中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
超構(gòu)表面（metasurface）在調(diào)控電磁（EM）波方面表現(xiàn)出前所未有的自由度，從而為智能系統(tǒng)提供了出色的前端接口。
近日，第四軍醫(yī)大學(xué)、中國人民解放軍空軍工程大學(xué)、東南大學(xué)、蘇州國家實驗室航空航天超構(gòu)材料實驗室、新加坡國立大學(xué)（National University of Singapore）、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Vision-driven metasurfaces for perception enhancement”的論文，提出了一種基于視覺驅(qū)動超構(gòu)表面的感知增強架構(gòu)。人類的眼球運動與微波輻射相匹配，從而擴展了人類的感知譜。通過這種方式，人們的眼睛可以“感知”視覺信息和不可見的微波信息。
上述科研團隊給出了一些具體實施的實驗演示，包括生理信號監(jiān)測系統(tǒng)、“X射線眼鏡”系統(tǒng)、“一瞥即忘”追蹤系統(tǒng)和聾人語音接收系統(tǒng)。模擬和實驗結(jié)果均驗證了其在感知增強效果和提高信息獲取效率方面具有明顯的優(yōu)勢。該架構(gòu)可輕松集成到醫(yī)療保健系統(tǒng)中，用于監(jiān)測生理信號并為殘疾人士提供幫助。這項工作為感知增強提供了一種替代架構(gòu)，并有望在醫(yī)療保健、可穿戴設(shè)備、搜索和救援等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
感知增強系統(tǒng)的架構(gòu)
研究人員通過多種手段的組合提出了一種智能超構(gòu)表面系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1a所示。眼球追蹤眼鏡是一種可穿戴解決方案，用于捕獲認知負荷和觀看行為的客觀測量數(shù)據(jù)，非常適合以所需的空間和時間分辨率提供可靠的眼球運動數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶佩戴眼球追蹤器并運行程序時，可以提取相關(guān)的眼球運動數(shù)據(jù)，包括凝視點、眼球掃視、眨眼等。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)處理程序可對眼球運動原始數(shù)據(jù)進行處理。通過對感興趣區(qū)域（AOI）和受試者狀態(tài)（例如注意力）的分析，識別出需要追蹤或感知增強的區(qū)域，從而為可編程超構(gòu)表面的調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。
可編程超構(gòu)表面伴隨著數(shù)字編碼特征，其中電磁響應(yīng)由數(shù)字編碼序列調(diào)控。借助現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）模塊，當(dāng)施加在二極管上的電壓變化時，數(shù)字編碼序列也會相應(yīng)改變，從而調(diào)整輻射角度。因此，根據(jù)AOI和受試者的狀態(tài)，算法可以自行確定超構(gòu)表面的反應(yīng)，并指示FPGA改變可編程超構(gòu)表面配置，然后確定數(shù)字編碼序列。通過這種方式，研究人員可以調(diào)整可編程超構(gòu)表面的不同功能，以實現(xiàn)良好的定向輻射波束形狀和其它智能功能。此外，通過透明介質(zhì)襯底和金屬網(wǎng)格模式，所提出的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)較高的可見光透射率。它使超構(gòu)表面能夠集成多個頻段的信息，以及實現(xiàn)眼睛（可見光）和超構(gòu)表面（微波）的整合。
眼球運動的自主光束調(diào)控
研究人員提出了一種基于眼球運動的輻射波束調(diào)控方案，即使用眼球追蹤器使照射電磁波的方向隨著眼球運動而變化。這種方法實現(xiàn)了自主、靈活的波束調(diào)控，為微波探測奠定了基礎(chǔ)。
在這項研究工作中，研究人員設(shè)計了一種輻射型可編程超構(gòu)表面。設(shè)計的超構(gòu)表面由16 × 16個單元構(gòu)成，總面積為240 mm × 240 mm。
圖1 基于視覺驅(qū)動的超構(gòu)表面及其電磁特性的感知增強系統(tǒng)
為了全面掌握單元的輻射光譜，研究人員使用CST Microwave Studio模擬了單元在正電壓和負電壓下的輻射相位，如圖1b所示。圖1c-1g展示了使用不同編碼序列在代表性掃描角度下的實驗遠場輻射圖。從上述圖中可以觀察到，形狀良好的定向輻射波束以非常高的指向穩(wěn)定性被激發(fā)，并且超構(gòu)表面具有將電磁輻射擴展到二維空間的能力。
接下來，研究人員將眼球運動過程與超構(gòu)表面相結(jié)合，實現(xiàn)自主電磁波束調(diào)控。在實驗中，他們研究了眼球在一段時間內(nèi)注視不同位置的目標(biāo)的場景。
圖2 不同編碼模式下的凝視點、眼球圖像和測得的超構(gòu)表面遠場輻射光譜
實驗結(jié)果如圖2所示，圖中說明了上半部分空間中的凝視點和眼球圖像與下半部分空間的遠場散射模式測量值之間的關(guān)系。圖2a-2e分別對應(yīng)于圖1c-1g。利用這種調(diào)控方法，研究人員成功地將視場與超構(gòu)表面微波輻射結(jié)合起來，彌補了視覺感知的局限性，為微波探測奠定了基礎(chǔ)。
“X射線眼鏡”：可視多目標(biāo)呼吸、心跳檢測
為了提高人類的感知能力，研究人員提出了一種高效、智能的感知增強途徑——X射線眼鏡，其通過超構(gòu)表面將視覺信息與人體生理信息關(guān)聯(lián)起來。該實驗是對自由空間中多個人類目標(biāo)的呼吸和心跳信號進行檢測。觀察者不僅感知到目標(biāo)的視覺圖像，還能感知到其不可見的生理信號，例如呼吸和心跳。
圖3 兩位坐在（-28°，28°）位置的受試者的呼吸和心跳信號檢測
兩名受試者的呼吸和心跳檢測實驗結(jié)果如圖3所示。實驗結(jié)果表明，兩名受試者的呼吸和心跳周期與參考信號匹配良好。此外，通過眼球運動改變電磁波的方向，可以在物理層面上很好地分離不同方位角的不同受試者的呼吸和心跳信號。
“X射線眼鏡”：木板障礙物后面的人體位置和運動檢測
該實驗是對障礙物后面的人類受試者進行位置和運動檢測。該方法不僅可以檢測隱藏人員的準(zhǔn)確方位，還可以檢測其運動模式。
如圖4a-4c所示，在方位角28°處檢測到了明顯的呼吸信號，這表明該方向存在人類受試者。實驗結(jié)果表明，超構(gòu)表面測量到的呼吸信號與使用接觸式呼吸帶獲得的呼吸信號高度吻合。另外兩個方位角則沒有檢測到呼吸，這與實際的實驗設(shè)置相符。圖4d-4f顯示在所有三個方向上均檢測到呼吸信號，這意味著在所有三個方向上都能定位人類受試者。上述結(jié)果驗證了人體位置檢測方法的有效性。
研究人員以方位角為28°的人類目標(biāo)為例，驗證其運動檢測性能。圖4g–4j顯示了所獲得的四種平板后人體運動的微多普勒特征。
與呼吸檢測一樣，當(dāng)檢測特定方位角的人類運動時，超構(gòu)表面發(fā)射的窄波束可以排除來自檢測空間中其他位置的干擾，這使其能夠在多個人類目標(biāo)（運動中）共存的真實檢測場景中魯棒地運行。通過這種方式，人體的位置和運動可以在觀察者無法直接看到的情況下進行檢測，即觀察者擁有一副X射線眼鏡。
圖4 平板障礙物后人類受試者的位置和運動檢測
最后，研究人員還演示了“一瞥即忘”超構(gòu)表面智能目標(biāo)追蹤系統(tǒng)、聾人無障礙語音采集和增強系統(tǒng)。
綜上所述，這項研究提出了基于視覺驅(qū)動的超構(gòu)表面概念，并在此基礎(chǔ)上提出了一種感知增強的架構(gòu)。通過將眼球追蹤器和可編程超構(gòu)表面相結(jié)合，建立了一種從受試者意識到超構(gòu)表面模式的新型調(diào)控方式。研究人員提出了一種用于調(diào)整輻射光束的智能超構(gòu)表面以闡明上述概念。所提出的智能超構(gòu)表面平臺嵌入了人類視覺感知，能夠有效地響應(yīng)不斷變化的AOI和受試者狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，研究人員演示了具有不同功能的典型方案，包括生理指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)、X射線眼鏡系統(tǒng)、“一瞥即忘”追蹤系統(tǒng)和面向聾人的醫(yī)療保健系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)方法相比，該平臺融合了信號處理、計算機視覺、電磁等技術(shù)手段。智能平臺引入超構(gòu)表面使人類具有更強的信息獲取、處理和感知能力。對光學(xué)、微波等多波段信息的感知彌補了人類視覺在被遮擋情況下的不足。該方法可以幫助人類識別感興趣的目標(biāo)并輔助目標(biāo)追蹤。此外，通過利用人類的視覺感知和判斷能力，所提出的方法使超構(gòu)表面及其智能平臺具有更多的自由度和更先進的功能，為超構(gòu)表面提供了新的定義，并為認知和智能超構(gòu)表面的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
