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、获得超材料单元结构体的初始样本，并以所述初始样本为母本，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、改变所述母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本，N为自然数；C、获得所述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；d、根据所述距离对所述N个转移样本进行排序，获得所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数；e、判断所述η个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，若有则确定该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本，否则，以所述η个转移样本中的一个或多个为母本重复步骤b e，直到确定符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本。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:母本获取单元，用于获得超材料单元结构体的初始样本，并以所述初始样本为母本，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；转移样本获取单元，用于改变所述母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本，N为自然数；距离获取单元，用于获得所述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；排序单元，用于根据所述距离对所述N个转移样本进行排序，获得所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数；判断单元，用于判断所述η个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；循环单元，用于当判断结果为有时确定该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本，否则以所述η个转移样本中的一个或多个为母本令转移样本获取单元重新开始顺序执行功能，直到确定符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本。在本发明实施例中，通过过滤最接近目标样本的转移样本来确定最终的设计样本，即采用了样本滤波的方式查找最优的单元结构设计参数，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、获得超材料单元结构体的初始样本，并以所述初始样本为母本，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预先设定的；也可以先通过粒子群算法得到N个粒子样本，并以所述N个粒子样本为母本。302、改变所述母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本，N为自然数。如，按照转移函数改变母本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下:
权利要求
1.一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、获得超材料单元结构体的初始样本,并以所述初始样本为母本,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、改变所述母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本，N为自然数； C、获得所述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； d、根据所述距离对所述N个转移样本进行排序，获得所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数； e、判断所述η个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，若有则确定该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本，否则，以所述η个转移样本中的一个或多个为母本重复步骤b e，直到确定符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b包括:按照转移函数改变母本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如 下:
3.按权利要求2所述的方法,其特征在于,所述|randn|和|Randn |是根据正高斯分布abs [N (O，I)]产生的随机数。
4.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤c包括:按照适应度函数获得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相比的距离，所述适应度函数定义如下:
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a包括:通过粒子群算法得到N个粒子样本，并以所述N个粒子样本为母本。
6.按权利要求1至5中任意一项所述的方法,其特征在于，η= Ν/2 ο
7.一种超材料单元结构体设计装置，其特征在于，所述装置包括: 母本获取单元，用于获得超材料单元结构体的初始样本，并以所述初始样本为母本，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； 转移样本获取单元，用于改变所述母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本，N为自然数； 距离获取单元，用于获得所述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； 排序单元，用于根据所述距离对所述N个转移样本进行排序，获得所述距离最小的η个转移样本，η为小于N的自然数； 判断单元，用于判断所述η个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； 循环单元，用于当判断结果为有时，确定该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本，否则以所述η个转移样本中的一个或多个为母本令转移样本获取单元重新开始顺序执行功能，直到确定符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，转移样本获取单元，还用于按照转移函数改变母本的结构参数值，获得N个转移样本，所述转移函数定义如下:
9.按权利要求8所述的装置,其特征在于,所述|randn|和|Randn |是根据正高斯分布abs [N (O，I)]产生的随机数。
10.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述距离获取单元还用于按照适应度函数获得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相比的距离，所述适应度函数定义如下:
11.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述母本获取单元还用于通过粒子群算法得到N个粒子样本，并以所述N个粒子样本为母本。
12.按权利要求7至11中任意一项所述的装置，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、获得超材料单元结构体的初始样本，并以初始样本为母本；b、改变母本中的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本；c、获得N个转移样本与目标样本的电磁响应特性距离；d、根据距离对所述N个转移样本进行排序，获得距离最小的n个转移样本；e、判断n个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，若有则确定该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本，否则，以所述n个转移样本中的一个或多个为母本重复步骤b～e，直到确定符合目标超材料单元结构体设计要求的样本为设计样本。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G06F17/50GK103093015SQ20111034117
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