本發(fā)明涉及信號處理，尤其涉及一種面向電磁信號處理的微波光子神經(jīng)元卷積加速裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)、視頻通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等新興技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模推廣應(yīng)用，電磁頻譜資源的利用在各種領(lǐng)域變得十分重要。雖然國際電信聯(lián)盟（itu）對頻段用途進(jìn)行了劃分，但不同業(yè)務(wù)之間的電磁干擾或非法使用，仍有可能對重要的電磁系統(tǒng)造成損傷。另外，隨著上述新興技術(shù)發(fā)展，對信號帶寬、大規(guī)模信號實時處理的要求也越來越高。因此，高性能的電磁信號接收處理設(shè)備，對電磁頻譜資源的感知和監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)微波/數(shù)字信號體制的電磁信號接收處理設(shè)備，通常受限于數(shù)字信號處理部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換（adc）和電子元件性能，在成本、功耗資源有限的情況下難以對大帶寬信號實現(xiàn)高速處理和實時感知。

2、光計算技術(shù)的高并行度和高處理速度，可以快速處理大量數(shù)據(jù)，滿足現(xiàn)代通信、雷達(dá)、遙感、電子偵查等系統(tǒng)的信號處理需求；其次，光計算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)非線性信號處理，通過構(gòu)建單個或多個神經(jīng)元模型與非線性激活函數(shù)，加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算，特別適用于電磁目標(biāo)智能快速識別任務(wù)；另外，結(jié)合微波光子大帶寬特性，能夠覆蓋多個頻段信號，有利于多場景變換下的電磁信號分類識別；并且，光計算技術(shù)具有良好的抗電磁干擾能力，對于電磁信號處理領(lǐng)域裝置的正常工作與穩(wěn)定運(yùn)行也十分有利。為此，微波光子-光計算技術(shù)為電磁信號感知處理提供了一個新思路。

3、目前，基于微波光子光電混合處理架構(gòu)的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光子卷積計算已經(jīng)得到了廣泛研究和應(yīng)用。例如，xingyuan?xu、mengxi?tan等人于2021年在期刊《nature》上發(fā)表的名稱為《11?tops?photonic?convolutional?accelerator?for?optical?neuralnetworks》的文獻(xiàn)提出了一種光學(xué)向量卷積加速器，其能夠在超過10tops（萬億次操作每秒）的速度下運(yùn)行，能夠用于大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)快速圖像識別。wolfram?pernice等人于2021年在期刊《nature?communications》上發(fā)表的名稱為《integrated?photonictensor?core?based?on?phase-change?memory?arrays》的文獻(xiàn)提出了一種基于相變材料存儲陣列的集成光子張量核心，其能夠在0.5tops（萬億次操作每秒）左右的速度下運(yùn)行，實現(xiàn)了并行矩陣-向量乘法運(yùn)算，并在手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫上測試了圖像識別效果。

4、目前主要研究微波光子-光計算技術(shù)在圖像處理與識別任務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，用于圖像處理與識別任務(wù)的加速裝置無法應(yīng)用于電磁信號快速處理與識別任務(wù)；并且，目前的基于微波光子-光計算技術(shù)的加速裝置的性能極大依賴于光學(xué)材料性能，裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，裝置搭建成本較高，存在較大的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的部分或全部技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種面向電磁信號處理的微波光子神經(jīng)元卷積加速裝置。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、提供了一種面向電磁信號處理的微波光子神經(jīng)元卷積加速裝置，包括：

4、微波光子神經(jīng)元卷積加速器，與電磁信號處理主控單元連接，用于在光學(xué)模擬域上完成接收的電磁信號或處理數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的權(quán)重向量的矩陣乘加線性運(yùn)算，并將矩陣乘加線性運(yùn)算結(jié)果輸出至所述電磁信號處理主控單元；

5、所述電磁信號處理主控單元，用于向所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器輸入預(yù)先得到的向量格式的電磁信號，以及用于對接收到的矩陣乘加線性運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到向量格式的處理數(shù)據(jù)，并在未滿足預(yù)設(shè)條件時將處理數(shù)據(jù)輸出至所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器。

6、在一些可選的實施方式中，所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器包括：

7、多波長光激勵單元，與權(quán)重控制單元連接，所述多波長光激勵單元用于生成多路不同波長且相鄰波長間隔相等的光載波，并將多路光載波合成一路后輸出至所述權(quán)重控制單元；

8、所述權(quán)重控制單元，與光電調(diào)制單元連接，所述權(quán)重控制單元預(yù)設(shè)有權(quán)重向量，用于根據(jù)權(quán)重向量對接收的光載波加載權(quán)重，并根據(jù)波長的不同將光載波劃分為多路，將多路光載波并行輸出至所述光電調(diào)制單元，其中，每一個波長的光載波加載相同的權(quán)重；

9、輸入向量處理單元，與所述光電調(diào)制單元連接，用于將所述電磁信號處理主控單元發(fā)送的電磁信號或處理數(shù)據(jù)輸出至所述光電調(diào)制單元；

10、所述光電調(diào)制單元，與波長延時單元連接，所述光電調(diào)制單元用于將接收的電磁信號或處理數(shù)據(jù)調(diào)制到所述權(quán)重控制單元并行輸入的多路光載波上，得到多路光信號，并將多路光信號并行輸出至所述波長延時單元，其中，每一個波長的光載波加載相同的調(diào)制信號，所述調(diào)制信號為所述光電調(diào)制單元接收的電磁信號或處理數(shù)據(jù)；

11、所述波長延時單元，與特征提取單元連接，所述波長延時單元用于對不同波長的光信號施加時間延遲，使多路光信號按照波長大小依次延時設(shè)定時長；

12、所述特征提取單元，與光電探測單元連接，所述特征提取單元用于從延時后的光信號中提取設(shè)定時間窗口內(nèi)的光信號片段，并輸出至所述光電探測單元；

13、所述光電探測單元，用于對接收的多路光信號進(jìn)行線性疊加。

14、在一些可選的實施方式中，所述設(shè)定時長表示為：

15、；

16、其中，表示設(shè)定時長，表示所述光電調(diào)制單元將調(diào)制信號調(diào)制到一路光載波所需的調(diào)制周期，表示光信號的波長種類數(shù)量。

17、在一些可選的實施方式中，所述多波長光激勵單元包括光學(xué)頻率梳。

18、在一些可選的實施方式中，所述權(quán)重控制單元包括依次連接的波形整形器和光分束器。

19、在一些可選的實施方式中，所述光電調(diào)制單元包括寬帶光電調(diào)制器。

20、在一些可選的實施方式中，所述波長延時單元包括色散光纖。

21、在一些可選的實施方式中，所述光電探測單元包括寬帶平坦型強(qiáng)度探測器。

22、在一些可選的實施方式中，所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器包括兩個輸入端口和一個輸出端口，所述電磁信號處理主控單元包括一個輸入端口和兩個輸出端口；

23、所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器的兩個輸入端口分別與所述電磁信號處理主控單元的兩個輸出端口連接，所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器的輸出端口與所述電磁信號處理主控單元的輸入端口連接，所述電磁信號處理主控單元分別通過兩個輸出端口向所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器輸入電磁信號和處理數(shù)據(jù)，所述微波光子神經(jīng)元卷積加速器通過輸出端口向所述電磁信號處理主控單元輸入矩陣乘加線性運(yùn)算結(jié)果。

24、在一些可選的實施方式中，還包括主控上位機(jī)；

25、所述主控上位機(jī)與所述電磁信號處理主控單元連接，所述電磁信號處理主控單元在滿足預(yù)設(shè)條件時將處理數(shù)據(jù)輸出至所述主控上位機(jī)，所述主控上位機(jī)用于對接收的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

26、本發(fā)明技術(shù)方案的主要優(yōu)點如下：

27、本發(fā)明的微波光子神經(jīng)元卷積加速裝置通過利用微波光子神經(jīng)元卷積加速器將大規(guī)模的矩陣乘加線性運(yùn)算遷移至光學(xué)模擬域上完成，能夠大幅降低對電子器件的計算能耗的需求，降低對電子器件的算力需求和能效比需求；通過利用微波光子神經(jīng)元卷積加速器高度并行、高速、大帶寬的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶電磁信號的快速處理與識別。