眼动驱动的极化捷变-波束可编程超表面

一、研究背景

随着AR/XR等沉浸式技术的发展，用户对实时、高带宽通信的需求激增。眼动追踪技术，作为一种能够实时、精确测量用户视觉注视点的非侵入式技术，已被广泛应用于心理学、医学和人机交互领域。它能够反映用户的行为意图和心理状态。将眼动追踪与超表面通信系统结合，能够实现用户意图驱动的智能通信，尤其是在AR/XR环境下，能无缝地将用户的视觉焦点与电磁信号的传输焦点进行匹配，极大地提升用户体验。伴随着控制正交极化捷变的控制能力，可以更好地支持干扰环境，匹配最优极化方向。

二、研究进展

本工作的核心在于构建一个闭环控制系统，如图1所示。首先，用户佩戴集成了眼动追踪传感器的AR眼镜，该传感器实时捕捉用户的眼球运动，精确识别出其注视点在三维空间中的坐标。这些坐标数据被实时传输到中央处理器。中央处理器根据注视点的位置、超表面的位置以及通信需求，利用近场聚焦理论计算出实现目标聚焦所需的理想相位分布。随后，这些相位信息被转化为二进制控制代码，通过Arduino微控制器发送给超表面的每个可编程单元。每个单元内的PIN二极管根据接收到的代码切换其导通状态，从而实时调整该单元的电磁响应（反射相位和极化特性），最终实现整个超表面阵列的目标波束聚焦和极化配置。

极化捷变阵列可以支持将入射的波转化为同极化或者交叉极化的电磁波，同时，通过调整结构带来四种状态的90度相位差也为圆极化的合成提供了窗口，如图2所示。

如图3所示，该超表面在近场聚焦的测试中都与仿真保持一致的效果，在水平极化和垂直极化都将能量聚焦在指定的位置。

当目标信号增强位置相对较远时，可采用单波束平面波自适应调控方法。理论上，该方法可实现半球空间内任意角度的波束覆盖。图4中对0度-60度的几个特定角度的波束进行了仿真与测试。

眼动追踪技术通常采用瞳孔角膜反射 (PCR) 方法，该方法通过发射红外光并处理被红外光照亮的眼睛图像来定位注视点。在本研究中，使用了Tobii Pro Glasses 3来收集用户的眼球运动数据，如图5所示。

我们构建了一个基于软件定义无线电（SDR）的通信系统，该系统能够实现实时视频信号的QPSK调制和传输，如图6所示。

三、未来展望

眼动超表面系统是下一代智能无线通信（6G及以后）的关键使能技术。它通过精准的三维近场聚焦和动态极化调控，实现了全维度覆盖、高可靠性、低延迟的通信，解决了室内高密度环境下的覆盖难题，为海量物联网设备提供了更智能、更灵活的连接。

系统能无缝匹配用户视觉焦点与通信信号，精准导向目标，极大地提升了沉浸式体验（AR/XR）的流畅度，成为下一代人机交互不可或缺的技术。超表面在智能无人化的过程中，也应密切服务人类，将难以被自动化替代的领域或者需要与人类进行交互的领域，也会出现类似的智能算法，将超表面系统与交互器件链接起来，发挥出巨大的作用。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1225