专利名称：超材料单元结构体的设计方法及设计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料设计领域，特别是涉及超材料单元结构体的设计方法及设计系统。
背景技术：
超材料是一种人工电磁材料，一般是通过设计和加工超材料单元结构体的方法来实现不同超材料的特定电磁或者声纳响应特性。因此，超材料单元结构体的设计在超材料设计中具有重要作用，往往通过建模设计成千上万个相互不同的超材料单元结构体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。一种超材料单元结构体可能包含多个属性参数，例如长、宽、厚度、介电常数、材料材质等属性参数，因此该超材料单元结构体的电磁响应参数同样是多维的，每改变其中的一个属性参数，都将影响超材料单元结构体的电磁响应特性。传统的超材料单元结构体设计方法是，由人工逐一改变超材料单元结构体的属性参数，测试某一频率的电磁信号通过该结构体的响应特性，并与目标电磁响应特性进行对t匕，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。例如，在图1所示的传统超材料单元结构体设计流程中，在Sll步骤中通过人工调整改变超材料单元结构体的参数，如长度、宽度等属性参数，微调单位可能达到毫米级，甚至微米级、纳米级，因此人工工作量相当大。如果再考虑调整改变单元结构体的介电常数、材料材质等属性参数，则进一步增加了设计超材料单元结构体的工作量。另外，在超材料单元结构体设计流程中对超材料单元结构体的属性参数的调整改变，应该向着设计目标的方向不断收敛接近，特别是在超材料单元结构体的属性参数较多时，如果不进行这种处理将会使超材料单元结构体参数的调整改变具有盲目性，同样也会带来工作量的增加。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种超材料单元结构体的设计方法和设计系统，针对超材料单元结构体的多种属性参数，能够进行快速地收敛调整，使得最终确定的属性参数所对应的超材料单元结构体具有的电磁响应特性与设计目标电磁响应特性相同或最为接近。为解决上述技术问题，本发明提供的一种超材料单元结构体的设计方法实施例，其技术方案包括:转移步骤，由该超材料单元结构体的第一参数集转移变换得到该超材料单元结构体的第二参数集；选择步骤，对该超材料单元结构体的第一参数集和该超材料单元结构体的第二参数集做收敛选择，得到该超材料单元结构体的第三参数集；比较步骤，将由该第三参数集对应的该超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性进行对比，若由该第三参数集对应的该超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性相同或最接近，则该第三参数集对应的该超材料单元结构体即为符合设计要求的超材料单元结构体，否则将该第三参数集作为该超材料单元结构体的新的第一参数集返回到该转移步骤中，并重复进行上述各步骤。在一个优选实施例中，在该转移步骤中，通过对称的概率转移函数实现该超材料单元结构体的第一参数集到该超材料单元结构体的第二参数集的转移变换。在一个优选实施例中，在该选择步骤中进行收敛选择的方法是:首先，从均匀分布U Uniform
中抽样得到一个抽样值，然后用该第二参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性除以该第一参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性，得到一个比值，若该比值大于或等于该抽样值，则选择该第二参数集为第三参数集，否则，若该比值小于该抽样值，则选择该第一参数集为第三参数集。在一个优选实施例中,所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性相同或最接近是通过设定自定义函数以及阀值来确定的，若函数值小于阈值，即认为是相同或最接近。本发明还提供一种超材料单元结构体设计系统，该设计系统包括:转移单元，用于完成该超材料单元结构体的第一参数集到该超材料单元结构体的第二参数集的转移变换；选择单元，用于对该转移单元输出的该超材料单元结构体的第一参数集和该超材料单元结构体的第二参数集做收敛选择，得到该超材料单元结构体的第三参数集；比较单元，用于将该选择单元输出的该第三参数集对应的该超材料单元结构体的电磁响应特性，与目标电磁响应特性进行比较，若该第三参数集对应的该超材料单元结构体的电磁响应特性与该目标电磁响应特性相同或最接近，则该第三参数集对应的该超材料单元结构体即为符合设计要求的超材料单元结构体，否则，将该第三参数集作为该超材料单元结构体的新的第一参数集返回到该转移单元中，并在上述各单元中重复进行运算。在一个优选实施例中，在该转移单元中，该超材料单元结构体的第一参数集到该超材料单元结构体的第二参数集的转移变换处理是通过对称的概率转移函数实现的。在一个优选实施例中，在该选择单元中，对该第一参数集和该第二参数集进行收敛选择的方法是:首先，从均匀分布U Uniform
中抽样得到一个抽样值，然后用该第二参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性除以该第一参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性，得到一个比值，若该比值大于或等于该抽样值，则选择该第二参数集为第三参数集，否则，若该比值小于该抽样值，则选择该第一参数集为第三参数集。本发明的有益效果是:提供了一种快速、便利的超材料单元结构体设计方法和设计系统，降低了超材料单元结构体设计实现难度，提高了设计效率，有利于超材料产业化应用。
图1是现有技术中的超材料单元结构体设计方法的一个实施例的设计流程示意图；图2是根据本发明超材料单元结构体设计方法的一个实施例的设计流程示意图；和图3是本发明超材料单元结构体设计系统实施例的模块示意图。
具体实施例方式图1是现有技术中的超材料单元结构体设计方法的一个实施例设计流程示意图。其中，在Sll步骤中对超材料单元结构体的参数进行调整，调整既可以是对超材料单元结构体的一个参数进行改变，也可以是对超材料单元结构体的多个参数进行改变，这种调整变化是由人工根据经验进行。S12步骤对从Sll步骤中经过参数调整的超材料单元结构体进行计算，得到其电磁响应特性，然后在S13步骤中与设计目标电磁响应特性进行比较，在S14步骤中对S13步骤中的比较结果进行选择，若接近目标电磁响应特性则在S15步骤中结束设计过程，否则返回到Sll步骤中，重新调整超材料单元结构体的参数，再次进行比较选择，直至接近目标电磁响应特性。在该实施例中，不能保证每次的调整变化得到的单元结构体的参数都优于之前进行的调整变化。由于超材料单元结构体的电磁响应特性是由多种属性参数决定的，为便于说明，这里把超材料单元结构体多个属性参数集合在一起，称之为超材料单元结构体的参数集，例如超材料单元结构体参数集是其长度、宽度、厚度、介电常数、材料材质等属性参数的集合。在这里用X表示超材料单元结构体参数集，定义X= (X1, X2,..., xn),其中X1, X2,...,xn表示超材料单元结构体的η个属性参数，每个属性参数可以取不同的参数值，为了区分这些取不同参数值的参数集，可以用第一参数集、第二参数集、第三参数集...进行区分表示。另外，由于超材料单元结构体的电磁响应特性是由其参数集决定的，因此可以将超材料单元结构体的电磁响应特性作为超材料单元结构体参数集的函数，定义G(X)为超材料单元结构体的电磁响应特性。图2是本发明超材料单元结构体设计方法的一个优选实施例设计流程示意图。该设计方法主要包括转移步骤S21、选择步骤S22以及比较步骤S23。在转移步骤S21中，首先得到超材料单元结构体的第一参数集XI，Xl = (χη,X12,..., Xln),其中X11, X12,...，Xln表示第一参数集Xl中的各个属性参数值，这些参数值的初始值是估计值，即根据经验得到的参数值，在随后的设计过程中，第一参数集Xl中的参数值则通过随后的比较步骤S23不断进行更新。接着，对第一参数集Xl中的各属性参数值进行随机变化处理，转移得到该超材料单元结构体的第二参数集Χ2，Χ2 = (x21, X22,
x2n)，作为一种优选实施方式，这种通过随机变化转移得到的第二参数集Χ2是根据对称的概率转移函数，即建议函数T (XI，Χ2)从Xl转移得到的，其中T (XI，Χ2) =Τ(Χ2，Χ1)。其中，建议函数Τ(Χ1，Χ2)是一个以Χ2为变量的概率密度函数，表征的是从当前位置Xl跳转到Χ2位置处的概率密度。通过该函数可算出任意Χ2所对应的概率密度值，这个值越大，代表跳转到Χ2处的几率越大。在接下来的选择步骤S22中，对上述转移步骤S21中的第一参数集Xl和第二参数集Χ2进行收敛选择，进而得到第三参数集Χ3，即Χ3 = Xl或者Χ3 = Χ2。这种收敛选择的目的，是使得要设计的超材料单元结构体的参数集所对应的电磁响应特性不断向着接近目标电磁响应特性的方向变化，这样以来，通过选择得到的第三参数集Χ3的可选范围将不断缩小，以保证超材料单元结构体的参数集不断进行收敛变化而接近设计目标。作为一种优选实施方式，对第一参数集Xl和第二参数集X2进行收敛选择的方法是:首先从均匀分布U Uniform [O, I]中抽样得到一个抽样值U1，然后用超材料单元结构体第二参数集X2对应的电磁响应特性G (X2)除以超材料单元结构体第一参数集Xl对应的电磁响应特性G(Xl)，即G (X2) /G(Xl),再将 G (X2) /G (Xl)与 Ul 进行比较，若 Ul 彡 G (X2) /G(Xl),则 X3 = X2,否则若Ul > G (X2) /G (Xl)，则 X3 = Xl。当得到超材料单元结构体的第三参数集X3后，在比较步骤S23中，比较超材料单元结构体的第三参数集X3对应的电磁响应特性与目标电磁响应特性，若第三参数集X3对应的电磁响应特性与目标电磁响应特性最为接近或相同，则将该第三参数集X3所确定的超材料单元结构体作为最终满足设计要求的超材料单元结构体，否则将选择步骤S22得到的超材料单元结构体的第三参数集X3作为超材料单元结构体新的第一参数集Xl返回到转移步骤S21，并重复进行以上各步骤。其中，关于第三参数集X3对应的电磁响应特性与目标电磁响应特性接近的判断方法可以通过定义评价函数的方法来进行，并用评价函数值反映特性的接近程度，例如评价函数值越大表明越接近设计要求，这样，经过多次选择和比较后，可以得到评价函数值中的最大值，该最大值所对应的参数集即是最为接近设计要求的超材料单元结构体的参数集，而由该参数集对应的电磁响应特性就是与目标电磁响应特性最为接近的电磁响应特性。在另一个优选实施例中,所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性相同或最接近是通过设定自定义函数以及阀值来确定的，若函数值小于阈值，即认为是相同或最接近。以上设计方法主要是利用对称建议函数T (XI，X2)对当前状态进行一个合理的转移，然后利用接受-拒绝规则来缩小状态空间，本实施例用来寻找最优的单元结构参数。“接收-拒绝规则”是指相应的约束条件，当跳转 到的新位置满足这些条件时即接受，否则拒绝。U Uniform
代表U是从区间
内均勻的随机的抽取一个值。该设计方法所具体采用的数学算法为Metropolis算法。图3是本发明超材料单元结构体设计系统的一优选实施例。该设计系统包括转移单元31，选择单元32和比较单元33。转移单元31用于完成超材料单元结构体的第一参数集到超材料单元结构体的第二参数集的转移变换；选择单元32则对转移单元31输出的第一参数集和第二参数集进行收敛选择，得到超材料单元结构体的第三参数集；在比较单元33中，则对选择单元32输出的超材料单元结构体的第三参数集计算其电磁响应特性，并与设计目标电磁响应特性进行比较运算，若第三参数集对应的电磁响应特性与目标电磁响应特性最接近或相同，则将该第三参数集所对应的超材料单元结构体作为最终满足设计要求的超材料单元结构体，否则将该第三参数集作为超材料单元结构体新的第一参数集返回输入到转移单元31中，并在上述各单元中进行重复运算。作为一种优选实施方式，在转移单元31中，超材料单元结构体的第一参数集到超材料单元结构体的第二参数集的转移变换处理是通过对称的概率转移函数实现的。在一个优选实施方式，在该选择单元32中，对该第一参数集和该第二参数集进行收敛选择的方法是:首先，从均匀分布U Uniform
中抽样得到一个抽样值，然后用该第二参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性除以该第一参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性，得到一个比值，若该比值大于或等于该抽样值，则选择该第二参数集为第三参数集，否则，若该比值小于该抽样值，则选择该第一参数集为第三参数集。下文再介绍一个本发明超材料单元结构体设计方法的实例:第一步:根据经验设置某单元结构体的属性参数Pi ；第二步:使用某一频率fi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:采用Metropolis算法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。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
1.一种超材料单元结构体设计方法，所述超材料单元结构体包括第一参数集，其特征在于，所述设计方法包括: 转移步骤，由所述超材料单元结构体的第一参数集转移变换得到所述超材料单元结构体的第二参数集； 选择步骤，对所述超材料单元结构体的第一参数集和所述超材料单元结构体的第二参数集做收敛选择，得到所述超材料单元结构体的第三参数集； 比较步骤，将由所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性进行对比，若由所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性相同或最接近，则所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体即为符合设计要求的超材料单元结构体，否则将所述第三参数集作为所述超材料单元结构体的新的第一参数集返回到所述转移步骤中，并重复进行上述各步骤。
2.根据权利要求1所述的超材料单元结构体设计方法，其特征在于:所述第一、第二和第三参数集包括所述超材料单元结构体的长度、宽度、厚度、介电常数、材料材质中的至少一种属性参数。
3.根据权利要求1或2所述的超材料单元结构体设计方法，其特征在于:在所述转移步骤中，通过对称的概率转移函数实现所述超材料单元结构体的第一参数集到所述超材料单元结构体的第二参数集的转移变换。
4.根据权利要求3所述的超材料单元结构体设计方法，其特征在于:在所述选择步骤中，所述收敛选择的方法是:首先，从均勻分布U Uniform
中抽样得到一个抽样值，然后用所述第二参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性除以所述第一参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性，得到一个比值，若所述比值大于或等于所述抽样值，则选择所述第二参数集为所述第三参数集，否则，若所述比值小于所述抽样值，则选择所述第一参数集为所述第三参数集。
5.根据权利要求1所述的超材料单元结构体设计方法，其特征在于:所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与目标电磁响应特性相同或最接近是通过设定自定义函数以及阀值来确定的，若函数值小于阈值，即认为是相同或最接近。
6.一种超材料单元结构体设计系统，所述超材料单元结构体包括第一参数集，其特征在于，所述设计系统包括: 转移单元，用于完成所述超材料单元结构体的第一参数集到所述超材料单元结构体的第二参数集的转移变换； 选择单元，用于对所述转移单元输出的所述超材料单元结构体的第一参数集和所述超材料单元结构体的第二参数集做收敛选择，得到所述超材料单元结构体的第三参数集； 比较单元，用于将所述选择单元输出的所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性，与目标电磁响应特性进行比较，若所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体的电磁响应特性与所述目标电磁响应特性相同或最接近，则所述第三参数集对应的所述超材料单元结构体即为符合设计要求的超材料单元结构体，否则，将所述第三参数集作为所述超材料单元结构体的新的第一参数集返回到所述转移单元中，并在上述各单元中重复进行运算。
7.根据权利要求6所述的超材料单元结构体设计系统，其特征在于:在所述转移单元中，所述超材料单元结构体的第一参数集到所述超材料单元结构体的第二参数集的转移变换处理是通过对称的概率转移函数实现的。
8.根据权利要求7所述的超材料单元结构体设计系统，其特征在于:在所述选择单元中，所述收敛选择的方法是:首先，从均勻分布U Uniform
中抽样得到一个抽样值，然后用所述第二参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性除以所述第一参数集对应的超材料单元结构体的电磁响应特性，得到一个比值，若所述比值大于或等于所述抽样值，则选择所述第二参数集为所述第三参数集，否则，若所述比值小于所述抽样值，则选择所述第一参数集为所述第 三参数集。
全文摘要
本发明公开了一种超材料单元结构体设计方法。该方法包括转移步骤、选择步骤以及比较步骤，通过以上步骤，本发明能够对超材料单元结构体的多个属性参数进行收敛选择，最终得到接近目标电磁响应特性的超材料单元结构体。该设计方法快速、便利，降低了超材料单元结构体设计实现难度，提高了设计效率，有利于超材料产业化应用。本发明还公开了一种超材料单元结构体设计系统。
文档编号G06F17/50GK103093010SQ20111033826
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者刘若鹏, 季春霖, 刘斌, 陈亮 申请人:深圳光启高等理工研究院