专利名称：超材料单元结构体设计方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料单元结构体设计方法和装置。
背景技术：
超材料技术是一个前沿性交叉科技，其设计的技术领域包括了电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体系、通信、半导体等范畴。其核心思想是利用复杂的人造微结构设计与加工实现人造“原子”以对电磁场或者声纳进行响应。其核心理论是描述电磁波轨迹与超材料特性的变形光学。该技术的一大核心难点在于如何建模设计成千上万个相互不同的人造复杂微结构并按照合理的排布组成一个具有特殊功能性的超材料器件。这对建模、计算、理论分析、设计、调试都带来了极大的困难。在超材料设计领域，由于超材料单元结构的复杂响应和实验设计采样点有限，故传统参数模型难以拟合其响应曲面，无法实现精确的建模，造成了超材料自动化设计的瓶颈。由于超材料所提供的特殊功能，这都是取决于它异常复杂的单元结构，一种超材料可能包含多个结构参数Pi,其电磁响应参数同样是多维，每改变一个结构参数Pi都将改变其最终的电磁响应特性，如何寻找超材料单元结构体的最佳结构参数，使它的电磁响应特性符合超材料的电磁响应的目标特性，是全球科研人员一直在努力探索的。传统的超材料单元结构体设计方法是，通过手动的逐一的改变单元结构体的结构参数，测试某一频率的电磁波通过该结构体后的响应特性，并与目标的响应特性进行对比，如此不断循环，最终找到与目标电磁响应特性最为相近的单元结构体属性参数。如图1所示，通过手动的逐一的改变单元结构体属性参数，测试某一频率的电磁波通过该结构体后的响应特性，并与目标响应特性进行对比，直至找到与目标电磁响应特性最为相近的单元结构体属性参数为止。由图1可看出调整单元 结构体参数是一项非常耗时的步骤，为了达到超材料设计的超高要求和特殊的电磁响应特性，单元结构体参数的微调单位可能达到毫米级，甚至微米级、纳米级，其工作量可想而知。如要设计某一频率&下某种电磁响应的超材料单元结构体，该电磁响应特性可能是二维曲线的，也可能是多维曲面或多维空间，其电磁响应特性函数简单表示为G(a，b，c，…)，同时超材料的单元结构参数也是多维的，如:长、宽、厚度、介电常数、材料材质等，表示为Pi,其中i表示参数的个数。要设计符合响应特性函数G的超材料单元结构体的具体设计步骤如下所述:第一步:根据经验设置某单元结构的属性参数Pi ；第二步:使用某一频率&测试该单元结构体的电磁响应特性函数G'；第三步:比较其电磁响应函数G'与目标电磁响应函数G是否相近；第四步:逐步调整单元结构体属性参数Pi,直到其电磁响应函数G'与目标电磁响应函数G相同或相近为止。
如图2所示，为一维电磁响应函数图，在频率为&时，其电磁响应为Gi，超材料的目的正是通过设计某种特殊的单元结构体，使电磁波通过该材料时，出现相同的目标电磁响应特性，简单来说就是，通过调整单元结构体的属性参数寻找最接近电磁响应特性Gi的过程。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种超材料单元结构体设计方法和装置。可以提高超材料单元结构体设计的效率。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超材料单元结构体设计方法，包括:a、CPU设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数；b、CPU将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GPU中，N为自然数；c、GPU改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本；d、GPU调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离；e、GPU根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本；f、若GPU判断结果为是，则将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束流程；g、若GPU判断结果为否，则按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数；h、GPU将所述η个转移样本复制到CPU中；1、CPU将所述η个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并对复制样本从步骤c开始顺序执行各步骤，直至获得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。相应地，本发明实施例还提供了一种超材料单元结构体设计装置，包括CPU和GPU,所述CPU包括:设置单元，用于设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数；CPU复制单元，用于将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GPU中，N为自然数；所述GPU包括:转移样本获取单元，用于当CPU复制单元将样本复制来后，改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本；适应度计算单元，用于调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离；目标判断单元，用于根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本；
判断结果处理单元，用于当所述目标判断单元的判断结果为是时，则将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束设计流程；当所述目标判断单元的判断结果为否时，则按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数；GPU复制单元，用于将所述η个转移样本复制到CPU中；其中，所述CPU复制单元还用于将所述η个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并启动GPU的各单元重新开始顺序执行功能，直至获得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。在本发明实施例中，通过CPU和GPU采用了样本滤波的方式查找最优的单元结构设计参数，CPU和GPU并行处理，并充分利用了 GPU的高速处理性能，极大的提高了超材料设计的效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有的通过手动的逐一的改变单元结构体属性参数设计单元结构体参数的过程示意图；图2是一维电磁响应函数图示意图；图3是本发明实施例中的超材料单元结构体设计方法的一个具体流程示意图；图4是本发明实施例中的超材料单元结构体设计装置的一个具体流程示意图；图5是本发明实施例中的超材料单元结构体设计方法的第二个具体流程示意图；图6是本发明实施例中的超材料单元结构体设计方法的第三个具体流程示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提出了一种样本滤波算法查找最优单元结构设计参数的方法，极大的提高了超材料设计的效率。本发明实施例中的方法包括:获取转移样本，计算样本的电磁响应特性的距离，根据该距离过滤样本几个主要步骤，以下分别进行说明。如图3所示，为本发明实施例中的超材料单元结构体设计方法的一个具体流程示意图。该方法包括如下流程。301、中央处理器(Central Processing Unit,CPU)设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数。如，定义超材料单元结构体设计涉及d个结构参数，分别是P1, P2,…，Pd，将所有的结构参数封装入一个样本Xi中，将样本Xi表示为包括P1,P2,…，Pd的数组。在不同的超材料单元结构体的设计中，结构参数P1, P2,…，Pd可以根据具体的材料特性和设计需求进行确定，如，对于矩形结构，则结构参数可包括:长方体的长、宽、高等参数。当然，该初始样本值可以是根据经验设定的；也可以先通过粒子群算法得到N个粒子样本，并以所述N个粒子样本为复制样本。302、CPU将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在图形处理器(GraphicProcessing Unit, GPU)中，N为自然数。当然，在本步骤之前还可以包括步骤302a:GPU申请存储N个复制样本的内存空间，如通过cudaMalloc在GPU显存中开辟N个复制样本的存储空间。303、GPU改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本。如，通过cudaMemcpy复制CPU的初始样本的数据至GPU。在改变样本的结构参数获得转移样本时，可以按照转移函数改变复制样本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下: V； =| randn| (ppbset -xlk)+\ Randn| (pgbset -χ[)xl+l =xl+vl其中，X表示复制样本i，x+1表示复制样本i的一个转移样本，Ppbsrt表示当前复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，Pgbsrt表示所有复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，Irandnl和| Randn |是根据正高斯分布产生的随机数。
randn和Randn可以是根据正高斯分布abs [N(O, I)]产生的随机数。
在具体实施例中，可将复制样本分配到GPU的每一个低开销线程中，调用GPU内核函数(kernel function)对每个样本进行结构参数转移函数计算，以及后续描述的适应度计算和权值计算。304、GPU调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离。如，GPU调用内核函数按照适应度函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度函数定义如下:fitness = exp[--^(z ew - Zpred)]其中，Rk是量测噪声方差，Znew是转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的量测值；Zpral是目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的预测量测值fitness即为计算出的距离，该距离越小，表明转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性之间的差距越小，即该转移样本越接近目标样本。其中，Znew和Zpral可以通过已有的电磁模拟模型，根据输入的结构参数计算获得，不需要实际进行测量。在本步骤中还可以同时计算一对应于适应度的权值，权值越高代表该转移样本越接近目标样本。305、GPU根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。若判断结果为是则转步骤306，否则转步骤307。
306、将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束设计流程。如，通过cudaMemcpy复制GPU的转移样本的数据至CPU。307、按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数。其中，可采用并行排序算法(如，采用奇偶排序、快速排序、基数排序等)根据每个样本的权值对样本从小到大进行排序。η的取值取决于对样本进行过滤的要求和计算复杂度，一般可以取η = Ν/2。当然，η取值越大，后续进行循环计算时作为复制样本的样本越多，计算量越大。308>GPU将所述η个转移样本复制到CPU中。如,通过cudaMemcpy复制GPU的转移样本的数据至CPU。309、CPU将所述η个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并对复制样本从步骤303开始顺序执行各步骤，直至获得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。在本发明实施例中，循环计算时，η个转移样本中作为复制样本的样本数目，每次循环时可以一样，也可以不一样，其具体的数目也可以根据系统计算能力和设计要求进行选择。每次复制时，可以是将步骤309中的每个转移样本复制多次(如N次)，也可以是将每个转移样本均只复制一次；同时，在上述流程中，每次循环时的N值可以相同，也可以不同，只是同一次循环中满足η小于N(如，η = Ν/2)即可。需要说明的是，图3中GPU两侧的CPU可以是同一个CPU，也可以是多个不同的CPU。通过上述描述可知， 本发明实施例中提供的方法去除了人工筛选结构体实验测定的方法，而通过一系列的计算机自动处理流程进行实现，极大的提高了超材料单元结构体的设计效率。同时，采用GPU和CPU并行处理，也可以进一步提高计算的效率；并将计算量较大的部分用处理效率较高的GPU来执行，合理分担了 GPU和CPU的计算量，在成本得到有效控制的基础上，也保证了较高计算效率。如图4所示，为对应的超材料单元结构体设计装置的一个具体组成示意图。该装置包括CPU 4和GPU 5。其中，CPU 4包括设置单元40，用于设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数；CPU复制单元42，用于将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GI^U中，N为自然数GPU 5 包括:存储申请单元51 (本单元为可选单元)，用于申请存储N个复制样本的内存空间。如，通过cudaMalloc在GPU显存中开辟N个复制样本的存储空间。转移样本获取单元50，用于当CPU复制单元将样本复制来后，改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本。如，按照转移函数改变所述N个复制样本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下:Vk =| randn| (ppbset -xlk)+\ Randn| (pgbset -χ\)xl+l =Xl+vl其中，X丨表示复制样本i，x!+1表示复制样本i的一个转移样本，Ppbset表示当前复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，Pgbsrt表示所有复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，randn和| Randn |是根据正高斯分布产生的随机数。适应度计算单元52，用于调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离。如，调用内核函数按照适应度函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度函数定义如下:
权利要求
1.种超材料单元结构体设计方法，其特征在于，所述方法包括: a、CPU设置超材料单元结构体的初始样本,所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数； b、CPU将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GPU中，N为自然数； c、GPU改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本； d、GPU调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离； e、GPU根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本，若GPU判断结果为是则转步骤f，否则转步骤g ； f、将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束设计流程； g、按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数； h、GPU将所述η个转移样本复制到CPU中；PU将所述η个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并对复制样本从步骤C开始顺序执行各步骤，直至获 得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b之前还包括: bO、GPU申请存储N个复制样本的内存空间。
3.权利要求2所述的方法,其特征在于，在步骤bO中通过cudaMalloc在GPU显存中开辟N个复制样本的存储空间,在步骤b中通过cudaMemcpy复制CPU的初始样本的数据至GPU,在步骤h中通过cudaMemcpy复制GPU的转移样本的数据至CPU,在步骤i中通过cudaMemcpy复制CPU的转移样本的数据至GPU。
4.权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c包括:GPU按照转移函数改变所述N个复制样本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下: K =I randn| (ppbset -xlk)+\ Randn| (pgbset -χ[) χ\+ι =K+vI 其中，4表示复制样本K1表示复制样本i的一个转移样本，Ppbset表示当前复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，Pgbsrt表示所有复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，randn和| Randn |是根据正高斯分布产生的随机数。
5.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤d包括:GPU调用内核函数按照适应度函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度函数定义如下:Tltness = exp[-T^(^ ew -Zpred)] 其中，Rk是量测噪声方差，Znew是转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的量测值；Zpred是目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的预测量测值。
6.权利要求5所述的方法，其特征在于，η= Ν/2。
7.种超材料单元结构体设计装置，其特征在于，所述装置包括CPU和GPU， 所述CPU包括:设置单元，用于设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数；CPU复制单元，用于将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GPU中，N为自然数； 所述GPU包括: 转移样本获取单元，用于当CPU复制单元将样本复制来后，改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本； 适应度计算单元，用于调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离； 目标判断单元，用于根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本； 判断结果处理单元，用于当所述目标判断单元的判断结果为是时，则将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束设计流程；当所述目标判断单元的判断结果为否时，则按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数； GPU复制单元，用于将所述η个转移样本复制到CPU中； 其中，所述CPU复制单元还用于将所述η个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并启动GPU的各单元重新开始顺序执行功能，直至获得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。
8.权利要求7所述的装 置，其特征在于，所述GPU还包括存储申请单元，用于申请存储N个复制样本的内存空间。
9.权利要求8所述的装置,其特征在于,所述存储申请单元通过cudaMalloc在GPU显存中开辟N个复制样本的存储空间,所述CPU复制单元通过cudaMemcpy复制CPU的初始样本和转移样本的数据至GPU,所述GPU复制单元通过cudaMemcpy复制GPU的转移样本的数据至CPU。
10.权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述转移样本获取单元，还用于按照转移函数改变所述N个复制样本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下: K =I randn| (ppbset -xlk)+\ Randn| (pgbset -x[) Xk+1 = Xk +Vk 其中，4表示复制样本K1表示复制样本i的一个转移样本，Ppbset表示当前复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，Pgbsrt表示所有复制样本所获得的转移样本中最接近目标样本的样本，randn和| Randn |是根据正高斯分布产生的随机数。
11.权利要求10所述的装置，其特征在于，所述适应度计算单元还用于调用内核函数按照适应度函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度函数定义如下: fmess = exp[_^(z隱-Zpred)] 其中，Rk是量测噪声方差，Znew是转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的量测值；Zpred是目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性的预测量测值。
12.权利要求10所述的装置，其特征在于，η= Ν/2。
全文摘要
本发明实施例公开了超材料单元结构体设计方法和装置，该方法包括a、CPU设置超材料单元结构体的初始样本；b、CPU将初始样本复制到GPU中；c、GPU改变复制的N个样本获得N个转移样本；d、GPU调用内核函数计算转移样本的适应度；e、GPU根据适应度判断是否有符合设计要求的样本，若GPU判断结果为是则转步骤f，否则转步骤g；f、将符合设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束设计流程；g、按照适应度对N个转移样本进行排序，获得n个转移样本；h、GPU将n个转移样本复制到CPU中；i、CPU将n个转移样本复制为复制样本并保存在GPU中，并转步骤c，直至获得符合目标超材料单元结构体设计要求的样本。采用本发明，可以提高超材料单元结构体设计的效率。
文档编号G06F17/50GK103093014SQ20111034117
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘若鹏, 季春霖, 刘斌 申请人:深圳光启高等理工研究院