获得人工电磁材料的几何参数的方法、装置以及制作方法
【专利说明】
[00011 本申请是申请日为2012年04月17日，申请号为201210112844.6,名称为"获得人工 电磁材料的几何参数的方法、装置以及制作方法"的发明申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种获得人工电磁材料最优单元结构几 何参数的方法、装置以及人工电磁材料的制作方法。
【背景技术】
[0003] 超材料是当前世界范围内前沿交叉学科研究领域，有广阔的应用市场前景，而电 磁材料是其中的一种有特殊用途的超材料。
[0004] 超材料的基本单元包括人造微结构以及该人造微结构附着的基材，单元结构也即 人造微结构的最优化设计是人工电磁材料研究和设计中的关键环节，也是目前国际上一个 亟需解决的难题。
[0005] 目前对单元结构的设计尚停留在凭经验、凭手工调节阶段，无法保证设计精度，阻 碍了人工电磁材料的大规模设计和产业化应用。现有技术中设计超材料的流程如图1所示， 包括：
[0006] 步骤S101:通过手动逐一改变单元结构的几何参数；
[0007] 步骤S102:通过电磁仿真软件或测量设备测试特定频率的电磁波通过该结构体后 的电磁响应；
[0008] 步骤S103:将所测电磁响应参数值与期望电磁响应参数值进行对比；
[0009] 步骤S104:判断所测电磁响应参数值与期望电磁响应参数值是否接近；
[0010] 若所测电磁响应参数值与期望电磁响应参数值之间的差别小于等于阈值，则调整 结束，若所测电磁响应参数值与期望电磁响应参数值之间的差别大于阈值，则继续调整单 元结构体的属性参数，直至找到与期望响应值最为接近的单元结构体为止。
[0011] 由图1可看出调整单元结构几何参数是一项非常耗时的工作，为了达到超材料的 设计要求，需要对海量的单元结构几何参数进行调整优化，其工作量十分巨大。
【发明内容】
[0012] 本发明主要解决的技术问题是提供一种获得人工电磁材料最优单元结构几何参 数的方法、装置以及人工电磁材料的制作方法，能够用计算机实现快速查找多目标最优单 元结构几何参数，极大地提高超材料开发的效率。
[0013] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种获得人工电磁材 料最优单元结构几何参数的方法，包括:输入包括多个电磁响应参数的多目标适应度函数， 其中，所述多目标适应度函数具有适应度值;利用最优化算法在所述电磁材料单元结构几 何参数域中搜索最优单元结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大，所述 多目标适应度函数的适应度值最大时的单元结构几何参数即为所述电磁材料的最优单元 结构几何参数;输出所述多目标适应度函数的适应度值最大时的单元结构几何参数。
[0014] 其中，所述输入包括多个电磁响应参数的多目标适应度函数的步骤之前，包括:建 立包括所述多个电磁响应参数的多目标适应度函数，所述建立包括多个电磁响应参数的多 目标适应度函数的步骤包括:对于每个所述电磁响应参数，分别建立每个所述电磁响应参 数的单目标适应度函数;将所述每个电磁响应参数的单目标适应度函数相乘，即为所述多 个电磁响应参数的多目标适应度函数。
[0015] 其中，所述利用最优化算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优单元 结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大的步骤包括:利用粒子群优化算 法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优单元结构几何参数，使所述多目标适应 度函数的适应度值最大。
[0016] 其中，所述利用粒子群优化算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优 单元结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大的步骤包括:在所述电磁材 料单元结构几何参数域中均匀采样K次，得到K个初始几何参数样本，其中，K为自然 数，所述K个初始几何参数样本即为初始化的粒子群对每个所述初始化的 粒子群|gia丨^中的粒子gkQ，设定初始化的粒子速度VkQ ;计算每个所述粒子gkQ对应的适应 度函数的适应度值fk，其中，1 < k < K;根据所述计算出的每个所述粒子gkQ对应的适应度值 fk，找到所述计算出的最大的适应度值f Best，根据所述计算出的最大的适应度值fBest，找到 与所述最大的适应度值fBd对应的粒子gkO值，所述与最大的适应度值f B(3st对应的粒子gk〇值 用gb表示;根据所述与最大的适应度值对应的粒子gb值，用第一方程更新每个粒子的粒 子速度Vk，其中，所述第一方程是：
[0017] vk = coXvko+ciXrand X (pbk-gk)+C2Xrand X (gb-gk)，
[0018]其中，co、ci以及C2是三个常数，rand为介于0和1之间的均勾分布的随机数，pbk代 表迭代搜索过程中第k个粒子样本搜索过程中找到的局部最优点；根据所述更新后的每个 粒子的粒子速度Vk，用第二方程来更新每个粒子的位置gk，其中，所述第二方程是:gk = gk〇+ vk;更新每个所述粒子的位置gk后，检测是否满足搜索终止条件，若满足所述搜索终止条件， 则所述粒子g b即为所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索到的最优单元结构几何参数 gBest，并终止搜索过程，否则，用所述第一方程更新的每个粒子的粒子速度Vk代替VkO，用所 述第二方程更新的每个粒子的位置gk代替gk〇,并返回所述计算每个粒子gk〇对应的适应度函 数的适应度值fk的步骤继续迭代搜索。
[0019] 其中，所述利用最优化算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优单元 结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大的步骤包括:利用蒙特卡洛采样 算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优单元结构几何参数，使所述多目标适 应度函数的适应度值最大。
[0020] 其中，所述利用蒙特卡洛采样算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最 优单元结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大的步骤包括:定义所述电 磁材料单元结构几何参数函数为非规整化后验概率密度函数，将所述非规整化后验概率密 度函数的概率分布视为所述蒙特卡洛采样算法的目标分布;用所述蒙特卡洛采样算法从所 述目标分布中抽取随机样本;根据所述目标分布中抽取的随机样本的电磁材料单元结构几 何参数值，计算所述每个电磁材料单元结构几何参数值对应的适应度函数的适应度值;根 据计算出的所述每个电磁材料单元结构几何参数值对应的适应度值，找到所述计算出的最 大的适应度值，根据所述计算出的最大的适应度值，找到与所述最大的适应度值对应的电 磁材料单元结构几何参数值，所述与最大的适应度值对应的电磁材料单元结构几何参数值 即为所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索到的最优单元结构几何参数值。
[0021]其中，所述蒙特卡洛采样算法包括马尔科夫链蒙特卡洛方法、重要性采样方法以 及 Metropolis算法。
[0022]其中，所述Metropo 1 is算法的步骤包括:选取对称分布函数q作为所述目标分布函 数，即q(Δx) = q(-Δx)，从所述目标分布函数q中抽取K个随机样本，其中，Δx为从所述目 标分布函数q中抽取的随机样本点，K为自然数;在所述单元结构的几何参数域进行一次均 匀采样，得到初始样本点go,并进行K次迭代操作，其中，第k次迭代中执行的操作是:构建新 的样本点g*，使g* = gk-i+A X，记所述电磁材料单元结构几何参数函数为y(g)，根据所述样 本点g*以及gk-1计算比值r，其中，r = y(g*)/y(gk-1)，如果所述比值r 2 1，则接收所述样本点 g*为新的样本点，并设置gk = g*，如果所述比值r〈l，则以r的概率接收所述样本点g*为新的 样本点，并设置gk = g*，以1 _r的概率设置gk = gk-1，其中，k表示迭代次数，1 < k < K;在进行所 述K次迭代操作后，比较K个样本点fg, 对应的适应度函数的适应度值，找出对应的最大 适应度值的样本点gBest，所述样本点gBest即为所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索到 的最优单元结构几何参数值。
[0023]为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是:提供一种人工电磁材料 的制作方法，包括:输入包括多个电磁响应参数的多目标适应度函数，其中，所述多目标适 应度函数具有适应度值;利用最优化算法在所述电磁材料单元结构几何参数域中搜索最优 单元结构几何参数，使所述多目标适应度函数的适应度值最大，所述多目标适应度函数的 适应度值最大时的单元结构几何参数即为所述电磁材料的最优单元结构几何参数；以所述 多目标适应度函数的适应度值最大时的单元结构几何参数为电磁材料单元结构的制作参 数，将原材料制成人工电磁材料。
[0024]为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是:提供一种获得人工电磁 材料最优单元结构几何参数的装置，所述装