撰稿|由课题组供稿
近日，东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士团队蒋卫祥教授课题组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语音识别声控智能超表面，相关研究成果以“A Smart Metasurface for Electromagnetic Manipulation Based on Speech Recognition”为题，2023年1月26日在线发表于中国工程院院刊《Engineering》。东南大学为第一署名单位，东南大学蒋卫祥教授、崔铁军教授以及新加坡国立大学仇成伟教授为论文通讯作者，东南大学博士生柏林、刘元可为共同第一作者，其他合作者还包括蒋卫祥教授课题组的博士生徐亮、张政、王强。
超表面是一种由周期或非周期亚波长单元组成的二维人工结构。近十年来，超表面因其强大的控制电磁波的能力而受到广泛关注。然而，对于无源超表面，一旦加工完成，其功能是不可改变的。有源超表面可以实现对电磁波频率、幅度、相位、极化等参数的动态调控，为超表面的设计提供了新的自由度。为了实现更多不同功能的实时调控与切换，崔铁军教授等人于2014年创造性地提出了数字编码和可编程超表面。通过对“0”和“1”的编码序列进行设计，可编程超表面能够实现更先进、更实用功能。
最近，科研工作者们尝试通过利用电、光、温度和机械方法来调控数字和可编程超表面。但上述这些控制方式需要人为手动操作来实现对超表面状态的实时控制。因此，找到一种无需人为操作就可实现对超表面远程、非接触式的新型调控方式，是目前面临的一大挑战和亟待解决的问题。信息技术的快速发展促进了多学科的融合，已有相关文献将视觉和运动与超表面的控制相结合。作为人类的五感之一，听觉也有传递信息的能力。声控是一种全新的有源超表面调控方式，目前还有没有相关研究出现。语音控制具有调制速度快、可实时控制、可编程性好、成本低等优点。将语音识别模块集成到可编程超表面，可以把语音信号与电磁信号连接到一起，有望在未来智能通信、人机交互、智慧城市等领域获得应用。
为了解决上述问题，研究人员提出、设计并制备了一种基于语音识别的声控电磁超表面平台，它可以根据不同的语音指令对超表面的反射波束进行灵活调控。该超表面平台由可编程超表面、数模转换器（digital-to-analog converter，DAC）、单片机和语音识别模块组成。研究人员首先设计了一个2比特可编程超表面，通过改变加载在变容二极管两端的偏置电压，有源数字编码单元的反射状态可以动态调节。一个超级子单元中的所有有源数字单元共享同一个反向偏置电压，并且每个超级子单元的偏置电压都是可以独立控制的。语音控制系统与可编程超表面相连，它可以识别语音指令并生成相应的偏置电压序列，进而控制可编程超表面的反射状态。当人们发出语音指令时，语音识别模块对该命令进行识别，并将对应的串口数据发送到单片机。单片机将接收到的串口数据转换成指定格式并发送给DAC。DAC根据接收到的数据生成预先设计的电压序列，每一个电压输出通道对应控制一个超级子单元。经过上述一系列过程，便可实现语音指令来操控电磁波束。
语音识别声控智能超表面平台示意图
作为代表性功能验证，研究人员分别设计了雷达散射截面积缩减、涡旋波束、波束分裂等多种功能，同时引入遗传算法辅助超表面的相位分布设计。实验结果与仿真结果吻合良好，证明了该设计的有效性和可行性。与以往可编程超表面的研究工作相比，该工作设计的语音识别声控超表面为超表面调控提供了一种全新方式。语音控制的手段不仅可以通过非人为接触的方式实现大量不同功能的实时切换，还能在电磁通信和声学通信之间架起连接桥梁。借助于优化算法，有利于可编程超表面与软件控制系统相结合，并进一步拓展到自适应超表面或其他应用场景，促进智能超表面的快速发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.06.026
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