Se vc está tentando apenas gerar esse array final a partir dos dois arrays iniciais, basta fazer um mapeamento do segundo com o primeiro, e para isso não é necessário nenhuma biblioteca adicional. Segue sugestões de soluções:
1) Para cada livro, fazer uma substituição in-place filtrando o autor correto.
livros.forEach(function(d){ d.autor = autores.filter(function(g){ return g.id === d.autor })[0] });
Essa solução tem custo O(livros * autores), pois para cada livro, uma varredura no array de autores realizada (desencadeada pela função filter). Podemos melhorar...
2) Indexar os autores por id e iterar sobre os livros fazendo substituições in-place.
// Indexa autores
var autorMap = {};
autores.forEach(function(d){ autorMap[d.id] = d });
// Realiza substituição
livros.forEach(function(d){ d.autor = autorMap[d.autor] });
Essa solução tem custo O(livros + autores), pois primeiro itera-se sobre os autores indexando-os, e em seguida itera-se sobre os livros realizando a substituição através de uma consulta a custo constante.
Para sua segurança, sugiro uma solução final um pouco diferente...
3) Indexar os autores por id e iterar sobre os livros, clonando-os de forma segura, e retornando um novo array.
// Indexa autores
var autorMap = {};
autores.forEach(function(d){ autorMap[d.id] = d });
// Mapeia os livros para um novo array com livros modificados
var newArr = livros.map(function(d){ var c = deepCopy(d); c.autor = autorMap[d.autor]; return c });
Para entender mais sobre essas funções que demonstrei (forEach, filter, map) consulte a documentação oficial da Mozilla. Inclusive a própria D3 incentiva isso.
Com respeito ao join que foi cogitado na pergunta, vale considerar o que de fato significa join para a D3. No excelente artigo de Mike, "Thiking with Joins", lemos:
Thinking with joins means declaring a relationship between a selection (such as "circle") and data, and then implementing this relationship through the three enter, update and exit states.
Perceba que o join define não apenas um relacionamento entre seleções (elementos do DOM) e dados (js arrays, objects, etc), como principalmente a forma como esse relacionamento é processado (através de três estados sequenciais).
Ou seja, isso está mais relacionado a um padrão alto-nível de manipulação de elementos -melhor, documento - do que a uma técnica baixo-nível de tratamento de dados. Inclusive existe um nome para isso: Data-Driven Documents
Então, se vc está buscando soluções pontuais para problemas de manipulação de objetos, arrays ou dados em geral, deve-se primeiro pensar em como alcançar isso utilizando js nativo apenas, e em seguida buscar alguma biblioteca que forneça utilidades (como underscore.js). De outra forma, se vc está buscando um novo paradigma de como manipular documentos (diferente do jQuery p.ex.), D3 é a resposta. E vc ainda ganha uma diversidade enorme de utilidades de brinde! ;)