智能電磁感知新框架構建出，為感知系統(tǒng)開辟了新思路

日前，北京大學李廉林教授團隊和東南大學崔鐵軍教授團隊將人工智能和人工材料有機結合，綜合挖掘且充分利用二者在數據信息調控和電磁物理調控方面的強大能力，從而實施物理與數據的一體化調控，構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）感測是一種廣泛的非接觸式檢測技術，其應用領域包括醫(yī)療保健和物聯網。大多數傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)缺乏智能，這不僅導致了昂貴的硬件和復雜的計算算法，同時也帶來了實時的重大挑戰(zhàn)。為了解決此缺點，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)學等領域的基礎性、關鍵性和共性問題，是電子與信息領域的研究焦點，是世界各國角逐的顛覆性技術。然而，現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、人工智能時代的進一步發(fā)展。

具體來講，現有感知體制（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)硬件成本和數據獲取效率，現有算法（包括信號處理算法，逆散射算法，等）無法兼顧算法復雜性和圖像質量。

創(chuàng)新

技術上講，電磁感知的核心是電磁物理和信息的調控；對應地，智能電磁感知的核心是對電磁物理和信息的自適應調控。受此啟發(fā)，北京大學信息科學技術學院電子學系、區(qū)域光纖通信網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室李廉林研究員課題組與東南大學信息科學與工程學院崔鐵軍教授課題組等人組成研究團隊，提出了智能電磁感知的新框架。

研究團隊將人工智能和人工材料有機結合，綜合挖掘利用了人工智能和人工材料在數據信息調控和電磁物理調控方面的強大能力，實現了物理與數據的一體化調控，構建了智能電磁感知的新框架。

研究團隊研制了2.4GHz這一無線保真（Wi-Fi）頻段的電磁感知系統(tǒng)原型，實現了兆赫茲幀率的高質量微波成像和高精度肢體語言識別。

電磁感知系統(tǒng)的設置和工作原理

如上圖所示，智能傳感系統(tǒng)由兩個數據驅動的可學習模塊組成：m-ANN驅動的數據采集模塊和r-ANN驅動的數據處理模塊。m-ANN對測量過程進行建模，該過程涉及一對喇叭天線和一個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，然后入射到場景上。感興趣的對象散射的波被天線2接收。接收到的原始微波數據由r-ANN直接處理，從而產生所需的成像或識別結果。

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。

在上述工作基礎上，受邀撰寫的論文《基于可學習數據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胞出版社（Cell Press）的學術期刊《模式》（Patterns）；第一作者是電子學系2018級碩士研究生李昊洋，李廉林為通訊作者。

相關研究：崔鐵軍團隊成功研制雙通道獨立可編程超表面

近日，東南大學崔鐵軍院士研究團隊和新加坡國立大學仇成偉教授合作，提出、設計并實驗驗證了一種具有強重構能力、雙通道獨立可編程超表面。該雙可編程超表面具有獨立控制接口，能夠實時對x極化和y極化電磁波進行獨立編程調控，從而可實現多個復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相互獨立的信息傳輸通道，進而大大提升可編程超表面的信息處理能力。

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

極化控制的雙可編程超表面及其功能示意圖

超表面是由亞波長人工單元在二維平面內周期或非周期排布構成的超薄平臺，在調控電磁波方面展現了強大的能力。特別是動態(tài)超表面，在外部控制信號下能對電磁波進行人為動態(tài)調控。目前已有的動態(tài)超表面大部分是可調超表面和可重構超表面?？烧{超表面的功能可以實現微調，但功能類似；可重構超表面能獲取顯著不同的功能，但功能數有限。為了實現很多個不同功能的實時調控與切換，崔鐵軍教授等人于2014年提出將數字編碼表征和現場可編程邏輯門陣列（FPGA）引入到動態(tài)超表面設計中，實現了現場可編程超表面?？删幊坛砻婵梢栽趩我黄脚_上實現很多種完全不同的功能，且功能可以按照編寫好的程序實時切換。然而，大部分已有可編程超表面只能在預先設計的特定極化電磁波照射下才能表現出可編程特性，在其它極化電磁波照射下其依然表現為靜態(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時調控，僅能提供一個有效的信息傳輸通道，因此只能在一個通道上串行處理多個任務，制約了并行處理多任務的能力。

為了提升超表面的信息處理效率和多任務處理能力，科研人員開發(fā)并設計實現了雙極化超表面，能在不同極化下表現出不同的電磁響應，進而能夠并行地提供兩個獨立的信息通道。相比于單極化超表面，雙極化超表面能實現較為復雜的功能，例如多通道信息處理、偏振分割多路復用以及雙極化口徑共享等。因此，基于雙極化超表面能實現更先進的功能器件。然而，目前已有的雙極化超表面是靜態(tài)或僅能微調，其功能無法被實時編程切換，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)中的應用。

為了解決上述難題，在該工作中研究人員設計了一款可對x極化和y極化電磁波獨立調控的雙可編程超表面。為了實現該雙編程超表面，研究人員首先精心設計了一種可獨立調控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計的金屬圖案，并在x方向和y方向上分別集成了兩個變容管，通過設計的兩條偏壓線可獨立調控x方向和y方向上變容管的容值，進而完成對x極化和y極化電磁波反射相位的獨立控制。為了獲得雙編程超表面并實現多個復雜電磁功能，研究人員用24x24個超表面單元進行組陣，該超表面陣列中包含48路獨立控制接口。為了實現單塊FPGA對包含多個獨立控制接口的雙可編程超表面進行有效控制，研究人員進一步設計并實現了擴展接口電路和直流電壓轉換電路。擴展接口電路主要由譯碼器和鎖存器構成，能將少量FPGA接口以指數方式大大擴展。電壓轉換電路主要由晶體管和電阻構成，能將FPGA輸出的電壓轉換到雙可編程超表面中變容管所需偏壓。因此，最終研制的雙可編程超表面平臺具有豐富的可編程性，能夠實現多個復雜電磁功能。作為實驗演示，研究人員在單個平臺上實驗驗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現大規(guī)模、高集成度的電磁器件和系統(tǒng)提供了技術新途徑，有望在基于波的邏輯運算平臺、高速掃描雷達和多通道空間光處理器等先進器件和系統(tǒng)中獲得應用。

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