基于联合频率、极化和空间多样性宽带超表面的高速广角感知和成像
近日，南方科技大学张青峰教授团队以及香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室黄衡教授团队合作提出了基于联合频率、极化和空间多样性宽带超表面的高速广角感知和成像，实现了每秒100帧的感知和成像记录速度，研究成果以“High-Speed Wide-Angle Sensing and Imaging by Wideband Metasurfaces with Joint Frequency, Polarization, and Spatial Diversities”为题，于2024年4月16日发表于《Laser & Photonics Reviews》上。张青峰教授与黄衡教授为论文的共同通讯作者。
研究背景
智能无线技术的发展导致了在各种实体之间实现无缝连接的需求增加。高速感知和成像的整合被认为是未来无线通信系统和6G技术发展的关键因素。在智慧城市背景下，快速捕捉和处理信息对于推动先进应用和提升系统性能至关重要。传统的快速波束扫描和感知方法依赖于模拟到数字转换器、复杂的控制网络和相控阵上的有源元件，这些方法在更复杂的场景中面临着挑战，例如智慧城市中的自动出租车、服务机器人、无人机和智能物流。因此，研究简单快速的感知和成像设备对于推进智能无线网络至关重要。最近的技术进展集中在可重构超表面、相控阵和多波束MIMO系统上，以实现高速感知设备。然而，这些方法在高速检测方面存在局限性。本文引入了联合频率、极化和空间多样性的宽带超表面的概念，以克服这些局限性的解决方案。多样性超表面的宽带和多极化能力被强调为实现高速宽角度感知和成像的关键。将宽带各向异性超表面整合到感知和成像系统中的重要性被强调，因为它增强了这些系统的多样性，并能够同时实时捕捉和处理来自不同来源的信息。本文还讨论了高速感知和成像在智慧交通、监控系统和通信感知一体化系统中的潜在应用。本研究为引入具有联合频率、极化和空间多样性的微波至毫米波超表面作为高速宽角度感知和成像的新方法奠定了基础。
研究创新点
本文创新性地提出了覆盖微波和毫米波频段的宽带双偏振超表面单元，主要创新点在于其能够提供联合频率、极化和空间多样性，用于高速宽角度感知和成像。该双偏振超表面单元通过其无序原子排列，实现了对移动物体精确轨迹跟踪的宽角度感知。此外，经过色散工程调整的原子排列使得双偏振超表面单元能够实现宽角度穿墙成像，有效检测不同形状和位置的物体。通过将多样化的超表面单元集成到宽角度感知和成像系统中，双偏振超表面单元增强了系统的多功能性和适用性，能够同时实时捕捉和处理来自不同源的信息。这一超表面单元技术的突破有望显著推动智能无线网络的发展，尤其在6G及更高技术的背景下。
图1：覆盖微波以及毫米波频段的宽带双偏振超表面单元
另外本研究实现了实时高速度成像与慢动作回放能力，本文的技术展示了实时高速度宽角感知和成像的能力，每秒100帧。这使得能够捕捉到快速对象运动，并允许以0.3x速度进行慢动作回放，为动态场景提供了更精细的观测。这项功能是相比现有研究的一项重要创新，并且在某些快速雷达监控系统中具有很高的需求，如自动驾驶、运动分析和监控应用。
图2：快速感知以及穿墙成像结果，记录速度为100帧/秒
总结展望
这项研究为高速广角感知和成像提供了一种新方法，并为通信和雷达应用领域的未来发展方向提供了指引。通过利用宽带超表面和多样性控制，可以实现更快速、更精确的感知和成像。这一突破预计将揭示实时无线应用中的新模式，并扩展智能交通、全天候监视、透视无线和通信感知一体化等领域的可能性，特别是在6G和自动驾驶技术方面。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202400207