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介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置

阅读:421发布:2020-05-08

专利汇可以提供介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置,所述方法包括:对人工结构分层切割;实现对每层人工结构的电磁参数初 定位 ;结合数值分析方法和材料结构参数理论计算、拟合分层人工结构等效电磁参数的分布趋势;基于结构等效参数理论及所述分层人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算材料等效电磁参数搜索寻优空间;利用遗传 算法 生成材料等效电磁参数基因;利用 遗传算法 对所述材料等效电磁参数基因进行处理。根据本发明的方案,对于介质材料非均匀的人工结构,实现了误差小、易于实现的电磁参数反演。,下面是介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置专利的具体信息内容。

1.一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤S101:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
步骤S102:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
步骤S103:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
步骤S104:初始化当前层为第1层;
步骤S105:获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数,若是,进入步骤S1010;若否,进入步骤S106;
步骤S106:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
步骤S107:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
步骤S109:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值,若是,记录当前层的最优材料等效电磁参数基因,当前层的层数加1,即准备处理分层结构的下一层,进入步骤S105,若否,进入步骤S108;
步骤S1010:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
2.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,所述介质材料非均匀的人工结构包括自输入到输出方向排列的复合材料层和介质材料功能层,所述复合材料层针对不同应用材料属性设定相应参数,所述人工介质材料功能层通过S参数分层反演、参数分布趋势拟合、搜索空间计算、遗传算法迭代实现电磁参数与性能的反演。
3.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数反演首先通过理论算法Motamedi或Smith S参数反演进行等效电磁参数初始定位。
4.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,所述搜索空间的广度是基于人工结构的尺寸、占空比以及人工结构材质极限条件进行数值概算的。
5.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,人工结构的介质材料功能层进行分层时,分层的厚度可以按照需求设定。
6.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离,包括:
步骤S1081:基于介电常数与损耗正切的对整体的透波性能的影响特性,生成基因交叉、变异规则;并对基因进行交叉、变异操作,生成新的基因;
步骤S1082:使用FDTD仿真结构进行仿真,得到该新的基因的参数仿真S21曲线数据;
步骤S1083:计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于等效电磁参数性能得分值确定曲线相似度距离,即计算
其中dis(S1,S2)表示两条曲线的综合量化相似程度,公式中的第一项 是两个向量的欧式距离,第二项||S1|·|S2|-|是两个向量的內积与两向量模的乘积的差的绝对值,值越大表示向量形态相似性越差;第一项体现了两个向量的空间距离大小,在参数优化过程中用于寻找空间距离最近的参数;第二项体现了两个向量的形态相似度。
7.如权利要求1所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,其特征在于,基因长度为20bit,种群大小为100,分布概率密度为高斯分布。
8.一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演装置,其特征在于,所述装置包括:
切割模:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
初定位模块:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
分布趋势生成模块:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
初始化模块:初始化当前层为第1层;
第一判断模块:用于获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数;
确定寻优空间模块:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
基因生成模块:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
遗传算法寻优模块:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
第二判断模块:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值;
输出模块:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
9.一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演系统,其特征在于,包括:
处理器,用于执行多条指令;
存储器,用于存储多条指令;
其中,所述多条指令,用于由所述存储器存储,并由所述处理器加载并执行如权利要求
1-7之任一项所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述存储介质中存储有多条指令;所述多条指令,用于由处理器加载并执行如权利要求1-7之任一项所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。

说明书全文

介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及介质材料人工结构领域,尤其涉及一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置。

背景技术

[0002] 随着现代电子信息传输、天线、雷达、网络、隐身等技术的不断提高,对新材料的电磁性能要求也越来越高,针对特殊电磁性能要求的介质材料人工结构得到了广泛的研究。介质材料人工结构等效电磁参数反演是介质材料人工结构电磁性能分析、理解与认知的最直接、有效的手段,也是新型超材料性能定制、结构设计与工程化的有效依据。
[0003] 目前,常用的介质材料人工结构电磁参数反演方法主要包括理论公式反演、Smith S电磁参数反演等。理论公式反演基于不同的模型计算介质材料人工结构的等效电磁参数,对介质材料的结构周期性具有一定的要求,即计算对象具有较大的局限性。Smith S电磁参数反演消除了对介质结构周期性的依赖,对复杂结构的反演效果优于理论计算方法,但对三维结构反演效果还存在一定误差。对于三维介质材料人工结构,常采用分层反演联合来提高精度,但由于各单层反演存在一定量的误差,会造成多层介质反演的误差累积,整体反演效果偏差变大。
[0004] 对于介质材料非均匀的人工结构,现有技术更缺少误差小、易于实现的电磁参数反演方法。

发明内容

[0005] 为解决上述技术问题,本发明提出了一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法及装置,所述方法及装置,用以解决现有技术中对于介质材料非均匀的人工结构缺少误差小、易于实现的电磁参数反演方法的技术问题。
[0006] 根据本发明的第一方面,提供一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法,包括以下步骤:
[0007] 步骤S101:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
[0008] 步骤S102:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
[0009] 步骤S103:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
[0010] 步骤S104:初始化当前层为第1层;
[0011] 步骤S105:获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数,若是,进入步骤S1010;若否,进入步骤S106;
[0012] 步骤S106:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
[0013] 步骤S107:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
[0014] 步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
[0015] 步骤S109:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值,若是,记录当前层的最优材料等效电磁参数基因,当前层的层数加1,即准备处理分层结构的下一层,进入步骤S105,若否,进入步骤S108;
[0016] 步骤S1010:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
[0017] 进一步地,所述介质材料非均匀的人工结构包括自输入到输出方向排列的复合材料层和介质材料功能层,所述复合材料层针对不同应用材料属性设定相应参数,所述人工介质材料功能层通过S参数分层反演、参数分布趋势拟合、搜索空间计算、遗传算法迭代实现电磁参数与性能的反演。
[0018] 进一步地,所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数反演首先通过理论算法Motamedi或Smith S参数反演进行等效电磁参数初始定位。
[0019] 进一步地,所述搜索空间的广度是基于人工结构的尺寸、占空比以及人工结构材质极限条件进行数值概算的。
[0020] 进一步地,人工结构的介质材料功能层进行分层时,分层的厚度可以按照需求设定。
[0021] 进一步地,所述步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离,包括:
[0022] 步骤S1081:基于介电常数与损耗正切的对整体的透波性能的影响特性,生成基因交叉、变异规则;并对基因进行交叉、变异操作,生成新的基因;
[0023] 步骤S1082:使用FDTD仿真结构进行仿真,得到该新的基因的参数仿真S21曲线数据;
[0024] 步骤S1083:计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于等效电磁参数性能得分值确定曲线相似度距离,即计算
[0025]
[0026] 其中dis(S1,S2)表示两条曲线的综合量化相似程度,公式中的第一项是两个向量的欧式距离,第二项||S1|·|S2|-|是两个向量的內积与两向量模的乘积的差的绝对值,值越大表示向量形态相似性越差;第一项体现了两个向量的空间距离大小,在参数优化过程中用于寻找空间距离最近的参数;第二项体现了两个向量的形态相似度。
[0027] 进一步地,基因长度为20bit,种群大小为100,分布概率密度为高斯分布。
[0028] 根据本发明第二方面,提供一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演装置,所述装置包括:
[0029] 切割模:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
[0030] 初定位模块:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
[0031] 分布趋势生成模块:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
[0032] 初始化模块:初始化当前层为第1层;
[0033] 第一判断模块:用于获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数;
[0034] 确定寻优空间模块:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
[0035] 基因生成模块:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
[0036] 遗传算法寻优模块:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
[0037] 第二判断模块:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值;
[0038] 输出模块:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
[0039] 根据本发明第三方面,提供一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演系统,包括:
[0040] 处理器,用于执行多条指令;
[0041] 存储器,用于存储多条指令;
[0042] 其中,所述多条指令,用于由所述存储器存储,并由所述处理器加载并执行如前所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。
[0043] 根据本发明第四方面,提供一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有多条指令;所述多条指令,用于由处理器加载并执行如前所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。
[0044] 根据本发明的上述方案,通过引入由Smith S参数反演和分层反演方法,初步确定分层介质材料人工结构的初始电磁参数,通过数值分析计算等效结构极限情况来确定优化参数搜索空间,结合改进遗传算法和梯度下降方法进行基因寻优。在FDTD环境中对反演参数模型和介质材料人工结构的电磁性能进行对比,结果显示本发明能够高度复现S21参数曲线。反演寻优电磁参数更精确地反映了介质材料人工合成结构的电磁性能,能够有效促进研究者对介质材料人工结构的理解与认知。
[0045] 上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

[0046] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明提供如下附图进行说明。在附图中:
[0047] 图1为本发明一个实施方式的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法流程图
[0048] 图2为本发明一个实施方式的介质材料非均匀的人工结构分3层对应的周期图案尺寸图;
[0049] 图3为本发明的实现电磁参数反演的全流程图;
[0050] 图4为本发明一个实施方式的参数寻优方法与Meto-Medi理论反演、Smith S参数反演方法的S21曲线对比图;
[0051] 图5为本发明一个实施方式提出的参数寻优方法、Meto-Medi理论反演方法和Smith S参数反演方法的S21曲线与实例梯度渐变结构材料S21曲线的差异距离值曲线对比图;
[0052] 图6为本发明一个实施方式的参数寻优获得电磁参数与Meto-Medi理论反演、Smith S参数反演获得参数对比示意图
[0053] 图7为本发明一个实施方式的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演装置结构框图

具体实施方式

[0054] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例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做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。
[0055] 首先结合图1说明为本发明一个实施方式的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法流程图。如图1所示,所述介质材料非均匀的人工结构包括复合材料和人工介质材料,所述方法包括以下步骤:
[0056] 步骤S101:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
[0057] 步骤S102:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
[0058] 步骤S103:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
[0059] 步骤S104:初始化当前层为第1层;
[0060] 步骤S105:获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数,若是,进入步骤S1010;若否,进入步骤S106;
[0061] 步骤S106:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
[0062] 步骤S107:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
[0063] 步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
[0064] 步骤S109:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值,若是,记录当前层的最优材料等效电磁参数基因,当前层的层数加1,即准备处理分层结构的下一层,进入步骤S105,若否,进入步骤S108;
[0065] 步骤S1010:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
[0066] 所述步骤S101:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等,包括:
[0067] 所述介质材料非均匀的人工结构包括自输入到输出方向排列的复合材料层和介质材料功能层,所述复合材料层针对不同应用材料属性设定相应参数,所述人工介质材料功能层通过S参数分层反演、参数分布趋势拟合、搜索空间计算、遗传算法迭代实现电磁参数与性能的高精度反演。
[0068] 人工结构的介质材料功能层进行分层时,分层的厚度可以按照需求设定,层数越多则反演寻优的迭代次数越多,相应的,反演精度越高。
[0069] 所述步骤S102:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效,包括:
[0070] 分层反演算法是在步骤S101的把介质材料非均匀的人工结构沿高度方向均匀划分为N层,然后将每一层近似看成均匀结构的基础上,进行的反演。本实施例中,将如图2所示的梯度渐变结构进行分层切割后,得到多层的,厚度均等的分层结构,对截面为正方形的长方体进行多层近似。利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,就是采用经验公式算法(例如Motamedi公式)或Smith S电磁参数反演方法,由介质材料非均匀的人工结构的在单胞/每层中的体积占比直接计算得到材料等效电磁参数。这样就可以得到材料变化趋势的初始值,但是上述两种方式外加分层等效都存在一定的误差,所以我们在初始值得基础上采用后续的的基于遗传算法的方式进行更优的、误差更小的材料等效电磁参数的匹配优化。
[0071] 图2为本发明一个实施方式的介质材料非均匀的人工结构分3层对应的周期图案尺寸示意图,如图2所示:
[0072] 所述人工结构为人工合成梯度周期结构材料,人工结构整体结构高度为h=6mm,上半径为5mm,下半径为8mm,材料介电常数ε为3.75,损耗角正切为tanD为0.008。本实施例将每个梯度单元结构分层3层,每层厚度di=2mm,从上到下依次半径对为(5mm,6mm)、(6mm,7mm)、(7mm,8mm),首先利用Smith S参数反演对每层电磁参数和损耗角正切粗定位,分别为(1.69,0.007),(2.01,0.012),(2.46,0.019),后续进一步对分层结构采用本发明提出的精确寻优反演方法进行电磁参数寻优计算。
[0073] 初定位的参数反应了其变化趋势,可以生成分布趋势,并将其作为遗传算法中参数生成的依据之一,由此提高寻优效率。
[0074] 所述步骤S103:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据,包括:
[0075] 结合数值分析方法和材料结构参数理论,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,利用通用的FDTD仿真模型进行仿真,得到仿真S21参数曲线数据;所述仿真S21参数曲线代表分层人工结构的等效电磁参数的分布趋势。
[0076] 本实施例的数值分析方法和材料结构参数理论计算采用本领域通用的方法,FDTD仿真方法也是本领域通用的方法。拟合分层人工结构等效电磁参数的分布参数采用的是公知的曲线拟合方法。采用本领域能用的方法,应用于分层的等效结构上,对各分层结构进行拟合。
[0077] 步骤S106:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间,本实施例中,所述搜索空间的广度是基于人工结构的尺寸、占空比以及人工结构材质极限条件进行数值概算的。也可以基于使用需要进行计算,确定当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间。
[0078] 本实施例的结构等效参数理论是Mota-Medi理论。也就是说材料等效电磁参数搜索空间是在分布趋势的基础上确定的,使每层对应的材料等效电磁参数在一个有限较小的空间中可以上下浮动,从而在保证变化趋势的基础上,加快寻优效率。
[0079] 所述步骤S107:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同,包括:
[0080] 对分层等效介质进行趋势性参数基因生成;
[0081] 本实施例中,基因长度为20bit,种群大小为100,分布概率密度为高斯分布。
[0082] 步骤S108:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离,包括:
[0083] 步骤S1081:基于介电常数与损耗角正切的对整体的透波性能的影响特性,生成基因交叉、变异规则;并对基因进行交叉、变异操作,生成新的基因;
[0084] 步骤S1082:使用FDTD仿真结构进行仿真,得到该新的基因的参数仿真S21曲线数据;
[0085] 步骤S1083:计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于等效电磁参数性能得分值确定曲线相似度距离,即计算
[0086]
[0087] 其中dis(S1,S2)表示两条曲线的综合量化相似程度,公式中的第一项是两个向量的欧式距离,第二项||S1|·|S2|-|是两个向量的內积与两向量模的乘积的差的绝对值,值越大表示向量形态相似性越差;第一项体现了两个向量的空间距离大小,在参数优化过程中用于寻找空间距离最近的参数;第二项体现了两个向量的形态相似度。
[0088] 本实施例的遗传算法是在步骤S106计算得到的材料等效电磁参数搜索寻优空间中进行基因交叉、变异及寻优的。
[0089] 图3为本发明的实现电磁参数反演的全流程图,如图3所示,将参数反演、模型仿真、遗传算法相结合。
[0090] 进一步地,本实施例中,直接由基于FDTD的方法对所述介质材料非均匀的人工结构整体进行实际结构数值/仿真建模,得到第一S21曲线;再由经过了Mota-medi方法与Smith方法,即两种方法反演后得到等效电磁参数,之后再将这些反演得到的等效电磁参数作为N层的材料电磁参数,并进一步采用FDTD方法进行建模和数值分析,得到第二S21曲线,该第二S21曲线是等效结构的S21曲线,将第一S21曲线与第二S21曲线进行对比,可以修正仿真曲线及反演的材料电磁参数。
[0091] 采用如图2所示的人工结构,利用遗传算法控制周期性全结构参数进行FDTD仿真建模,计算其S电磁参数,通过反向对比S21系数与整体梯形结构的S21系数误差,择优选择电磁参数基因,通过多次迭代优化实现S21系数误差的消减。在8-12GHz频段范围内,本实施例中渐变梯度结构的参数反演S21系数频点最大差异小于0.4%。
[0092] 在反演获得层参数的基础上,再结合介质层通过仿真设计即可分析不同介质材料人工结构的电磁性能。
[0093] 以下结合图4-6说明本发明实施方式与其他反演方式的效果比较,图4为本发明一个实施方式的参数寻优方法与Meto-Medi理论反演、Smith S参数反演方法的S21曲线对比图;图5为本发明一个实施方式提出的参数寻优方法、Meto-Medi理论反演方法和Smith S参数反演方法的S21曲线与实例梯度渐变结构材料S21曲线的差异距离值曲线对比图;图6为本发明一个实施方式的参数寻优获得电磁参数与Meto-Medi理论反演、Smith S参数反演获得参数对比示意图。
[0094] 如图4所示,四条曲线分别对应不同电磁参数反演方法仿真获得S21系数曲线,通过曲线分布趋势发现,本发明方法在整体上性能参数优于Mota-medi理论方法和Smith S参数反演方法的透射S21曲线分布,在高频位置S21系数差异变大,但最大偏差小于0.4%,远远小于Smith S参数反演方法的2.8%,优于Mota-Medi反演方法的0.52%,实现了多层反演参数的寻优。
[0095] 如图5所示,是对理论方法、Smith S参数反演方法和本发明方法整体性能的对比,三条曲线分别是Mota-Medi理论算法、Smith S参数反演和本发明反演方法获得S21曲线与整体结构S21曲线的差异大小。本发明S21曲线表明,在迭代优化10次后数值基本收敛,基于公式(1)计算获得的曲线间差异距离小于0.053,迭代30次后可以缩小差异距离到0.049,远远小于Smith S参数反演方法的0.65,优于理论方法Mota-Medi反演的0.14。图5的对比从数值上量化证明了本发明的等效参数寻优的有效性和性能优越性。
[0096] 如图6所示,是Meto-Medi理论方法、Smith S参数反演方法和本发明方法反演获得电磁参数对比,本发明反演参数遵循了梯度渐变结构的介电常数分布特性,并基于反演S21系数推导获得了性能上更符合实际结构的损耗角正切值,相比于Meto-Medi方法,本发明具有损耗角正切反演功能,相对于Smith S参数反演方法,本发明能够推导出更贴近原结构性能的介电常数和损耗角正切值。
[0097] 本发明实施例进一步给出一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演装置,如图7所示,所述装置包括:
[0098] 切割模块:根据所述人工结构的厚度自输入到输出方向对其分层切割并标记层次编号,切割的各个层厚度均等;
[0099] 初定位模块:利用分层反演算法反演每层人工结构的材料等效电磁参数,即利用分层结构等效参数理论或Smith S电磁参数反演方法对每层人工结构反演材料等效电磁参数,实现对每层人工结构的电磁参数初定位;所述材料等效电磁参数与电磁参数等效;
[0100] 分布趋势生成模块:获得各层的初定位后的电磁参数,并结合数值分析方法和材料结构参数理论计算,对获得的各层的初定位后的电磁参数进行计算、关联,得到拟合的人工结构等效电磁参数的分布趋势,分布趋势是一曲线数据;
[0101] 初始化模块:初始化当前层为第1层;
[0102] 第一判断模块:用于获取当前层,判断当前层是否大于所述人工结构的分层数;
[0103] 确定寻优空间模块:基于结构等效参数理论及所述人工结构等效电磁参数的分布趋势,计算当前层的材料等效电磁参数搜索寻优空间;
[0104] 基因生成模块:利用遗传算法生成当前层的材料等效电磁参数基因,所述当前层的材料等效电磁参数基因具有若干基因串,基因串的个数与当前层的材料等效电磁参数个数相同;
[0105] 遗传算法寻优模块:利用遗传算法对所述材料等效电磁参数基因进行处理,生成新的材料等效电磁参数基因,对生成的新的材料等效电磁参数基因进行仿真,生成曲线数据,计算所述介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数性能得分值,基于所述得分值确定曲线相似度距离;
[0106] 第二判断模块:判断曲线相似度距离误差是否小于设定值;
[0107] 输出模块:输出各层的最优等效电磁参数基因,并将所述各层的最优等效电磁参数基因输入FDTD模型,仿真得到所述介质材料非均匀的人工结构的等效电磁参数。
[0108] 本发明实施例进一步给出一种介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演系统,包括:
[0109] 处理器,用于执行多条指令;
[0110] 存储器,用于存储多条指令;
[0111] 其中,所述多条指令,用于由所述存储器存储,并由所述处理器加载并执行如前所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。
[0112] 本发明实施例进一步给出一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有多条指令;所述多条指令,用于由处理器加载并执行如前所述的介质材料非均匀的人工结构等效电磁参数反演方法。
[0113] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0114] 在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统,装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
[0115] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0116] 另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0117] 上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机,实体机服务器,或者网络服务器等,需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0118] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
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