Newswise — Беспроводное зондирование и связь стали неотъемлемыми компонентами современной жизни. Среди них ключевая технология оценки направления прибытия (DOA), которая использует методы обработки сигналов массива для измерения углового направления радиочастотных сигналов, широко применяется как в гражданской, так и в военной сфере. Традиционные методы оценки DOA, такие как алгоритм классификации множественных сигналов (MUSIC), требуют значительного количества радиочастотных схем для приема многоканальных сигналов, выполнения преобразования с понижением частоты и высокоскоростной выборки, а затем проведения цифровой обработки сигналов. Высокая сложность аппаратного обеспечения и алгоритмов, а также большие объемы данных значительно увеличивают задержку, энергопотребление и стоимость традиционных систем обработки сигналов. Следовательно, существует острая необходимость в разработке новых вычислительных парадигм, которые могут заменить электронные процессоры и более эффективно обрабатывать радиочастотные сигналы, обеспечивая низкую задержку, высокую производительность и экономичность оценки DOA.

Как новая парадигма вычислений, оптические вычисления обладают огромными преимуществами с точки зрения скорости вычислений, пропускной способности и энергоэффективности, предлагая прорыв в преодолении узкого места энергоэффективности архитектуры фон Неймана. Для непосредственной обработки радиочастотных сигналов были созданы дифракционные нейронные сети для крупномасштабных пространственных оптических вычислений. Эти сети модулируют электромагнитные волны со скоростью света и обрабатывают информацию, которую они несут, позволяя выполнять такие задачи, как распознавание объектов и беспроводное кодирование/декодирование. Однако угловое разрешение существующих дифракционных нейронных сетей по-прежнему ограничено дифракционным пределом, и их применение в передовых задачах беспроводного зондирования еще предстоит изучить. Кроме того, не хватает возможностей определения угла и вычислительных возможностей использования реконфигурируемых интеллектуальных поверхностей (RIS) для модуляции пространственных электромагнитных волн и создания систем связи следующего поколения.

В новой статье (doi: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01511-4), опубликованной в Световая наука и приложения группа ученых под руководством профессора Син Линя из факультета электронной инженерии Университета Цинхуа, Китай, и его коллеги разработали дифракционную нейронную сеть сверхвысокого разрешения (S-DNN) для полностью оптической оценки DOA на широкой частоте. диапазон, достигая углового разрешения, превосходящего дифракционный предел Рэлея. Путем непосредственной обработки пространственных электромагнитных (ЭМ) волн S-DNN позволяет оценивать DOA со скоростью света без необходимости использования традиционных радиочастотных схем, АЦП или цифровой обработки сигналов. Более того, S-DNN обеспечивает более высокое угловое разрешение и более надежные результаты оценки относительно входного шума по сравнению с алгоритмом MUSIC, требующим только одного снимка. Исследователи также применили возможности оценки DOA S-DNN для предоставления информации об угле пользователя для RIS, что обеспечивает интегрированное зондирование и связь с малой задержкой и низким энергопотреблением.

Ученые резюмировали принцип работы S-DNN следующим образом: поскольку фазовые распределения электромагнитных волн, излучаемых целевыми источниками под разными углами, различаются в плоскости дальнего поля, S-DNN определяет угол цели, определяя распределение фазы ЭМ поле. Для достижения точной модуляции электромагнитных волн S-DNN состоит из нескольких каскадных слоев дифракционной модуляции. Путем установки 10 областей обнаружения в выходной плоскости, каждая из которых соответствует падающему угловому интервалу, при входе ЭМ волн угловой интервал целевого источника определяется путем сравнения интенсивностей ЭМ поля 10 областей обнаружения и определения максимального значения.

Угловое разрешение является важнейшим показателем для систем радиопеленгации, отражающим их способность различать сигналы, падающие под двумя близко расположенными углами. Однако из-за ограничения апертуры антенны угловое разрешение существующих систем было трудно превзойти дифракционный предел Рэлея. Исследователи оптимизировали и изготовили четырехслойную пассивную S-DNN на основе глубокого обучения, добившись оценки DOA сверхвысокого разрешения с угловым разрешением 1 °, что в четыре раза выше, чем разрешение, ограниченное дифракцией. Пространство дизайна с высокой степенью свободы с множеством метаповерхностей и крупномасштабными метаатомами дифракционной модуляции позволяет S-DNN генерировать суперколебательные угловые отклики в пределах локальных угловых интервалов, тем самым достигая оценки DOA за пределами дифракционного предела. С точки зрения сдвига спектра, возможности точной модуляции S-DNN могут смещать редкие спектральные компоненты за пределы диапазона частот, ограниченного дифракцией, в диапазон частот, ограниченный дифракцией. В ходе испытаний S-DNN достигла точности 99% как в одноцелевой, так и в одноцелевой области. двухцелевые задачи оценки DOA.

Из-за растущей сложности реальной электромагнитной среды источники когерентных сигналов, попадающие в радиопеленгационные системы, а также постоянно расширяющиеся диапазоны частот сигналов создают проблемы. Традиционные узкополосные алгоритмы MUSIC не способны обеспечить широкополосную оценку DOA для когерентных целевых источников. Чтобы решить эти проблемы, исследователи предложили метод широкополосного обучения, основанный на глубоком обучении, который значительно повышает антидисперсионные возможности S-DNN и позволяет ему достигать широкополосной оценки DOA со сверхвысоким разрешением для нескольких когерентных целевых источников. С помощью этого метода обучения была оптимизирована и изготовлена ​​трехслойная S-DNN, позволяющая получить оценку DOA сверхвысокого разрешения с угловым разрешением 3° в диапазоне частот от 25 до 30 ГГц. Для дальнейшей проверки эффективности S-DNN исследователи провели полноволновое моделирование обученной модели с использованием программного обеспечения для моделирования электромагнитного поля CST, а затем провели экспериментальные измерения на изготовленной S-DNN.

Являясь ключевой технологией в эпоху 6G, RIS не имеет сенсорных и вычислительных возможностей, что затрудняет ее крупномасштабное развертывание из-за ее зависимости от управления базовой станцией. Тем не менее, S-DNN предлагает потенциал для замены базовых станций в обеспечении оценки DOA со скоростью света для нескольких мобильных пользователей, предоставляя важную предварительную информацию для последующих процессов беспроводной связи. В этом исследовании предлагается использовать возможности широкополосного определения угла S-DNN, чтобы позволить RIS автономно воспринимать электромагнитную среду независимо от базовой станции, облегчая каналы связи в реальном времени между базовыми станциями и пользователями высокоскоростной мобильной связи. Исследователи разработали отражающую жидкокристаллическую систему RIS с точностью фазовой модуляции до 5 бит на метаатом, позволяющую формировать луч и реализовать реконфигурируемую S-DNN. Первоначально пассивная S-DNN принимает электромагнитные волны от базовых станций и мобильных пользователей, оценивая углы нескольких целей с минимальной задержкой. На основе результатов оценки S-DNN FPGA генерирует управляющие напряжения и настраивает RIS для отражения электромагнитных волн от базовой станции к пользователям, обеспечивая отслеживание формирования луча. В ходе эксперимента средний прирост амплитуды обнаружения на стороне пользователя составил 17,9 дБ, что продемонстрировало эффективность предлагаемой интегрированной системы связи и зондирования.

Таким образом, эта исследовательская работа демонстрирует значительный потенциал полностью оптических вычислений в преодолении физических ограничений сенсорных систем. Благодаря использованию оптической вычислительной архитектуры S-DNN задержка полностью оптического обнаружения DOA снижается более чем на 2–4 порядка по сравнению с наиболее совершенными радиочастотными пеленгаторами, что делает его идеальным выбором для автономного вождения и высокопроизводительных измерений. скоростное железнодорожное сообщение. Более того, S-DNN, оснащенная мощными передатчиками, перспективна для применения в радиолокационном обнаружении и сопровождении целей, а также в спутниковой навигации и позиционировании.

###

Ссылки

DOI

10.1038/s41377-024-01511-4

Исходный URL-адрес источника

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01511-4

Информация о финансировании

Эта работа поддерживается Национальным фондом естественных наук Китая (№ 62275139).

О Свет: наука и приложения

Свет: наука и приложения в первую очередь будет публиковать новые результаты исследований по новейшим и новым темам оптики и фотоники, а также освещать традиционные темы оптической техники. В журнале будут публиковаться оригинальные статьи и обзоры, которые отличаются высоким качеством, вызывают большой интерес и имеют далеко идущие последствия.