近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系邹卫文教授团队针对射频感知应用设计研发了光子学时空特征提取芯片，能够直接将天线接收的射频原域信号转化为稀疏的特征信息，降低后端数据率的同时实现了准确目标识别，为超宽带射频信号处理提供了全新技术手段。相关成果以“Analog spatiotemporal feature extraction for cognitive radio-frequency sensing with integrated photonics”（面向认知射频感知的光子学模拟时空特征提取）”为题发表在《Light: Science & Applications》上。
研究背景
在雷达、机器视觉、医学影像等智能感知领域，用于决策的关键信息往往呈现出高度的稀疏性。例如，记录单音节波形需要数千个采样点，但其中仅包含若干比特有用信息。若能直接在信号接收的模拟链路中完成关键特征信息的提取，则可以大幅降低模数转换速率需求、降低数据的冗余度、降低数据处理的内存与算力开销。因此，模拟特征提取（AFE）策略在智能感知领域受到广泛的关注。然而，在射频感知领域，通常需要若干GHz的超宽带信号才能实现目标细节的有效分辨，在现有射频电路带宽与可重构性限制下，在射频感知领域应用AFE策略面临着巨大挑战。
创新成果
图1 光域构建的卷积神经网络示意图
针对这一问题，本文提出采用集成光子学方法来突破带宽与可编程性瓶颈的创新思想。天线接收的射频信号直接加载到光芯片上，在光域构建出多层卷积神经网络（如图1）对输入的射频信号进行时空域卷积处理，以提取信号的有效特征。根据以上架构，文章设计实现光子学时空特征提取芯片（如图2），并针对性提出了一种卷积核参数训练方法，成功演示了瞬时带宽为4GHz的雷达目标识别任务。
图2 光子时空特征提取芯片照片
实验结果表明，光子学时空特征提取芯片成功实现了射频信号的原域特征提取，将后端模数转换数据率降低4倍的情况下，仍达到了97.5%的目标识别准确率。通过t分布统计紧邻嵌入（t-SNE）分析方法对特征提取进行了可视化评估，结果表明光子学时空特征提取芯片将目标可识别性显著提升（如图3）。此外，文章对比了时空特征提取与单一维度特征提取的性能差异，结果表明，时空特征提取的识别准确度比单一维度特征提取高出6%，相比无特征提取高出7.7%，反映了光子学时空特征提取芯片可以有效获取有用信息，分辨不同目标的特征差异性，为超宽带射频信号处理提供了全新的技术手段。
图3 光子特征提取效果的可视化分析
论文信息
上海交大电院电子工程系长聘教轨助理教授徐绍夫为论文第一作者，邹卫文教授为通讯作者，助理研究员王静、博士研究生易思成、硕士研究生刘滨硕参与论文研究工作。该工作得到国家自然科学基金等项目资助。
从左到右依次为徐绍夫、刘滨硕、易思成、王静、邹卫文
邹卫文教授领衔的智能微波光波融合创新中心（imLic）致力于发展先进的光电宽带信号数字化、光子计算、光子集成等技术，推动宽带化、数字化、智能化的电子信息系统跨越式发展，近年来在Nature Communications、Light: Science & Applications、Photonics Research等国际期刊上发表一系列高水平论文。
期刊信息
《Light: Science & Applications》旨在推进光学和光子学各方面的研究，包括基础、应用和工程研究。该期刊主要发表光学和光子学领域前沿和新兴课题的最新研究成果，同时也涵盖光学工程领域的传统课题，2022年影响因子19.4。
