[發明專利]一種確定超材料單元結構的方法有效

申請號：	201110418349.3	申請日：	2011-12-14
公開（公告）號：	CN103164554A	公開（公告）日：	2013-06-19
發明（設計）人：	劉若鵬;季春霖;岳玉濤;王海蓮	申請（專利權）人：	深圳光啟高等理工研究院
主分類號：	G06F17/50	分類號：	G06F17/50
代理公司：	深圳市威世博知識產權代理事務所(普通合伙) 44280	代理人：	何青瓦
地址：	518057 廣東省深圳市***	國省代碼：	廣東;44
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種確定材料單元結構方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及超材料設計領域，特別是涉及一種利用遺傳算法確定超材料單元結構的方法。

背景技術

目前，通常通過計算電磁波響應的特性來設計超材料，在研究材料對電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料我們稱之為超材料。

超材料通常包括基材以及附著在基材至少一側表面上的人造金屬微結構，每一人造金屬微結構與其附著的那部分基材可以看做是一個超材料單元。多個超材料單元按一定規律排列即可得到電磁波特定的響應。超材料的電磁響應的特征是由基材的特性及附著在基材至少一側表面上的人造金屬微結構的特性共同決定，人造微結構的特性包括其制備材料、拓撲結構和幾何尺寸，基材的特性取決于其制備材料與尺寸。因此，在基材一定的情況下，通過設計改變人造金屬微結構的特性，可以得到所需的電磁響應參數，具體例如可為相對介電常數和相對磁導率，從而得到我們所需要的物理特性，如特定的電場響應曲線、磁場響應曲線和/或折射率響應曲線等，進而得到符合預設的物理特性目標值的所需超材料單元結構。

目前，常用遺傳算法設計超材料單元的結構。遺傳算法中起核心作用的是交叉算子。現有的交叉運算，主要是選擇適應度大的個體，進行保留，做下一次迭代。每一次迭代的具體步驟是：初始化設置n個個體，分別計算出n個個體的適應度，然后給適應度較高的個體分配較大的概率，繼而選取適應度高的部分個體進行交叉或變異的處理后產生新的個體，對這些新的個體計算適應度。將新的個體與原先的個體放在一起比較，選取其中適應度高的n個個體保留，作為下一次迭代的個體。隨著迭代次數的增加，最后的種群中，每個個體都會接近于適應度高、基因好的個體，因而陷入局部最優，不能找到全局的最優解。可見，使用上述現有處理方法易使處理結果限于局部最優，浪費資源。為了更合理的利用資源，則需要從海量的試驗數據中試驗、分析出最優結果，導致計算工作量增大、效率低。

因此，需要提供一種確定超材料單元結構的方法，以解決現有技術存在的計算工作復雜、效率低以及易于陷入局部最優解的問題。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種確定超材料單元結構的方法，能夠降低計算工作的復雜度，能夠更好地收斂到最優解，提高工作效率以及全局搜索能力。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種確定超材料單元結構的方法，超材料單元包括基材以及附著在基材至少一側表面上的人造金屬微結構，該方法包括步驟：

定義設計變量：將人造金屬微結構的設計區域劃分為多個呈矩陣排列的子單元，且以二進制編碼表示在每一子單元上是否排列有金屬，并對應以一個二進制編碼序列來表征具有人造金屬微結構的超材料單元的結構特性，將二進制編碼序列作為設計變量；

初始化設置：初始化產生N個二進制編碼序列作為初始設計變量，設置進化代數計數器t，設定最大進化代數為T；

個體評價：計算各初始設計變量的物理特性參數和適應度；

交叉及變異操作：選擇適應度高的前n1個初始設計變量進行交叉和變異操作，交叉操作產生多個交叉設計變量，變異操作產生多個變異設計變量；

終止條件判斷：計算交叉設計變量和變異設計變量的物理特性參數和適應度，如計算結果中有符合所需的結果，則計算結束；

如計算結果中沒有符合所需的結果，則從初始設計變量、交叉設計變量和變異設計變量中選擇適應度高的前n2個設計變量，從n2個設計變量中再選擇復雜度從低到高排列的前n3個設計變量作為初始設計變量進行下一次迭代，直至得到符合所需的結果或迭代次數達到預設的T值。

其中，個體評價步驟之前還包括：設定超材料單元物理特性參數的目標值。

其中，物理特性參數越接近目標值的設計變量，其適應度越高。