智能电磁感知新框架构建出，为感知系统开辟了新思路

日前，北京大学李廉林教授团队和东南大学崔铁军教授团队将人工智能和人工材料有机结合，综合挖掘且充分利用二者在数据信息调控和电磁物理调控方面的强大能力，从而实施物理与数据的一体化调控，构建了智能电磁感知的新框架。该研究为开发高效率、低能耗、低成本的感知系统开辟了新思路。

面向智慧家庭应用的智能电磁感知原理示意图

电磁感知是什么？

电磁（EM）感测是一种广泛的非接触式检测技术，其应用领域包括医疗保健和物联网。大多数传统的传感系统缺乏智能，这不仅导致了昂贵的硬件和复杂的计算算法，同时也带来了实时的重大挑战。为了解决此缺点，我们提出了智能传感的概念。

电磁感知是智慧家庭与城市、安防检查和生物医学等领域的基础性、关键性和共性问题，是电子与信息领域的研究焦点，是世界各国角逐的颠覆性技术。然而，现有电磁感知在体制和算法两方面存在一系列挑战性难题，例如，成本高、效率低、精度差等，这些不足在一定程度上制约了其在未来5G/6G、人工智能时代的进一步发展。

具体来讲，现有感知体制（包括合成孔径体制，相控阵体制，孔径编码体制，等）无法兼顾系统硬件成本和数据获取效率，现有算法（包括信号处理算法，逆散射算法，等）无法兼顾算法复杂性和图像质量。

创新

技术上讲，电磁感知的核心是电磁物理和信息的调控；对应地，智能电磁感知的核心是对电磁物理和信息的自适应调控。受此启发，北京大学信息科学技术学院电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室李廉林研究员课题组与东南大学信息科学与工程学院崔铁军教授课题组等人组成研究团队，提出了智能电磁感知的新框架。

研究团队将人工智能和人工材料有机结合，综合挖掘利用了人工智能和人工材料在数据信息调控和电磁物理调控方面的强大能力，实现了物理与数据的一体化调控，构建了智能电磁感知的新框架。

研究团队研制了2.4GHz这一无线保真（Wi-Fi）频段的电磁感知系统原型，实现了兆赫兹帧率的高质量微波成像和高精度肢体语言识别。

电磁感知系统的设置和工作原理

如上图所示，智能传感系统由两个数据驱动的可学习模块组成：m-ANN驱动的数据采集模块和r-ANN驱动的数据处理模块。m-ANN对测量过程进行建模，该过程涉及一对喇叭天线和一个用微控制单元编程的编码超表面。天线1发射平面微波前缘，这些微波前缘由可编程的超颖表面定型，然后入射到场景上。感兴趣的对象散射的波被天线2接收。接收到的原始微波数据由r-ANN直接处理，从而产生所需的成像或识别结果。

该研究为开发高效率、低能耗、低成本的感知系统开辟了新思路。

在上述工作基础上，受邀撰写的论文《基于可学习数据获取和处理的智能电磁感知》（Intelligent Electromagnetic Sensing with Learnable Data Acquisition and Processing）于2020年4月10日在线发表于爱思维尔公司旗下细胞出版社（Cell Press）的学术期刊《模式》（Patterns）；第一作者是电子学系2018级硕士研究生李昊洋，李廉林为通讯作者。

相关研究：崔铁军团队成功研制双通道独立可编程超表面

近日，东南大学崔铁军院士研究团队和新加坡国立大学仇成伟教授合作，提出、设计并实验验证了一种具有强重构能力、双通道独立可编程超表面。该双可编程超表面具有独立控制接口，能够实时对x极化和y极化电磁波进行独立编程调控，从而可实现多个复杂和新奇的电磁功能。相比于以往的单极化可编程超表面，该双可编程超表面能并行提供两个相互独立的信息传输通道，进而大大提升可编程超表面的信息处理能力。

相关研究成果以“Polarization-controlled dual-programmable metasurfaces”为题发表在综合学术期刊《Advanced Science》上。论文通讯作者为东南大学蒋卫祥教授、崔铁军教授和新加坡国立大学仇成伟教授，第一作者为东南大学博士生张信歌。

极化控制的双可编程超表面及其功能示意图

超表面是由亚波长人工单元在二维平面内周期或非周期排布构成的超薄平台，在调控电磁波方面展现了强大的能力。特别是动态超表面，在外部控制信号下能对电磁波进行人为动态调控。目前已有的动态超表面大部分是可调超表面和可重构超表面。可调超表面的功能可以实现微调，但功能类似；可重构超表面能获取显著不同的功能，但功能数有限。为了实现很多个不同功能的实时调控与切换，崔铁军教授等人于2014年提出将数字编码表征和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）引入到动态超表面设计中，实现了现场可编程超表面。可编程超表面可以在单一平台上实现很多种完全不同的功能，且功能可以按照编写好的程序实时切换。然而，大部分已有可编程超表面只能在预先设计的特定极化电磁波照射下才能表现出可编程特性，在其它极化电磁波照射下其依然表现为静态特性。由于可编程超表面只能在单一极化电磁波照射下被实时调控，仅能提供一个有效的信息传输通道，因此只能在一个通道上串行处理多个任务，制约了并行处理多任务的能力。

为了提升超表面的信息处理效率和多任务处理能力，科研人员开发并设计实现了双极化超表面，能在不同极化下表现出不同的电磁响应，进而能够并行地提供两个独立的信息通道。相比于单极化超表面，双极化超表面能实现较为复杂的功能，例如多通道信息处理、偏振分割多路复用以及双极化口径共享等。因此，基于双极化超表面能实现更先进的功能器件。然而，目前已有的双极化超表面是静态或仅能微调，其功能无法被实时编程切换，这大大限制了双极化超表面的多功能性以及在超快切换、扫描系统中的应用。

为了解决上述难题，在该工作中研究人员设计了一款可对x极化和y极化电磁波独立调控的双可编程超表面。为了实现该双编程超表面，研究人员首先精心设计了一种可独立调控x极化和y极化电磁波反射相位的有源超表面单元。该有源超表面单元具有特殊设计的金属图案，并在x方向和y方向上分别集成了两个变容管，通过设计的两条偏压线可独立调控x方向和y方向上变容管的容值，进而完成对x极化和y极化电磁波反射相位的独立控制。为了获得双编程超表面并实现多个复杂电磁功能，研究人员用24x24个超表面单元进行组阵，该超表面阵列中包含48路独立控制接口。为了实现单块FPGA对包含多个独立控制接口的双可编程超表面进行有效控制，研究人员进一步设计并实现了扩展接口电路和直流电压转换电路。扩展接口电路主要由译码器和锁存器构成，能将少量FPGA接口以指数方式大大扩展。电压转换电路主要由晶体管和电阻构成，能将FPGA输出的电压转换到双可编程超表面中变容管所需偏压。因此，最终研制的双可编程超表面平台具有丰富的可编程性，能够实现多个复杂电磁功能。作为实验演示，研究人员在单个平台上实验验证了三种不同的电磁功能，分别是用于圆极化波自旋控制的异或逻辑运算、定频大角度双波束扫描和双极化口径共享。该双可编程超表面为实现大规模、高集成度的电磁器件和系统提供了技术新途径，有望在基于波的逻辑运算平台、高速扫描雷达和多通道空间光处理器等先进器件和系统中获得应用。

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