專利名稱：超材料單元結構體設計方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，尤其涉及一種超材料單元結構體設計方法和裝置。
背景技術：
超材料技術是一個前沿性交叉科技，其設計的技術領域包括了電磁、微波、太赫茲、光子、先進的工程設計體系、通信、半導體等范疇。其核心思想是利用復雜的人造微結構設計與加工實現(xiàn)人造“原子”以對電磁場或者聲納進行響應。其核心理論是描述電磁波軌跡與超材料特性的變形光學。該技術的一大核心難點在于如何建模設計成千上萬個相互不同的人造復雜微結構并按照合理的排布組成一個具有特殊功能性的超材料器件。這對建模、計算、理論分析、設計、調試都帶來了極大的困難。在超材料設計領域，由于超材料單元結構的復雜響應和實驗設計采樣點有限，故傳統(tǒng)參數(shù)模型難以擬合其響應曲面，無法實現(xiàn)精確的建模，造成了超材料自動化設計的瓶頸。由于超材料所提供的特殊功能，這都是取決于它異常復雜的單元結構，一種超材料可能包含多個結構參數(shù)Pi,其電磁響應參數(shù)同樣是多維，每改變一個結構參數(shù)Pi都將改變其最終的電磁響應特性，如何尋找超材料單元結構體的最佳結構參數(shù)，使它的電磁響應特性符合超材料的電磁響應的目標特性，是全球科研人員一直在努力探索的。傳統(tǒng)的超材料單元結構體設計方法是，通過手動的逐一的改變單元結構體的結構參數(shù)，測試某一頻率的電磁波通過該結構體后的響應特性，并與目標的響應特性進行對比，如此不斷循環(huán)，最終找到與目標電磁響應特性最為相近的單元結構體屬性參數(shù)。如圖1所示，通 過手動的逐一的改變單元結構體屬性參數(shù)，測試某一頻率的電磁波通過該結構體后的響應特性，并與目標響應特性進行對比，直至找到與目標電磁響應特性最為相近的單元結構體屬性參數(shù)為止。由圖1可看出調整單元結構體參數(shù)是一項非常耗時的步驟，為了達到超材料設計的超高要求和特殊的電磁響應特性，單元結構體參數(shù)的微調單位可能達到毫米級，甚至微米級、納米級，其工作量可想而知。如要設計某一頻率&下某種電磁響應的超材料單元結構體，該電磁響應特性可能是二維曲線的，也可能是多維曲面或多維空間，其電磁響應特性函數(shù)簡單表示為G(a，b，c，…)，同時超材料的單元結構參數(shù)也是多維的，如:長、寬、厚度、介電常數(shù)、材料材質等，表示為Pi,其中i表示參數(shù)的個數(shù)。要設計符合響應特性函數(shù)G的超材料單元結構體的具體設計步驟如下所述:第一步:根據(jù)經(jīng)驗設置某單元結構的屬性參數(shù)Pi ；第二步:使用某一頻率&測試該單元結構體的電磁響應特性函數(shù)G'；第三步:比較其電磁響應函數(shù)G'與目標電磁響應函數(shù)G是否相近；第四步:逐步調整單元結構體屬性參數(shù)Pi,直到其電磁響應函數(shù)G'與目標電磁響應函數(shù)G相同或相近為止。
如圖2所示，為一維電磁響應函數(shù)圖，在頻率為&時，其電磁響應為Gi，超材料的目的正是通過設計某種特殊的單元結構體，使電磁波通過該材料時，出現(xiàn)相同的目標電磁響應特性，簡單來說就是，通過調整單元結構體的屬性參數(shù)尋找最接近電磁響應特性Gi的過程。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種超材料單元結構體設計方法和裝置?？梢蕴岣叱牧蠁卧Y構體設計的效率。為了解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供了一種超材料單元結構體設計方法，包括:a、獲得超材料單元結構體的初始樣本，并以所述初始樣本為母本，所述初始樣本包括體現(xiàn)超材料單元結構體的結構的多個結構參數(shù)；b、改變所述母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，N為自然數(shù)；C、獲得所述N個轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性分別與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離；d、根據(jù)所述距離對所述N個轉移樣本進行排序，獲得所述距離最小的η個轉移樣本，η為小于N的自然數(shù)；e、判斷所述η個轉移樣本中是否有符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本，若有則確定該符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本，否則，以所述η個轉移樣本中的一個或多個為母本重復步驟b e，直到確定符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本。相應地，本發(fā)明實施例還提供了一種超材料單元結構體設計裝置，包括:母本獲取單元，用于獲得超材料單元結構體的初始樣本，并以所述初始樣本為母本，所述初始樣本包括體現(xiàn)超材料單元結構體的結構的多個結構參數(shù)；轉移樣本獲取單元，用于改變所述母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，N為自然數(shù)；距離獲取單元，用于獲得所述N個轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性分別與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離；排序單元，用于根據(jù)所述距離對所述N個轉移樣本進行排序，獲得所述距離最小的η個轉移樣本，η為小于N的自然數(shù)；判斷單元，用于判斷所述η個轉移樣本中是否有符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本；循環(huán)單元，用于當判斷結果為有時確定該符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本，否則以所述η個轉移樣本中的一個或多個為母本令轉移樣本獲取單元重新開始順序執(zhí)行功能，直到確定符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本。在本發(fā)明實施例中，通過過濾最接近目標樣本的轉移樣本來確定最終的設計樣本，即采用了樣本濾波的方式查找最優(yōu)的單元結構設計參數(shù)，極大的提高了超材料設計的效率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是現(xiàn)有的通過手動的逐一的改變單元結構體屬性參數(shù)設計單元結構體參數(shù)的過程示意圖；圖2是一維電磁響應函數(shù)圖示意圖；圖3是本發(fā)明實施例中的超材料單元結構體設計方法的一個具體流程示意圖；圖4是本發(fā)明實施例中的超材料單元結構體設計裝置的一個具體流程示意圖；圖5是本發(fā)明實施例中的超材料單元結構體設計方法的第二個具體流程示意圖；圖6是本發(fā)明實施例中的超材料單元結構體設計方法的第三個具體流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例提出了一種樣本濾波算法查找最優(yōu)單元結構設計參數(shù)的方法，極大的提高了超材料設計的效率。本發(fā)明實施例中的方法包括:獲取轉移樣本，計算樣本的電磁響應特性的距離，根據(jù)該距離過濾樣本幾個主要步驟，以下分別進行說明。如圖3所示，為本發(fā)明實施例中的超材料單元結構體設計方法的一個具體流程示意圖。該方法包括如下流程。301、獲得超材料單元結構體的初始樣本，并以所述初始樣本為母本，所述初始樣本包括體現(xiàn)超材料單元結構體的結構的多個結構參數(shù)。如,定義超材料單元結構體設計涉及d個結構參數(shù),分別是P1, P2,…，Pd，將所有的結構參數(shù)封裝入一個樣本Xi中，將樣本Xi表示為包括P1,P2,…，Pd的數(shù)組。在不同的超材料單元結構體的設計中，結構參數(shù)P1, P2,…，Pd可以根據(jù)具體的材料特性和設計需求進行確定，如，對于矩形結構，則結構參數(shù)可包括:長方體的長、寬、高等參數(shù)。當然，該初始樣本值可以是預先設定的；也可以先通過粒子群算法得到N個粒子樣本，并以所述N個粒子樣本為母本。302、改變所述母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，N為自然數(shù)。如，按照轉移函數(shù)改變母本的結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，所述轉移函數(shù)定義如下:
權利要求
1.一種超材料單元結構體設計方法，其特征在于，所述方法包括: a、獲得超材料單元結構體的初始樣本,并以所述初始樣本為母本,所述初始樣本包括體現(xiàn)超材料單元結構體的結構的多個結構參數(shù)； b、改變所述母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，N為自然數(shù)； C、獲得所述N個轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性分別與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離； d、根據(jù)所述距離對所述N個轉移樣本進行排序，獲得所述距離最小的η個轉移樣本，η為小于N的自然數(shù)； e、判斷所述η個轉移樣本中是否有符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本，若有則確定該符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本，否則，以所述η個轉移樣本中的一個或多個為母本重復步驟b e，直到確定符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本。
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b包括:按照轉移函數(shù)改變母本的結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，所述轉移函數(shù)定義如 下:
3.按權利要求2所述的方法,其特征在于,所述|randn|和|Randn |是根據(jù)正高斯分布abs [N (O，I)]產(chǎn)生的隨機數(shù)。
4.按權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟c包括:按照適應度函數(shù)獲得轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離，所述適應度函數(shù)定義如下:
5.按權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a包括:通過粒子群算法得到N個粒子樣本，并以所述N個粒子樣本為母本。
6.按權利要求1至5中任意一項所述的方法,其特征在于，η= Ν/2 ο
7.一種超材料單元結構體設計裝置，其特征在于，所述裝置包括: 母本獲取單元，用于獲得超材料單元結構體的初始樣本，并以所述初始樣本為母本，所述初始樣本包括體現(xiàn)超材料單元結構體的結構的多個結構參數(shù)； 轉移樣本獲取單元，用于改變所述母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，N為自然數(shù)； 距離獲取單元，用于獲得所述N個轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性分別與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離； 排序單元，用于根據(jù)所述距離對所述N個轉移樣本進行排序，獲得所述距離最小的η個轉移樣本，η為小于N的自然數(shù)； 判斷單元，用于判斷所述η個轉移樣本中是否有符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本； 循環(huán)單元，用于當判斷結果為有時，確定該符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本，否則以所述η個轉移樣本中的一個或多個為母本令轉移樣本獲取單元重新開始順序執(zhí)行功能，直到確定符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本。
8.按權利要求7所述的裝置，其特征在于，轉移樣本獲取單元，還用于按照轉移函數(shù)改變母本的結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本，所述轉移函數(shù)定義如下:
9.按權利要求8所述的裝置,其特征在于,所述|randn|和|Randn |是根據(jù)正高斯分布abs [N (O，I)]產(chǎn)生的隨機數(shù)。
10.按權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述距離獲取單元還用于按照適應度函數(shù)獲得轉移樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性與目標樣本所表示的超材料單元結構體的電磁響應特性相比的距離，所述適應度函數(shù)定義如下:
11.按權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述母本獲取單元還用于通過粒子群算法得到N個粒子樣本，并以所述N個粒子樣本為母本。
12.按權利要求7至11中任意一項所述的裝置，其特征在于，η= Ν/2。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了超材料單元結構體設計方法和裝置，該方法包括a、獲得超材料單元結構體的初始樣本，并以初始樣本為母本；b、改變母本中的一個或多個結構參數(shù)值，獲得N個轉移樣本；c、獲得N個轉移樣本與目標樣本的電磁響應特性距離；d、根據(jù)距離對所述N個轉移樣本進行排序，獲得距離最小的n個轉移樣本；e、判斷n個轉移樣本中是否有符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本，若有則確定該符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本，否則，以所述n個轉移樣本中的一個或多個為母本重復步驟b～e，直到確定符合目標超材料單元結構體設計要求的樣本為設計樣本。采用本發(fā)明，可以提高超材料單元結構體設計的效率。
文檔編號G06F17/50GK103093015SQ20111034117
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 劉斌 申請人:深圳光啟高等理工研究院