基于深度神经网络的可编程超表面智能波束形成

李商洋 符士磊 徐丰

李商洋, 符士磊, 徐丰. 基于深度神经网络的可编程超表面智能波束形成[J]. 雷达学报, 2021, 10(2): 259–266. doi: 10.12000/JR21039
引用本文: 李商洋, 符士磊, 徐丰. 基于深度神经网络的可编程超表面智能波束形成[J]. 雷达学报, 2021, 10(2): 259–266. doi: 10.12000/JR21039
LI Shangyang, FU Shilei, and XU Feng. DNN-based intelligent beamforming on a programmable metasurface[J]. Journal of Radars, 2021, 10(2): 259–266. doi: 10.12000/JR21039
Citation: LI Shangyang, FU Shilei, and XU Feng. DNN-based intelligent beamforming on a programmable metasurface[J]. Journal of Radars, 2021, 10(2): 259–266. doi: 10.12000/JR21039

基于深度神经网络的可编程超表面智能波束形成

doi: 10.12000/JR21039
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFA0700203)
详细信息
    作者简介:

    李商洋(1993–),男,安徽人,复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室博士研究生,研究方向为天线理论和设计、可编程超表面、深度学习在电磁领域的应用

    符士磊(1995–),男,江苏人,复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室博士研究生,研究方向为SAR图像解译、深度学习

    徐 丰(1982–),男,浙江人,复旦大学信息科学与工程学院教授,电磁波信息科学教育部重点实验室副主任,研究方向为电磁散射建模、SAR图像解译

    通讯作者:

    徐丰 fengxu@fudan.edu.cn

  • 责任主编:张安学 Corresponding Editor: ZHANG Anxue
  • 中图分类号: TN95

DNN-based Intelligent Beamforming on a Programmable Metasurface

Funds: The National Key Research and Development Program of China (2017YFA0700203)
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  • 摘要: 通过在超表面单元上加载二极管等有源器件,可编程超表面可实现对电磁波的实时灵活调控。通常利用全波仿真软件计算可编程超表面的辐射场,但该方法需要消耗大量的时间,因而降低了设计效率。为了实现准确高效求解给定编码序列计算辐射场,该文首先设计了辐射场自动测试系统,利用该测试系统实测了少量的编码和辐射场数据,其后提出了一个正向深度神经网络,基于实测的数据训练该神经网络,最终实现了给定编码准确高效预测辐射场。对于给定辐射场求解编码的逆问题,该文提出了一个逆向深度神经网络。基于正向网络生成的数据训练所提出的逆向网络,最终实现了给定辐射场实时准确求解编码。该文所提出的方法为雷达波束形成提供了一种新可选方案,在雷达智能波束形成、微波成像等领域有一定的应用价值。

     

  • 图  1  基于文献[4]提出的可编程超表面

    Figure  1.  The proposed metasurface based on Ref. [4]

    图  2  不同状态下单元散射参数

    Figure  2.  Scattering parameters of the element

    图  3  不同编码下超表面方向图

    Figure  3.  Radiation patterns under different codes

    图  4  自动测试系统

    Figure  4.  Auto-measuring system

    图  5  仿真结果、实测结果、自动测试结果对比

    Figure  5.  Comparison results of simulated results, measured results and auto-measuring results

    图  6  全连接网络结构

    Figure  6.  Structure of the fully connected network

    图  7  训练和验证均方根误差

    Figure  7.  RMSE of training and validation

    图  8  归一化方向图神经网络预测值和真值对比结果

    Figure  8.  Comparison results of normalized pattern of prediction results and true value

    图  9  逆向映射网络结构

    Figure  9.  Structure of the reverse mapping network

    图  10  训练和验证均方根误差

    Figure  10.  RMSE of the training and validation results

    图  11  合成值和真值对比

    Figure  11.  Comparison results of prediction results and true value

    表  1  超表面相关参数(mm)

    Table  1.   Parameters of the metasurface (mm)

    L1L2L3W1offsetdWfeedLg1Lg2Lg3
    32.19532.113461.653.76.36
    Lg4Wg1Wg2Ls1Ls2Ws1TDh1h2
    0.81.652.0553.20.30.80.41.5240.508
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    表  2  单波束编码

    Table  2.   Codes for single beams

    编码号编码序列主瓣指向波束宽度
    Code 10101010101010101–28°13.5°
    Code 2100100100100100113°10.0°
    Code 3100110011001100131°8.5°
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    表  3  多波束编码

    Table  3.   Codes for multi-beam

    编码号编码序列波束个数
    Code 400010001000100012
    Code 500001000010000103
    Code 600000100000100004
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    表  4  计算编码准确率

    Table  4.   Accuracy for calculated codes

    ${ {\rm{{A}{c}{c}}}{u} }_{ {\rm{{m}{e}{a}{n}}} }$${ {\rm{{A}{c}{c}}}{u} }_{0-{\rm{{b}{i}{t}}} }$${ {\rm {{A}{c}{c}}}{u} }_{1-{\rm{{b}{i}{t}}} }$${ {\rm {{A}{c}{c}}}{u} }_{2-{\rm {{b}{i}{t}}} }$${ {\rm {{A}{c}{c}}}{u} }_{3+{\rm{{b}{i}{t}}} }$
    99.09%90.25%6.56%2.12%1.07%
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-26
  • 修回日期:  2021-04-26
  • 网络出版日期:  2021-04-28

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