量的曲面耐高温部件，例如整流罩、头锥、飞行翼、控[41][42]900℃典型场景B：医疗健康领域在医疗健康领域与仿生机器人领域，基于激光直写共形制造工艺制造的柔性衬底的可拉伸变形特性使其能适应人体外表皮肤、衣物、仿生机械臂的柔性折叠或拉伸行为，同时具备温度、压力、剪切力、湿度、气体、体液等多维感知能力[43][44]。激光直写通过激光化学法原位生成石墨烯或通过激光烧结原位固化金属（Ag、Pt、Cu）或陶瓷（ZnO、

图26激光直写多维信息融合传感器SnO2、MoO2）基液相电子材料，实现多维信息传感的能力，为实现触觉/嗅觉等仿生传感能力提供一种便捷的大面积制备技术。智能微系统（1）智能微系统新技术随着物联网、微电子等技术的飞速发展，终端设备正朝着微型化、高度集成、无源化及智能化方向不断迈进，智能微系统技术在此背景下蓬勃兴起。智能微系统通过先进封装与加工工艺，将传感器、处理器、通信组件及供能模块等核心器件集成于微小物理空间内，具备信息的获取、处理、通讯、执行以及能源供给等多种功能，显著提升了系统的功能密度与效能[45]。智能微系统具备

图27智能微系统典型架构高集成度、低功耗、智能化的特点，在航空航天、工业制造、医疗健康、智慧城市等诸多应用领域均展现了巨大的应用价值。 28近年来，智能微系统技术已取得了显著的进展和突破。//（SiP（WLPSV（die低了终端的成本和体积。二是传感融合技术方面，MEMS得广泛应用。MCU（nW四是供能技术方面，智能微系统通过多源复合的能量收集、存储与释放机[46]。五是通信技术方面，智能微系统普遍采用高效的无线通信技术实现信息通NB-IoTZigbeeLoRaRFIDRFID通过反向散射机制反射射频信号传输数据，与智能微系统的低功耗需求高度契智能微系统领域近年来已取得了诸多技术突破，但目前仍处于技术发展的感器组成的模块或整机将逐渐被高集成度的异质异构集成微系统所取代，智能技术的突破将极大地拓宽智能传感器的应用场景。29 图28图28 30当前，智能微系统领域的科技创新与产品创新正处于蓬勃发展之中。在医疗健康、航空航天等多个关键领域，智能微系统展现出了巨大的应用价值。典型场景A：医疗健康领域——智能药丸智能药丸是一种利用了智能微系统技术、能够进入人体内部进行药物传输、生理监测或医学检查的智能微型装置。在药物释放控制方面，智能药丸集成微型传感器、微处理器和微型泵等技术，根据体内环境的实时变化（如pH值、温度、压力等）来触发药物的释放，实现体内的精准给药，从而提高药物的生物利用度和治疗效果。在体内成像方面，通过将智能药丸集成微型成像设备，跟随胃肠肌肉的运动而在体内进行实时成像和传输，有助于医生对消化道疾病进行更准确的诊断。在生理监测方面，通过智能微系统技术将超低功耗处理、无线传输技术与葡萄糖动力燃料电池、电化学传感相结合，形成具备能量收集、生物传感和无线遥测功能的智能药丸，帮助患者无痛、便捷地监测胃肠道健康状况。典型场景B：航空航天领域——微纳卫星微纳卫星通常是指质量在1kg~100kg以内，具有实际使用功能的卫星。微纳卫星对功能密度要求极高，这与智能微系统的特性相匹配，因此智能微系统技术在微纳卫星领域的应用正逐渐成为研究和应用热点。相对传统卫星，微纳卫星具有尺寸小、重量轻、开发周期短、研制成本低、技术更新快、灵活机动性好、生存能力强等优势，在地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、新技术试验、航天工程教育等方面应用前景广阔，也是各国航天装备体系建设的重要方向之一[1]。我国率先开展了微纳航天器的技术创新与工程实践，首次将三轴稳定方式用于25kg以下的微小卫星。成功研制并运行了国内第一颗纳型卫星NS-1卫星，也是当时世界上在轨飞行的最小“轮控三轴稳定卫星”。2015年研制并发射了NS-2（10公斤量级）MEMS技术试验卫星，成功开展了基于MEMS的空间微型化器组件试验研究。目前，如MEMS磁敏感器、MIMU惯性微系统、MEMS太阳敏感器、纳/皮型星敏感器等空间智能微系统，已用于微纳卫星的姿态控制和轨道测量，取得了良好的应用效果。图29微纳卫星应用31 先进感知新算法脑电传感算法光纤传感算法先进感知新算法脑电传感算法（1）脑电传感算法新技术随着医学领域对大脑工作机制的深入研究，以及人们对脑机交互需求的日益增长，脑电传感算法成为获取并解析大脑活动的关键手段。脑电传感算法获取大脑神经元活动产生的微弱电位变化（即脑电信号），进行特征提取和模式识别，实现对个体思维、情绪等脑内活动的解读。脑电传感算法时域分辨率及灵敏度高，能够实时记录、解码和分析大脑活动，直观可靠地反映大脑的状态变化，在医疗、娱乐和教育等场景具有广泛而深远的应用价值。图30脑电传感算法基本原理近年来，脑电传感算法取得了显著进展。一是算法精度不断提高。研究者们引入共空间模式（CSP）、黎曼几何和溯源分析等方法，有效提取脑电信号时域、频域和空域特征，提高识别准确性。此外，随着人工智能和大数据技术的蓬勃发展，循环神经网络（RNN）、卷积神经网络（CNN）和图卷积神经网络（GCN）等前沿AI模型被融入脑电传感算法之中，AI模型对脑电特征进行自动学习与深度挖掘，极大提升数据分析的度与效率。二是算法实时性不断增强。研究者们设计了轻量级卷积神经网络EEGNet32 提升算法速度。LPEEGNet[47]进一步优化，减少了计算量和内存访问操作，提高了吞吐量，降低了FPGA带宽限制造成的性能损失。得益于高性能计算技术和优化算法的不断革新，脑电传感算法能够实现近乎实时处理反馈，促进了脑电传感技术在紧急医疗监测、运动控制等领域的广泛应用。三是脑电与其他生理数据的多模态融合传感。由于大脑神经活动的复杂性，单一模态生理数据所能揭示的信息相对有限。近年来，研究者们将脑电数据与其他生理数据相结合，如眼动追踪、面部表情、语音信号等，综合分析大脑活动状态。尽管脑电传感算法取得了显著进展，但仍面临一些难点。一是脑电传感算法的鲁棒性有待提升。脑电信号处于微伏数量级，无论是电子设备的电磁干扰，还是人体自身产生的其他电信号，都可能导致脑电数据失真，从而降低脑电传感算法的识别精度。二是脑电传感算法的泛化性不足。每个人的大脑结构都是独一无二的，这种独特性在脑电信号上得到了充分体现，不同个体的脑电信号在波形特征和信号强度上存在区别，对脑电传感算法的泛化性提出了更高要求。三是脑电传感算法的隐私性和安全性面临挑战。脑电信号作为人类思维活动的直接生理反映，承载着高度的私密性，如何防止脑电数据泄露或被恶意利用，成为了社会关注的问题。虽然脑电传感面临上述困难，但其未来的发展依旧充满潜力，通过更加智能和高效的AI算法，有望克服脑电信号的复杂性和个体差异性，对脑电信号进行更加精准和深入的解读。同时，随着网络安全技术和相关法律法规的不断完善，脑电信号的隐私保护也将得到更加坚实的保障。（2）脑电传感算法新场景脑电传感算法在医疗、娱乐及教育等多个场景展现出广阔的应用前景。医疗场景中，脑电传感算法可以辅助疾病诊断与康复治疗；娱乐场景中，脑电传感算法可以实现脑控游戏角色，提供沉浸式体验；教育场景中，脑电传感算法实时监测学生学习状态，实现个性化教学。这些新场景的应用不仅提高了工作 33效率和用户体验，还推动了相关产业的创新和发展。典型场景A：医疗领域——神经疾病诊断与康复治疗脑电传感算法通过分析患者脑电波数据，识别出大脑活动的异常模式。相比于传统的医疗诊断方法，提供了更直接、更客观的脑部状态监测手段，不仅提高了诊断的效率，还为个性化治疗方案提供了数据支持。随着脑电传感算法精度及实时性的提升，脑部疾病的诊断和

图31高位截瘫患者用“意念”吃油条治疗更加精准和可靠。例如，在癫痫的治疗中，脑电传感算法可以精准定位病灶，为手术或药物治疗提供精确指导，减少不必要的药物使用和手术风险。此外，脑电传感算法还应用于脑机接口（BCI）技术，通过解码脑电信号识别患者的意图，转化为外部设备的控制指令，如机械臂、轮椅甚至电脑光标等，帮助瘫痪患者重新获得运动能力[48]，不仅极大地改善了瘫痪患者的生活质量，也为神经科学、康复医学等领域的研究开辟了新的方向。典型场景B：娱乐领域——脑控游戏脑电传感算法通过捕捉和分析玩家的脑电信号，游戏系统能够响应玩家的意念，实现自然流畅的游戏控制，并根据玩家的情绪反应调整游戏难度和剧情走向，创造个性化的游戏体验。脑电传感算法精度及实时性的显著提升，图32具有脑电传感功能的AR/VR头显Galea使游戏角色动作能够精确且迅速地响应玩家的思维指令，有效解决原先游戏角色动作与玩家思维不同步的问题。在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用中，脑电传感算法实时监测用户的情绪反应和注意力水平，动态调整虚拟环境中的视觉和听觉刺激，确保用户能够舒适地享受虚拟体验，避免疲劳和不适感。脑电传感算法的应用，不仅丰富了娱乐形式，也促进了娱乐产业的创新和升级。34 典型场景C：教育领域——教学效果评估脑电传感算法监测学生大脑活动，评估学生的专注度和疲劳程度，帮助教师判断学生能否跟上教学节奏，是否需要调整教学策略[49]。得益于脑电传感算法精度及实时性的提升，教师能够在课堂上实时获图33

得学生状态反馈，从而有效增强课堂教学的效率与质量。此外，通过脑电传感算法对脑电信号的准确分析，能够识别学生的学习障碍，如阅读障碍、数学焦虑等，为教师提供有针对性的干预建议。脑电传感算法在教育场景的应用，为学生提供了更加符合其学习特点的教育资源，促进了教育的智能化和个性化发展。光纤传感算法（1）光纤传感新技术图34

光纤传感技术是利用光纤作为传感介质，通过探测光信号变化来检测物理量的一种技术。该技术具有抗电磁干扰、高灵敏度、高可靠性、远传输距离和易组网等优势，特别适用于极端条件下的参数测量和恶劣环境下的在线监测。同时，对光纤传感算法的研究可以更好的实现高精度定位监测以处理复杂的应用场[50]。 35近年来，光纤传感技术取得了显著的发展和进步，主要体现在以下几个方面：一是传感器类型的多样化。随着布拉格光纤光栅（FBG）传感器、长周期光纤光栅（LPFG）传感器和光纤布里渊传感器等新型光纤传感器的不断开发，光纤传感技术应用领域得到了极大扩展。二是传感网络的智能化。通过集成先进的信号处理算法和人工智能技术，光纤传感网络能够实现更加智能化的数据采集、处理和分析，提高了监测的准确性和实时性。三是监测距离和容量的增加。新一代光纤传感网络能够承载更多传感器，实现长达几十甚至上百千米的大容量、长距离监测，满足了高速铁路、高速公路等大型基础设施的监测需求。四是多参数监测能力的提升。光纤传感技术已经能够同时监测多种物理量，如温度、压力、振动和应变等，为结构健康监测和环境监测提供了更为全面的解决方案。五是抗干扰性能的增强。新型光纤传感器在设计上更加注重抗电磁干扰能力，使得光纤传感系统在复杂的电磁环境中依然能够稳定工作。虽已取得显著进展，但光纤传感技术仍面临一些挑战和难点。一是光纤传感器的长期稳定性和可靠性仍需提升，尤其是在恶劣环境下的应用。二是光纤传感系统的集成度和小型化仍待攻关，这涉及到传感器的制造成本和部署便利性。三是光纤传感数据的解调技术复杂，需要更先进的信号处理算法来提高数据的准确性和实时性。在未来，光纤传感技术将更加智能化和网络化，通过采用先进的数据处理技术，实现更精准的监测和分析。同时，随着新材料和制造技术的进步，光纤传感器的性能将得到进一步提升，成本也将降低。（2）光纤传感新场景36 图35图35 37典型场景A：智慧交通光纤传感技术在智慧交通领域的应用带来了交通监测和管理模式的变革。当车辆、行人等目标在光纤附近移动时，产生的振动使光纤产生形变，改变其物理性质，从而可以通过后向散射光的变化在终端检测并分析出振动信号的强度，建立起目标与时间的分布式信息。该技术能有效利用现有的道路侧通信光纤，避免了额外的安装和维护成本，从而实现了成本的显著降低。同时，与智能分析算法结合，预测交通趋势，优化交通流量分配，减少拥堵，提高道路使用效率，预防和减少由路面损坏或结构损伤引发的交通事故。在极端天气条件下，光纤传感器的抗干扰能力保证了监测数据的稳定性和可靠性，进一步提升了交通安全。同时，这些数据也可以为城市规划和交通政策制定提供科学依据，促进城市交通系统的可持续发展。典型场景B：智慧管线管理光纤传感技术通过分布式温度传感（DTS）和分布式声音传感（DAS）技术，实现了对长距离海底电缆埋深状态的实时监测，连续在线测量整根电缆发出的声音和应力变化，以及外部的扰动，为故障检测和预防提供了强有力的数据支撑，极大地提高了管线的运行安全性和管理效率。其高灵敏度和高分辨率的特性，使得对环境变化的探测更为精确，能够快速响应微小的环境波动。此外，光纤传感器的抗电磁干扰能力强，耐腐蚀，可以在恶劣的环境下稳定工作，适用于多种环境监测场景。图36光纤传感技术在智慧管线领域的应用典型场景C：环境监测领域在灾害预警、污染源追踪、生态保护等方面，光纤传感技术展现出巨大的潜力和价值。在监测水质变化过程时，水中溶解物质的增加会导致水的折射率发生变化，通过光纤传感技术能够检测到这些折射率的变化，因为光在光纤中的传播速度和路径会受到周围介质折射率的影响，这样可以及时发现污染并采取措施，保护生态环境。在地质灾害监测中，利用分布式光纤传感技术（如分布式温度传感（DTS）和分布式声波传感（DAS）），可以监测地壳的微小变动和应力变化，从而提供地震预警。通过分析光纤传感器检测到的地面振动和温度变化，可以识别地震活动的前兆，提前发出预警。38 总结及展望总结及展望“万物智联，感知为先”，随着数字经济蓬勃发展，感知作为底层数据来源及核心技术支撑，近年来实现快速发展，通过对机理、材料、工艺和算法等四个方面的技术创新，感知设备将实现更大范围和更高精度的信息采集。在感知新机理方面，无源感知、通感一体和量子传感基于感知机制创新，在城市基础设施管理、低空经济、航空航天等领域应用前景广阔。在感知新材料方面，柔性传感和触觉传感以新型柔性材料作为传感器敏感材料，持续赋能机器人灵巧手等新业务场景。在感知新工艺方面，激光直写共形制造技术能够在粗糙、曲面衬底上快速地大面积制造敏感膜层，是开发极端环境传感器、曲面共形传感器、特种柔性传感器、生物传感器的优势方法；智能微系统以MEMS工艺为基础，实现传感器件小型化、集成化、低功耗和低成本。在感知新算法方面，光纤传感和脑电传感基于算法创新实现感知能力拓展和性能提升。未来，先进感知技术将向着“感-通-算-智”一体融合的方向持续发展，呈现出微型化、集成化、无线化、智能化演进趋势，满足生活、生产和社会领域对感知能力的深度需求。微型化使得同体积下传感设备可以容纳更多器件和能力，释放更多空间，能够部署在更复杂和微小的环境中。集成化支撑感知设备能力集成升级，便于获取多元化感知数据，并从单一功能形态向具备传感、通信、计算、存储、执行等多元化功能的智能终端发展。无线化有利于感知设备的柔性、快速部署，增强设备移动性并减少线缆占用空间。智能化赋予感知设备端侧自校准、自唤醒、数据处理等智慧能力，实现端侧智能，提升感知的精度、效率和稳定性。白皮书面向先进感知前沿技术发展趋势，围绕传感前沿技术的新机理、新材料、新工艺和新算法，选取代表性技术，解读技术发展趋势，分析近年来重要进展，梳理典型应用场景。随着万物智联时代的逐步到来，感知作为底层数据来源及核心技术支撑，有望迎来爆发式技术突破及市场增长，相关产业值得持续关注。 3940 40 缩略语列表编号缩略语英文全名中文解释16GThesixthgenerationmobilecommunicationsystems第六代移动通信系统23GPPThirdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴计划3ITUInternationalTelecommunicationUnion国际电信联盟4UAVUnmannedAerialVehicleDrones无人机5HRVHeartRateVariability心率变异性6MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem微电子机械系统7FBGFiberBraggGrating布拉格光栅8CSPCommonSpatialPattern共空间模式9SIPSystemInPackage系统级封装10WLPWaferLevelPackage晶圆级封装11TSVThroughSiliconVia硅穿孔12MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem微机电系统13RNNRecurrentNeuralNetwork循环神经网络14CNNConvolutionalNeuralNetwork卷积神经网络15GCNGraphConvolutionalNetwork图卷积网络16EEGNetACompactConvolutionalNetworkforEEG-basedBrain-ComputerInterfaces基于脑电图的脑机接口紧凑型卷积网络17LPEEGNetLow-PowerEEGNet基于脑电图的脑机接口紧凑型卷积网络低功耗处理器18FPGAFieldProgrammableGateArray现场可编程门阵列19AIArtificialIntelligence人工智能20BCIBrainComputerInterface脑机接口21VRVirtualReality虚拟现实22ARAugmentedReality增强现实23LPFGLong-PeriodFiberGrating长周期光纤光栅参考文献参考文献Zhang,P.,Wang,W.,&Zhang,K.(2021).“PassiveWirelessSensing:FromRFIDtoEmergingApplications.”IEEECommunicationsSurveys&ZhangB,LiM,XieX,etal.Rc6d:Anrfidandcvfusionsystemforreal-time6dobjectposeestimation[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:690-699.ZhangB,LiM,XieX,etal.Rc6d:Anrfidandcvfusionsystemforreal-time6dobjectposeestimation[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:690-699.ChenY,J,ChenY,etal.RFSpy:EavesdroppingonOnlineConver-sationswithOut-of-VocabularyWordsbySensingMetalCoiltionofHeadsetsLeveragingRFID[C]//ProceedingsoftheAnnualInternationalConferenceonMobileSystems,andServices.2024:169-182.ZhaoC,LiZ,DingH,etal.Rf-wise:Pushingthelimitofrfid-basedsensing[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:1779-1788.

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