专利名称：一种超材料设计装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种超材料设计装置及其设计方法。
背景技术：
在研究材料对电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数e和磁导率U来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。超材料通常包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，每一人造微结构与其附着的那部分基材可以看做是一个超材料单元。多个超材料单元按一定规律排列即可得到电磁波特定的响应曲线。超材料的电磁响应的特征是由基材的特性及周期排布于基材上的人造微结构的特性共同决定，人造微结构的特性包括其制备材料、拓扑结构和几何尺寸，基材的特性取决于其制备材料与尺寸。因此，在基材一定的情况下，通过设计改变人造微结构的特性，可以达到所需的电磁响应，从而得到我们所需要的物理特性，如特定的电场响应曲线、磁场响应曲线和/或折射率响应曲线等。由于超材料可以通过改变介质的折射率来改变电磁波的传播路径，所以通常通过计算电磁波的传播路径来进行超材料设计。在现有技术中，通常使用变换光学、几何光学及数值计算方式来设计超材料。变换光学方式主要是借鉴引力场对光波影响的现象，利用广义相对论和非欧几何来计算在非均匀介质中电磁波的传播路径。几何光学方式主要是将电磁波近似为光波，利用传统几何光学理论来计算电磁波的传播路径。数值计算方式主要是利用如有限元等方法解偏微分方程，得出在给定条件下麦克斯韦方程组及边界条件的解，从而得到电磁波的传播路径。上述所述的三种方式都是通过单次计算电磁波的传播路径来设计超材料。计算的结果和理论的结果有较大的偏差，因此不能准确地设计出所需的超材料。同时如果想要得到较准确的结果，则需要单独进行多次计算，从而导致设计成本高。因此，需要提供一种超材料设计装置及其设计方法，以解决现有技术中设计超材料时准确率低以及设计成本高的技术问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种超材料设计装置及其设计方法，以提高超材料设计的准确率以及降低设计成本。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种超材料设计方法，其中，超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，该超材料设计方法包括:产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线；通过参数方程对响应曲线进行拟合；对参数方程进行分解以得到多个参数；抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合；根据有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。其中，超材料的结构参数为基材的材料、尺寸，人造微结构的材料、拓扑结构和几何结构，超材料的物理特性为电场响应、磁场响应和/或折射率。其中，通过参数方程对响应曲线进行拟合的步骤包括:使用时间-空间高斯过程法通过参数方程对响应曲线进行拟合。其中，对参数方程进行分解以得到多个参数的步骤包括:使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对参数方程进行分解以得到多个参数。其中，抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合的步骤包括:在抽取参数方程的信息的基础上通过使用Boosting、Lasso或Dantzig抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种超材料设计装置，所述超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，该超材料设计装置包括:仿真模块，用于产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线；拟合模块，用于通过参数方程对响应曲线进行拟合；分解模块，用于对参数方程进行分解以得到多个参数；抽取模块，用于抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合；设计模块，用于根据有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。其中，仿真模块中的超材料的结构参数为基材的材料、尺寸，人造微结构的材料、拓扑结构和几何结构，超材料的物理特性为电场响应、磁场响应和/或折射率。其中，拟合模块使用时间-空间高斯过程法通过参数方程对响应曲线进行拟合。其中，分解模块使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对参数方程进行分解以得到多个参数。其中，抽取模块在抽取参数方程的信息的基础上通过使用Boosting、Lasso或Dantzig抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合。本发明的有益效果是:区别于现有技术的情况，本发明的超材料设计装置及其设计方法可以用计算机仿真技术以及相应的统计优化技术对超材料的理论设计进行反复的测试和改进，以使设计的结果最接近生产的要求，提高了设计的准确率以及降低了设计成本。
图1是本发明超材料设计方法的实施例的流程图；图2是本发明超材料设计装置第一实施例的结构示意图；图3是本发明超材料设计装置第二实施例的结构示意图。
具体实施例方式请参考图1，图1是本发明超材料设计方法的实施例的流程图。如图1所示，超材料设计方法100包括如下步骤:步骤S1:产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线；
因为超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，因此，在基材一定的情况下，通过设计改变人造微结构的特性以得到我们所需要的物理特性。本发明利用仿真模型(仿真模型是COMSOL模型)对超材料的人造微结构进行仿真以得到超材料的结构参数，并通过超材料的结构参数和其物理特性的特定关系建立一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线。另，超材料可以通过改变介质的折射率来改变电磁波的传播路径，而超材料的结构又直接影响超材料的折射率分布，因此COMSOL仿真模型对超材料的结构(即人造微结构)进行仿真得到超材料的结构参数，然后通过超材料的结构参数和其折射率分布的特定关系得到超材料的折射率分布，最后通过超材料的折射率分布对电磁波的传播路径的影响得到电磁波的传播路径。即得到一超材料结构参数-电磁波传播路径的响应曲线，或者以折射率为自变量，得到一折射率-电磁波传播路径的响应曲线。另，仿真模型可以对超材料的其他性质进行仿真以得到相应的响应曲线，如特定的电场响应曲线、磁场响应曲线和/或折射率响应曲线等，在此不再赘述。步骤S2:通过参数方程对响应曲线进行拟合；拟合的作用主要是将较为杂乱无规律的响应曲线用一个参数方程表达。为了取得更全面的优化设计的效果，可以使用不同的参数方程对响应曲线进行拟合。步骤S3:对参数方程进行分解以得到多个参数；本实施例使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对参数方程进行分解以得到多个参数。参数方程可以分解为一系列参数，如f( 6) =f(0!,02，...em)，其中，参数数目m越大，说明定义的参数方程复杂度越高，越能描述原响应曲线的状态。即更能表现超材料的结构参数和其物理特性的关系，提高了数据分析的准确度。此外，可以采用现有技术的其他方法对参数方程进行分解，在此不再赘述。步骤S4:抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合；在抽取参数方程的信息的基础上通过使用Boosting、Lasso或Dantzig抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合。其中，该参数方程的信息通常指的是参数方程的分解形式。即Boosting、Lasso或Dantzig等方法在抽取参数方程的分解形式的信息之后建立一个选择规则或选择函数方程，然后应用于数据库(数据库存有对参数方程进行分解后得到的参数)中，从而抽取有用参数集合。经过抽取步骤，得到有用的参数，为进一步对超材料的结构参数进行设计提供了有效数据。此外，可以采用现有技术的其他方法抽取有用参数集合，在此不再赘述。步骤S5:根据有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。进一步对超材料的结构参数进行设计即是根据抽取得到的有用参数集合进一步作用于仿真模型以产生响应曲线，然后再作进一步的统计优化。参考图2，图2是本发明超材料设计装置第一实施例的结构示意图。如图2所示，超材料设计装置200包括仿真模块201、拟合模块202、分解模块203、抽取模块204以及设计模块205。
其中，本发明所使用的仿真模型是COMSOL仿真模型。仿真模块201用于产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线。因超材料的结构参数为基材的材料、尺寸，人造微结构的材料、拓扑结构和几何尺寸。因此，基材一定时，用COMSOL仿真模型对超材料的结构(即人造微结构)进行仿真以得到超材料的结构参数，并根据超材料的结构参数与其物理特性的特定关系建立一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线。此外，仿真模块201可以由任意能实现仿真功能的仿真模型构成，在此不再赘述。拟合模块202主要是对仿真模块201中产生的响应曲线进行拟合。以使杂乱无章的响应曲线用一个参数方程表示。本实施例主要是利用时间-空间高斯过程法通过参数方程的形式对响应曲线进行拟合。分解模块203主要是对拟合模块202中的参数方程进行分解以得到一系列参数。本实施例主要是使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对参数方程进行分解以得到多个参数抽取模块204主要是抽取从分解模块203中分解得到的参数中的有用参数集合。抽取得到的有用参数集合为进一步对超材料的结构参数进行设计提供了有效的数据，本发明主要是利用Boosting、Lasso或Dantzig等统计优化的方法从大量分解后的参数中抽取有用的参数集合。设计模块205主要是利用抽取模块204抽取到的有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料，如具有所需的汇聚电磁波、发散电磁波等特性的超材料。设计模块205主要是通过控制仿真模块201来进行设计的。请参考图3，图3是本发明超材料设计装置第二实施例的结构示意图。本发明超材料设计装置300与本发明超材料设计装置200的不同之处在于，如图3所示，本发明超材料设计装置300包括仿真模块301、参数方程模块302、数据库模块303以及统计优化模块304。其中，参数方程模块302包括:通过参数方程对仿真模块301产生的以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线进行拟合以及对参数方程进行分解以得到一系列参数。参数方程模块302目前所使用的方法包括但不限于多项式法、傅里叶变换法、小波变换法以及时间-空间高斯过程法。例如，在设计对电磁波有响应的超材料时，可以设计超材料的结构以得到按规律排布的超材料的介电常数和磁导率。即用仿真模型对超材料的结构参数进行仿真，建立一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的介电常数和磁导率为因变量的响应曲线。然后对曲线进行拟合以及分解参数方程。数据库模块303主要用于存储参数方程模块302中对参数方程进行分解得到的多个参数。统计优化模块304包括:在从参数方程模块302中抽取参数方程的信息的基础上抽取数据库模块303中存有的多个参数中的有用参数集合，并根据有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。统计优化模块304目前所使用的方法包括但不限于Boosting、Lasso及Dantzig。上述的参数方程模块302、数据库模块303以及统计优化模块304之间的接口都是通过MATLAB编程实现的。
综上所述，本发明利用计算机对超材料的结构参数进行仿真以产生响应曲线，再通过参数方程对响应曲线进行拟合并对参数方程进行分解以得到多个参数，最后抽取有用的参数并进一步设计超材料的结构参数，以得到具有所需物理特性的超材料。通过上述方式，本发明对超材料的理论设计进行反复的测试和改进，以使设计的结果最接近生产的要求，提高了设计的准确率以及降低了设计成本。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种超材料设计方法，所述超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，其特征在于， 产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线； 通过参数方程对所述响应曲线进行拟合； 对所述参数方程进行分解以得到多个参数； 抽取数据库中存有的所述分解得到的多个参数中的有用参数集合； 根据所述有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。
2.根据权利要求1所述的超材料设计方法，其特征在于，所述超材料的结构参数为所述基材的材料、尺寸，所述人造微结构的材料、拓扑结构和几何尺寸，所述超材料的物理特性为电场响应、磁场响应和/或折射率。
3.根据权利要求1所述的超材料设计方法，其特征在于，所述通过参数方程对所述响应曲线进行拟合的步骤包括: 使用时间-空间高斯过程法通过参数方程对所述响应曲线进行拟合。
4.根据权利要求1所述的超材料设计方法，其特征在于，所述对所述参数方程进行分解以得到多个参数的步骤包括: 使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对所述参数方程进行分解以得到多个参数。
5.根据权利要求1所述的超材`料设计方法，其特征在于，所述抽取数据库中存有的所述分解得到的多个参数中的有用参数集合的步骤包括: 在抽取参数方程的信息的基础上通过使用Boosting、Lasso或Dantzig抽取数据库中存有的所述分解得到的多个参数中的有用参数集合。
6.一种超材料设计装置，所述超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造微结构，其特征在于，所述超材料设计装置包括: 仿真模块，用于产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线； 拟合模块，用于通过参数方程对所述响应曲线进行拟合； 分解模块，用于对所述参数方程进行分解以得到多个参数； 抽取模块，用于抽取数据库中存有的所述分解得到的多个参数中的有用参数集合； 设计模块，用于根据所述有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。
7.根据权利要求6所述的超材料设计装置，其特征在于，所述仿真模块中的所述超材料的结构参数为所述基材的材料、尺寸，所述人造微结构的材料、拓扑结构和几何尺寸，所述超材料的物理特性为电场响应、磁场响应和/或折射率。
8.根据权利要求6所述的超材料设计装置，其特征在于，所述拟合模块使用时间-空间高斯过程法通过参数方程对所述响应曲线进行拟合。
9.根据权利要求6所述的超材料设计装置，其特征在于，所述分解模块使用多项式方法、傅里叶变换方法或小波变换方法并通过MATLAB实现对所述参数方程进行分解以得到多个参数。
10.根据权利要求6所述的超材料设计装置，其特征在于，所述抽取模块在抽取参数方程的信息的基础上通过使用Boosting、Lasso或Dantzig抽取数据库中存有的所述分解得到的多个参数中的有用 参数集合。
全文摘要
本发明提供了一种超材料设计装置及其设计方法。其中，超材料包括基材及周期排布在基材上的多个人造结构，该方法包括产生一以超材料的结构参数为自变量，以超材料的物理特性为因变量的响应曲线；通过参数方程对响应曲线进行拟合；对参数方程进行分解以得到多个参数；抽取数据库中存有的分解得到的多个参数中的有用参数集合；根据有用参数集合进一步对超材料的结构参数进行设计，以得到具有所需物理特性的超材料。通过上述方式，本发明的超材料设计装置及其方法可以用计算机仿真技术以及相应的统计优化技术对超材料的理论设计进行反复的测试和改进，以使设计的结果最接近生产的要求，提高了设计的准确率以及降低了设计成本。
文档编号G06F17/50GK103164557SQ20111041850
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 殷俊 申请人:深圳光启高等理工研究院