[论文解读] How Do Space-Time Digital Metasurfaces Serve to Perform Analog Signal Processing?

Hamid Rajabalipanah, Ali Abdolali+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用 6

一句话总结

本文首次通过实验展示了用于模拟信号处理的时空数字超表面，利用时空编码实现了对空间频率和谐波频率下振幅与相位的实时独立控制。该系统可编程地实现微分、积分及积分微分方程等数学运算，并在边缘检测与宽带信号处理中成功验证了概念可行性。

ABSTRACT

In the quest to realize analog signal processing using sub-wavelength metasurfaces, in this paper, we demonstrate the first experimental demonstration of programmable time-modulated metasurface processors based on the key properties of spatial Fourier transformation. Exploiting space-time coding strategy enables local, independent, and real-time engineering of not only amplitude but also phase profile of the contributing reflective digital meta-atoms at both central and harmonic frequencies. Several illustrative examples are demonstrated to show that the proposed multifunctional calculus metasurface is capable of implementing a large class of useful mathematical operators, including 1st- and 2nd-order spatial differentiation, 1st-order spatial integration, and integro-differential equation solving accompanied by frequency conversions. Unlike the recent proposals, the designed time-modulated signal processor effectively operates for input signals containing wide spatial frequency bandwidths with an acceptable gain level. Proof-of-principle simulations are also reported along with the successful realization of image processing functions like edge detection. This time-varying wave-based computing system can set the direction for future developments of programmable metasurfaces with highly promising applications in ultrafast equation solving, real-time and continuous signal processing, and imaging.

研究动机与目标

• 开发一种基于时变调制超表面的可重构、实时模拟信号处理器。
• 克服先前超表面在处理宽空间频率带宽时增益不足的局限性。
• 实现微分、积分及积分微分方程等数学运算的可编程实现。
• 通过基于波的计算技术，演示图像处理（如边缘检测）等实际应用。

提出的方法

• 采用时空编码策略，对数字超原子在基频和各谐频下的振幅与相位实现独立控制。
• 利用超表面的空间傅里叶变换特性，将输入的空间频率内容映射为输出的信号变换。
• 设计一种具有时变响应的可编程超表面，实现无需数字转换的实时连续信号处理。
• 实现信号处理过程中的频率转换，支持多功能操作。
• 通过概念验证仿真与图像处理功能的实验实现，验证设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计时空数字超表面，以实现具有实时可重构能力的模拟信号处理？
• RQ2 时空编码在实现多频段下振幅与相位独立控制中起到何种作用？
• RQ3 此类超表面能否在保持可接受增益水平的前提下，有效处理具有宽空间频率带宽的信号？
• RQ4 这些超表面如何在空间域中实现微分与积分等数学运算？
• RQ5 该系统能否在图像处理任务（如边缘检测）中实现实际应用？

主要发现

• 所提出的超表面成功实现了对一阶与二阶空间微分、以及一阶空间积分的实时可编程实现。
• 系统在宽空间频率带宽范围内实现了有效的信号处理，且增益水平可接受，克服了以往静态或带宽受限设计的局限性。
• 概念验证仿真证实，可通过基于波的模拟计算在输入图像上实现边缘检测。
• 超表面在处理过程中实现了频率转换，通过时间调制支持多功能操作。
• 实验结果验证了理论框架，证明了利用时变调制超表面进行模拟计算的可行性。