电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法
【专利摘要】本发明涉及一种频率响应特征优化频点调节技术，具体而言，涉及电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法。该方法主要包括：根据优化频段和优化目标产生目标函数，并利用优化算法，对优化频点有序序列进行一次以上迭代运算，获得最优个体。比较最优个体的频率响应曲线与优化目标，判断是否存在不满足优化目标的频点，如果不存在，优化完成；如果存在，则在优化频段内选取n个新的优化频点。判断n个新的优化频点是否能加入优化频点有序序列，如果不能加入，优化失败；如果能加入，将新的优化频点有序地加入优化频点有序序列，则重复上述步骤。该方法有效的解决了典型优化频点满足预定目标但整个频段内整体不满足预定目标的问题。
【专利说明】
电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种频率响应特征优化频点调节技术，具体而言，涉及电磁功能材料 优化设计的自适应优化频点调节方法。
【背景技术】
[0002] 电磁功能材料由于具备某种特定的电磁响应特征，广泛应用于各种功能元器件， 在信息技术、电磁防护、国防等重点领域发挥着关键作用，对高新技术的发展及新产业的形 成具有重要的意义。为获得电磁功能材料更宽频段、更优异的电磁响应特征，需要根据事先 设定的电磁响应技术指标，从材料介质选材到立体结构等方面进行严格的优化设计。电磁 功能材料优化设计需要针对优化算法给出的每一种介质组合及其形成的立体结构，建立复 杂的三维模型，计算其在一系列频率下的电磁响应。为实现某个电磁响应技术指标的电磁 功能材料优化设计，需要针对大量不同模型进行大规模电磁场数值计算。由于最终优化目 标是针对某个频段，这就要求优化的电磁功能材料在整个频段内均满足预定要求。然而，实 际优化过程中，计算每个个体目标函数时，不可能针对频段内所有频点计算其电磁响应，只 能在频段范围内选择少量典型优化频点，计算个体在该优化频点的电磁响应特征，并与预 定目标对比，形成目标函数。
[0003] 现有优化方法通常根据预定目标情况，选取固定的典型优化频点进行优化。这就 存在一个问题，按照事先选定的典型优化频点进行优化后，获得的最优电磁功能材料在选 定的典型优化频点均达到预定目标，但在整个频段范围内，优化获得的最优电磁功能材料 仍不能在整个频段达到预定目标。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法， 以解决现阶段电磁功能材料优化设计过程中只选取固定的典型优化频点，使得无法保证获 得的最优电磁功能材料在整个频段内都能达到预定目标的问题。
[0005] 本发明提供了一种电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其包括：
[0006] 步骤1:根据用户提供的优化频段和优化目标，选取一个以上初始典型优化频点， 所述一个以上初始典型优化频点形成优化频点有序序列；
[0007] 步骤2:选定优化算法；
[0008] 步骤3:定义目标函数，并利用所述优化算法，对优化频点有序序列进行一次以上 迭代运算，直到所述目标函数收敛缓慢或达到优化目标时，获得最优个体；
[0009] 步骤4:计算所述最优个体在所述优化频段内的电磁响应特征，以获得最优个体的 频率响应曲线；
[0010] 步骤5:比较最优个体的频率响应曲线与所述优化目标，判断是否存在不满足优化 目标的频点，如果不存在，优化完成;如果存在，进行步骤6;
[0011] 步骤6:在优化频段内选取η个新的优化频点，η多0;
[0012] 步骤7:判断η个新的优化频点是否能加入优化频点有序序列，如果不能加入，优化 失败;如果能加入，进行步骤8;
[0013] 步骤8:将所述新的优化频点有序地加入优化频点有序序列，返回步骤3。
[0014] 在一些实施例中，优选为，所述步骤3中，所述目标函数收敛缓慢为:连续经过M次 迭代，目标函数下降速度不高于S，所述M和δ均为预设值。
[0015] 所述步骤6包括:根据频点最小间距规则，从优化频段内选取N个频点；将N个频点 按照电磁响应曲线与优化目标的偏差从大到小排列，构成偏差序列;选取所述偏差序列中 的前η频点，视为新的优化频点。所述频点最小间距规则为:将新的优化频点加入优化频点 有序序列后，新的优化频点有序序列的相邻频点间距大于Af，Af=(f max-f_)/C，fmax、f_ 分别为所述优化频段内的最高频率和最低频率，C为大于正在优化频点数的常数值。
[0016] 所述步骤7包括：当n = 0时，判断步骤3中目标函数收敛缓慢的判断规则是否有效； 若有效，则降低目标函数收敛缓慢的判断规则，η个新的优化频点能加入优化频点有序序 列，进入步骤8;若无效，η个新的优化频点不能加入优化频点有序序列，优化失败；当η>0 时，直接判定η个新的优化频点能加入优化频点有序序列，进入步骤8。
[0017] 所述目标函数收敛缓慢的判断规则是否有效的判断方式为:若Μ〈ΜΜ、δ = 〇,则有 效，否则，无效。所述降低目标函数收敛缓慢的判断规则为:增加迭代次数M的值、降低目标 函数下降速度S的值，M的值不超过预设的最大迭代次数M maxJ多〇。
[0018] 所述电磁功能材料为特定频率范围内具有满足特定要求的电磁响应特征材料，包 括:吸波材料、电磁屏蔽材料、频率选择材料或干扰抑制材料。优化算法为研究如何在状态 空间中寻找全局最优点的方法，包括:差分进化算法、蚁群算法或遗传优化算法。
[0019] 本发明实施例提供的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，与现有 技术相比，根据优化目标(如工作频段、不同频段的电磁特性)确定初始优化频点及目标函 数，然后利用选定的优化算法，经过一定次数迭代获得最优个体，并计算该个体在优化频段 内的电磁响应特征。通过比对最优个体的频率响应曲线与所述优化目标，判断是否满足优 化目标，如果满足优化目标，则优化完成，该方法进程截止。如果不满足优化目标，则在优化 频段内选取η个新的优化频点，并判断η个新的优化频点是否能加入优化频点有序序列，如 果不能加入，优化失败，该方法进程截止。如果能加入，将新的优化频点有序地加入优化频 点有序序列，并重复以上操作:定义目标函数、迭代运算、获得最优个体以及比较最优个体 的频率响应曲线与所述优化目标等等，本方法周而复始的进行上述操作过程，直至满足优 化目标或优化失败，进而，能有效避免由于选取的典型优化频点不足而导致出现伪最优目 标，解决了典型优化频点满足预定目标但整个频段内整体不满足预定目标的问题。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明一个实施例中电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法步 骤示意图。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是 本发明的一部分实施例，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 员在没有做出创造性劳动的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。
[0022] 针对现阶段的电磁功能材料优化设计过程中选取固定的典型优化频点，使得无法 保证获得的最优电磁功能材料在整个频段内都能达到预定目标的问题，本发明提出了一种 电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法。如图1所示，其具体包括：
[0023] 步骤1:根据用户提供的优化频段和优化目标，选取一个以上初始典型优化频点， 一个以上初始典型优化频点形成优化频点有序序列;其中，初始典型优化频点，为反映整个 优化频段范围要求的电磁响应特征的频率点，以及用于反映所述频率点的优化目标值； [00 24]步骤2:选定优化算法；
[0025] 步骤3:定义目标函数，并利用优化算法，对优化频点有序序列进行一次以上迭代 运算，直到目标函数收敛缓慢或达到优化目标时，获得最优个体；
[0026] 步骤4:计算最优个体在优化频段内的电磁响应特征，以获得最优个体的频率响应 曲线；
[0027] 步骤5:比较最优个体的频率响应曲线与优化目标，判断是否存在不满足优化目标 的频点，如果不存在，优化完成;如果存在，进行步骤6;
[0028]步骤6:在优化频段内选取η个新的优化频点，n>0;
[0029] 步骤7:判断η个新的优化频点是否能加入优化频点有序序列，如果不能加入，优化 失败;如果能加入，进行步骤8;
[0030] 步骤8:将新的优化频点有序地加入优化频点有序序列，返回步骤3。
[0031]步骤2中根据已有的优化算法来选定一种或几种优化算法，其中优化算法包括:差 分进化算法、蚁群算法或者遗传优化算法，本发明中的算法不局限于这几种算法，还可以是 本领域内的其他算法。不同优化算法可能都能完成某个目标的优化，但可能不同用户拥有 一种或几种优化算法的代码，同时还可根据优化目标和所要进行优化的电磁功能材料的特 性，来进行选定优化算法。电磁功能材料为在特定频率范围内，具有满足特定要求的电磁响 应特征材料，包括:吸波材料、电磁屏蔽材料、频率选择材料或干扰抑制材料等等。并且，电 磁功能材料的优化目标是用户提供的，即用户希望被优化的材料在什么频段(优化频段）内 具有的电磁响应特征(优化目标），根据该优化目标产生目标函数。目标函数是指为达到用 户指定的优化目标设置的函数，用来刻画优化的个体表现出来的性能与用户设置的优化目 标性能有多大差别，通常差别越大，算出的目标函数值越大，优化的目标就是让目标函数值 最小化。例如：用户要求优化材料IGHz~18GHz吸波效能都在IOdB以上，选择了 IGHz，8GHz和 18GHz作为优化频点，某个优化个体算出在此3个优化频点的吸波效能为2dB，5dB和I IdB，如 果定义目标函数为：
[0032] 12 2 其中，T为定义的目标函数值;Ti为每个优化频率点的目标函数，fi为优化的频点， 如果步骤4-8中优化的频点有所变化，则式（1)定义的目标函数也随之修正。式(2)表示为： 如果该频率下吸波效能优于设定的目标，τ^〇,否则取(?κω-?Μω) 2,这里R(f〇和办出） 分别为在频率点6下个体实际的吸波效能和设定的目标。根据上面的定义，可以算出这个 个体的目标函数值为:T = (10-2)2+ (10-5) 2+0 = 89。目标函数的选择会影响优化结果，在本 发明的方法中，目标函数不是固定不变的，而是会随着步骤4-8的进行在不断修正调整，使 得找到满足优化目标的最优个体。在上述步骤3中，利用选定的优化算法，对优化频点有序 序列进行一次以上迭代运算，直到目标函数收敛缓慢或达到优化目标，获得最优个体。该最 优个体是指在优化频段内具有最佳电磁响应特征的优化材料模型(材料选材、三维结构特 征等等）。其中，目标函数收敛缓慢即为:连续经过M次迭代，目标函数下降速度不高于δ，Μ和 S均为预设值，该预设值可根据优化目标确定。
[0035] 上述步骤6包括:根据频点最小间距规则，从优化频段内选取N个频点；将N个频点 按照电磁响应曲线与优化目标的偏差从大到小排列，构成偏差序列;选取偏差序列中的前η 频点，视为新的优化频点。频点最小间距规则为：将新的优化频点加入优化频点有序序列 后，优化频点有序序列的相邻频点间距大于Af，Af=(f max-f_)/C，fmax、f_分别为所述优 化频段内的最高频率和最低频率，C为大于正在优化频点数的常数值。由于在对电磁功能材 料优化设计过程中，不可能将优化材料模型在优化频段范围内的所有频率都进行观测与优 化，这需要非常长的时间，因此只能选择特定频率点，将优化材料模型在该频点进行观测与 优化。
[0036] 上述步骤7包括：当n = 0时，判断步骤3中目标函数收敛缓慢的判断规则是否有效； 若有效，则降低目标函数收敛缓慢的判断规则，将η个新的优化频点加入优化频点有序序 列，进入步骤8;若无效，η个新的优化频点不能加入优化频点有序序列，优化失败；当η>0 时，直接判定η个新的优化频点能加入优化频点有序序列；则η个新的优化频点有序地加入 优化频点有序序列，进入步骤8。
[0037] 目标函数收敛缓慢判断规则有效，是指不能无限制降低目标函数收敛缓慢判断规 贝IJ，否则有可能永远不能正常退出。判断规则有效，是指经过多次降低目标函数收敛缓慢判 断规则(Μ = Μ+ΛΜ，δ = δ - Λδ)后，仍满足M〈Mmax，且δ = 0。目标函数收敛缓慢的判断规则有 效，即M〈Mmax且δ = 〇,否则，无效。上述降低目标函数收敛缓慢的判断规则的操作，为增加迭 代次数M的值、降低目标函数下降速度δ的值，M的值不超过预设的最大迭代次数M max, 即M=M +ΛΜ且Μ〈Μ_，δ = δ-Λδ且δ> = 〇。为更清楚理解上述判断规则方案，给出以下实例:根据优 化目标和优化频段，根据实际情况最初定义M= 10，δ = 〇. I ,Mmax= 100，则认为迭代10次目标 函数下降量不超过0.1的情况下认为为目标函数收敛缓慢，此时停止优化迭代找出最优个 体，检查这个优化个体的整个优化频段内吸波效能是否满足优化目标，如果不满足，检查是 否有需要新加入的优化频点。如果依据频点最小间距规则找不出新加入的优化频点，则降 低目标函数收敛缓慢判断规则，重新定义M = 20，δ = 〇 . 05，以此类推，一直至IjM = 100，δ = 〇， 此时目标函数收敛缓慢判断规则失效，优化失败。
[0038] 对于该自适应优化频点调节方法，提供一个具体实例:优化一种吸波材料，利用差 分进化算法优化一种带频率选择表面的3~10层复合结构吸波材料，优化频段为IGHz~ 18GHz，优化目标为在优化频段内即IGHz~~18GHz范围内，吸波效能不低于10dB。但优化过 程中不可能对IGHz~18GHz范围内所有频率都进行观测与优化，这需要非常长的时间，因此 只能选择5个初始典型优化频点，如IGHz，6GHz，9GHz，HGHz和18GHz，IGHz，6GHz，9GHz， 14GHz和18GHz形成一个优化频点有序序列，而且初始典型优化频点可均匀分布在优化频 段，优化的目的是使得被选择的这些频率点的吸波效能均达到IOdB以上。迭代160次后发现 所选频点均满足优化目标，但比较最优个体的频率响应曲线与优化目标发现，虽然这些被 选择的频点及其附近频率的吸波效能达到IOdB以上，但在1.5GHz~4GHz、7GHz~8.5GHz、 106他~12.56取其频率响应均与预定目标有偏差，8卩在1.56他~46他、76取~8.56他、 IOGHz~12.5GHz频段内没达到IOdB以上。例如2.7GHz这个频点没被选为典型频率点，但最 优个体的实际计算发现其吸波效能仅为3dB。根据频点最小间距规则，选出频点2.7GHz与 7.7GHz插入原来的优化频点有序序列，继续优化，重新迭代189次所选频点均满足目标，但 比较最优个体的频率响应曲线与优化目标发现，在1.2GHz~2.3GHz、3GHz~4.5GHz其频率 响应不满足优化目标，插入频点1.7GHz与3.7GHz继续优化，重新迭代214次所选频点均满足 目标，再次比较最优个体的频率响应曲线与优化目标发现无偏差，优化完成。
[0039]以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在于，包括： 步骤1:根据用户提供的优化频段和优化目标，选取一个以上初始典型优化频点，所述 一个以上初始典型优化频点形成优化频点有序序列； 步骤2:选定优化算法； 步骤3:定义目标函数，并利用所述优化算法，对优化频点有序序列进行一次以上迭代 运算，直到所述目标函数收敛缓慢或达到优化目标时，获得最优个体； 步骤4:计算所述最优个体在所述优化频段内的电磁响应特征，以获得最优个体的频率 响应曲线； 步骤5:比较最优个体的频率响应曲线与所述优化目标，判断是否存在不满足优化目标 的频点，如果不存在，优化完成;如果存在，进行步骤6; 步骤6:在优化频段内选取η个新的优化频点，η多0; 步骤7:判断η个新的优化频点是否能加入优化频点有序序列，如果不能加入，优化失 败;如果能加入，进行步骤8; 步骤8:将所述新的优化频点有序地加入优化频点有序序列，返回步骤3。2. 如权利要求1所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述步骤3中，所述目标函数收敛缓慢为:连续经过Μ次迭代，目标函数下降速度不高于 δ，所述Μ和δ均为预设值。3. 如权利要求1所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述步骤6包括： 根据频点最小间距规则，从优化频段内选取Ν个频点； 将Ν个频点按照电磁响应曲线与优化目标的偏差从大到小排列，构成偏差序列； 选取所述偏差序列中的前η频点，视为新的优化频点。4. 如权利要求3所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述频点最小间距规则为:将新的优化频点加入优化频点有序序列后，新的优化频点有 序序列的相邻频点间距大于八1八【=(^^_)/(：，^^_分别为所述优化频段内的最 高频率和最低频率，C为大于正在优化频点数的常数值。5. 如权利要求1所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述步骤7包括： 当η = 0时，判断步骤3中目标函数收敛缓慢的判断规则是否有效;若有效，则降低目标 函数收敛缓慢的判断规则，η个新的优化频点加入优化频点有序序列，进入步骤8;若无效，η 个新的优化频点不能加入优化频点有序序列，优化失败； 当η>0时，直接判定η个新的优化频点能加入优化频点有序序列，进入步骤8。6. 如权利要求5所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述目标函数收敛缓慢的判断规则是否有效的判断方式为:若Μ〈Μ ΜΧ、δ = 〇,则有效，否 则，无效。7. 如权利要求5所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述降低目标函数收敛缓慢的判断规则为:增加迭代次数Μ的值、降低目标函数下降速 度δ的值，Μ的值不超过预设的最大迭代次数M max，δ多〇。8. 如权利要求1所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法，其特征在 于，所述电磁功能材料为特定频率范围内具有满足特定要求的电磁响应特征材料，包括:吸 波材料、电磁屏蔽材料、频率选择材料或干扰抑制材料。9. 如权利要求1-8任一项所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法， 其特征在于，所述优化算法为研究如何在状态空间中寻找全局最优点的方法，包括:差分进 化算法、蚁群算法或遗传优化算法。10. 如权利要求1-8任一项所述的电磁功能材料优化设计的自适应优化频点调节方法， 其特征在于，初始典型优化频点，为反映整个优化频段范围要求的电磁响应特征的频率点， 且用于反映所述频率点的优化目标值。
【文档编号】G06N3/00GK106055824SQ201610412717
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】王芬
【申请人】北京唯智佳辰科技发展有限责任公司