智能電磁感知新框架構(gòu)建出，為感知系統(tǒng)開辟了新思路

日前，北京大學(xué)李廉林教授團(tuán)隊(duì)和東南大學(xué)崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)將人工智能和人工材料有機(jī)結(jié)合，綜合挖掘且充分利用二者在數(shù)據(jù)信息調(diào)控和電磁物理調(diào)控方面的強(qiáng)大能力，從而實(shí)施物理與數(shù)據(jù)的一體化調(diào)控，構(gòu)建了智能電磁感知的新框架。該研究為開發(fā)高效率、低能耗、低成本的感知系統(tǒng)開辟了新思路。

面向智慧家庭應(yīng)用的智能電磁感知原理示意圖

電磁感知是什么？

電磁（EM）感測(cè)是一種廣泛的非接觸式檢測(cè)技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)。大多數(shù)傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)缺乏智能，這不僅導(dǎo)致了昂貴的硬件和復(fù)雜的計(jì)算算法，同時(shí)也帶來了實(shí)時(shí)的重大挑戰(zhàn)。為了解決此缺點(diǎn)，我們提出了智能傳感的概念。

電磁感知是智慧家庭與城市、安防檢查和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和共性問題，是電子與信息領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，是世界各國(guó)角逐的顛覆性技術(shù)。然而，現(xiàn)有電磁感知在體制和算法兩方面存在一系列挑戰(zhàn)性難題，例如，成本高、效率低、精度差等，這些不足在一定程度上制約了其在未來5G/6G、人工智能時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展。

具體來講，現(xiàn)有感知體制（包括合成孔徑體制，相控陣體制，孔徑編碼體制，等）無法兼顧系統(tǒng)硬件成本和數(shù)據(jù)獲取效率，現(xiàn)有算法（包括信號(hào)處理算法，逆散射算法，等）無法兼顧算法復(fù)雜性和圖像質(zhì)量。

創(chuàng)新

技術(shù)上講，電磁感知的核心是電磁物理和信息的調(diào)控；對(duì)應(yīng)地，智能電磁感知的核心是對(duì)電磁物理和信息的自適應(yīng)調(diào)控。受此啟發(fā)，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李廉林研究員課題組與東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院崔鐵軍教授課題組等人組成研究團(tuán)隊(duì)，提出了智能電磁感知的新框架。

研究團(tuán)隊(duì)將人工智能和人工材料有機(jī)結(jié)合，綜合挖掘利用了人工智能和人工材料在數(shù)據(jù)信息調(diào)控和電磁物理調(diào)控方面的強(qiáng)大能力，實(shí)現(xiàn)了物理與數(shù)據(jù)的一體化調(diào)控，構(gòu)建了智能電磁感知的新框架。

研究團(tuán)隊(duì)研制了2.4GHz這一無線保真（Wi-Fi）頻段的電磁感知系統(tǒng)原型，實(shí)現(xiàn)了兆赫茲幀率的高質(zhì)量微波成像和高精度肢體語言識(shí)別。

電磁感知系統(tǒng)的設(shè)置和工作原理

如上圖所示，智能傳感系統(tǒng)由兩個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可學(xué)習(xí)模塊組成：m-ANN驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集模塊和r-ANN驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)處理模塊。m-ANN對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行建模，該過程涉及一對(duì)喇叭天線和一個(gè)用微控制單元編程的編碼超表面。天線1發(fā)射平面微波前緣，這些微波前緣由可編程的超穎表面定型，然后入射到場(chǎng)景上。感興趣的對(duì)象散射的波被天線2接收。接收到的原始微波數(shù)據(jù)由r-ANN直接處理，從而產(chǎn)生所需的成像或識(shí)別結(jié)果。

該研究為開發(fā)高效率、低能耗、低成本的感知系統(tǒng)開辟了新思路。

在上述工作基礎(chǔ)上，受邀撰寫的論文《基于可學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)獲取和處理的智能電磁感知》（Intelligent Electromagnetic Sensing with Learnable Data Acquisition and Processing）于2020年4月10日在線發(fā)表于愛思維爾公司旗下細(xì)胞出版社（Cell Press）的學(xué)術(shù)期刊《模式》（Patterns）；第一作者是電子學(xué)系2018級(jí)碩士研究生李昊洋，李廉林為通訊作者。

相關(guān)研究：崔鐵軍團(tuán)隊(duì)成功研制雙通道獨(dú)立可編程超表面

近日，東南大學(xué)崔鐵軍院士研究團(tuán)隊(duì)和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授合作，提出、設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種具有強(qiáng)重構(gòu)能力、雙通道獨(dú)立可編程超表面。該雙可編程超表面具有獨(dú)立控制接口，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)x極化和y極化電磁波進(jìn)行獨(dú)立編程調(diào)控，從而可實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜和新奇的電磁功能。相比于以往的單極化可編程超表面，該雙可編程超表面能并行提供兩個(gè)相互獨(dú)立的信息傳輸通道，進(jìn)而大大提升可編程超表面的信息處理能力。

相關(guān)研究成果以“Polarization-controlled dual-programmable metasurfaces”為題發(fā)表在綜合學(xué)術(shù)期刊《Advanced Science》上。論文通訊作者為東南大學(xué)蔣衛(wèi)祥教授、崔鐵軍教授和新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授，第一作者為東南大學(xué)博士生張信歌。

極化控制的雙可編程超表面及其功能示意圖

超表面是由亞波長(zhǎng)人工單元在二維平面內(nèi)周期或非周期排布構(gòu)成的超薄平臺(tái)，在調(diào)控電磁波方面展現(xiàn)了強(qiáng)大的能力。特別是動(dòng)態(tài)超表面，在外部控制信號(hào)下能對(duì)電磁波進(jìn)行人為動(dòng)態(tài)調(diào)控。目前已有的動(dòng)態(tài)超表面大部分是可調(diào)超表面和可重構(gòu)超表面?？烧{(diào)超表面的功能可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)，但功能類似；可重構(gòu)超表面能獲取顯著不同的功能，但功能數(shù)有限。為了實(shí)現(xiàn)很多個(gè)不同功能的實(shí)時(shí)調(diào)控與切換，崔鐵軍教授等人于2014年提出將數(shù)字編碼表征和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）引入到動(dòng)態(tài)超表面設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程超表面。可編程超表面可以在單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)很多種完全不同的功能，且功能可以按照編寫好的程序?qū)崟r(shí)切換。然而，大部分已有可編程超表面只能在預(yù)先設(shè)計(jì)的特定極化電磁波照射下才能表現(xiàn)出可編程特性，在其它極化電磁波照射下其依然表現(xiàn)為靜態(tài)特性。由于可編程超表面只能在單一極化電磁波照射下被實(shí)時(shí)調(diào)控，僅能提供一個(gè)有效的信息傳輸通道，因此只能在一個(gè)通道上串行處理多個(gè)任務(wù)，制約了并行處理多任務(wù)的能力。

為了提升超表面的信息處理效率和多任務(wù)處理能力，科研人員開發(fā)并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙極化超表面，能在不同極化下表現(xiàn)出不同的電磁響應(yīng)，進(jìn)而能夠并行地提供兩個(gè)獨(dú)立的信息通道。相比于單極化超表面，雙極化超表面能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能，例如多通道信息處理、偏振分割多路復(fù)用以及雙極化口徑共享等。因此，基于雙極化超表面能實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的功能器件。然而，目前已有的雙極化超表面是靜態(tài)或僅能微調(diào)，其功能無法被實(shí)時(shí)編程切換，這大大限制了雙極化超表面的多功能性以及在超快切換、掃描系統(tǒng)中的應(yīng)用。

為了解決上述難題，在該工作中研究人員設(shè)計(jì)了一款可對(duì)x極化和y極化電磁波獨(dú)立調(diào)控的雙可編程超表面。為了實(shí)現(xiàn)該雙編程超表面，研究人員首先精心設(shè)計(jì)了一種可獨(dú)立調(diào)控x極化和y極化電磁波反射相位的有源超表面單元。該有源超表面單元具有特殊設(shè)計(jì)的金屬圖案，并在x方向和y方向上分別集成了兩個(gè)變?nèi)莨?，通過設(shè)計(jì)的兩條偏壓線可獨(dú)立調(diào)控x方向和y方向上變?nèi)莨艿娜葜?，進(jìn)而完成對(duì)x極化和y極化電磁波反射相位的獨(dú)立控制。為了獲得雙編程超表面并實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜電磁功能，研究人員用24x24個(gè)超表面單元進(jìn)行組陣，該超表面陣列中包含48路獨(dú)立控制接口。為了實(shí)現(xiàn)單塊FPGA對(duì)包含多個(gè)獨(dú)立控制接口的雙可編程超表面進(jìn)行有效控制，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展接口電路和直流電壓轉(zhuǎn)換電路。擴(kuò)展接口電路主要由譯碼器和鎖存器構(gòu)成，能將少量FPGA接口以指數(shù)方式大大擴(kuò)展。電壓轉(zhuǎn)換電路主要由晶體管和電阻構(gòu)成，能將FPGA輸出的電壓轉(zhuǎn)換到雙可編程超表面中變?nèi)莨芩杵珘?。因此，最終研制的雙可編程超表面平臺(tái)具有豐富的可編程性，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)復(fù)雜電磁功能。作為實(shí)驗(yàn)演示，研究人員在單個(gè)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三種不同的電磁功能，分別是用于圓極化波自旋控制的異或邏輯運(yùn)算、定頻大角度雙波束掃描和雙極化口徑共享。該雙可編程超表面為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高集成度的電磁器件和系統(tǒng)提供了技術(shù)新途徑，有望在基于波的邏輯運(yùn)算平臺(tái)、高速掃描雷達(dá)和多通道空間光處理器等先進(jìn)器件和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

責(zé)任編輯：gt