[發(fā)明專利]一種基于卷積自編碼器的超表面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910315408.0
• 申請(qǐng)日: 2019-04-19
• 公開（公告）號(hào): CN110110398B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 師昕;邱天碩;陳惠娟;趙雪青
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G16C60/00;G06F30/10;G06N3/0455;G06N3/0464;G06N3/08;G06F113/26
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 寧文濤

本發(fā)明公開了一種基于卷積自編碼器的超表面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：步驟1，隨機(jī)生成若干個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)，使用電磁仿真軟件分別計(jì)算每個(gè)超表面的反射相位和幅值；步驟2，采用基于卷積自編碼器的深度學(xué)習(xí)方法，通過將步驟1中計(jì)算得到的反射相位和幅值同時(shí)輸入卷積自編碼器，輸出對(duì)應(yīng)的超表面單元結(jié)構(gòu)，來訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型；步驟3，將設(shè)計(jì)目標(biāo)的反射相位和幅值輸入步驟2中訓(xùn)練完畢的深度學(xué)習(xí)模型中，使用卷積自編碼器完成特征提取以及特征與超表面矩陣之間的匹配，即獲得所需要設(shè)計(jì)的超表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以做到同時(shí)設(shè)計(jì)超表面的反射幅值和反射相位，無需復(fù)雜的掃參過程，可以自動(dòng)生成表面結(jié)構(gòu)，簡化了設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超表面設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于卷積自編碼器的超表面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。通過相位突變空間分布的設(shè)計(jì)，超表面可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等傳播特性的靈活有效調(diào)控。超表面可視為超材料的二維平面亞波結(jié)構(gòu)陣列。

目前廣泛應(yīng)用的相位梯度超表面、編碼超表面等，需要同時(shí)設(shè)計(jì)的反射折射的幅度和相位。然而目前基于超表面實(shí)現(xiàn)幅度和相位調(diào)控的方法大都只能針對(duì)幅度和相位中的單個(gè)參量進(jìn)行調(diào)控，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)幅度和相位的同時(shí)調(diào)控。設(shè)計(jì)者很難同時(shí)設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)使幅度和相位達(dá)到需要的大小。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中，設(shè)計(jì)超表面不僅耗費(fèi)時(shí)間，而且耗費(fèi)計(jì)算資源，需要進(jìn)行復(fù)雜的掃參過程，需要進(jìn)行建模和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)步驟繁雜，工程師很難通過設(shè)計(jì)目標(biāo)直接給出對(duì)應(yīng)的超表面，設(shè)計(jì)效率低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于卷積自編碼器的超表面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的難以實(shí)現(xiàn)對(duì)超表面幅度和相位同時(shí)進(jìn)行調(diào)控，而且設(shè)計(jì)效率低的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于卷積自編碼器的超表面自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟1，隨機(jī)生成若干個(gè)超表面單元結(jié)構(gòu)，使用電磁仿真軟件分別計(jì)算每個(gè)超表面的反射相位和幅值；

步驟2，采用基于卷積自編碼器的深度學(xué)習(xí)方法，通過將步驟1中計(jì)算得到的反射相位和幅值同時(shí)輸入卷積自編碼器，輸出對(duì)應(yīng)的超表面單元結(jié)構(gòu)，來訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型；

步驟3，將設(shè)計(jì)目標(biāo)的反射相位和幅值輸入步驟2中訓(xùn)練完畢的深度學(xué)習(xí)模型中，使用卷積自編碼器完成特征提取以及特征與超表面矩陣之間的匹配，即獲得所需要設(shè)計(jì)的超表面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

步驟1中的電磁仿真軟件為CST?STUDIO?SUITE?MWS。

步驟1的具體過程如下：

首先使用MATLAB軟件輸出隨機(jī)生成的超表面單元結(jié)構(gòu)的矩陣，其中標(biāo)記為“1”的區(qū)域表示該區(qū)域填充有金屬，標(biāo)記為“0”的區(qū)域表示該區(qū)域空白，再使用電磁仿真軟件CSTSTUDIO?SUITE?MWS進(jìn)行計(jì)算得到超表面單元的反射相位和幅值。

步驟2中訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型的具體過程如下：

步驟2.1，數(shù)據(jù)采集生成及預(yù)處理過程：使用MATLAB語言畫出超表面單元的反射相位和幅值的圖像，對(duì)該圖像的灰度和像素特征進(jìn)行歸一化操作，設(shè)定圖像為32×32×1的單通道灰度圖，將圖像的像素限定至0～1之間，并以此像素在0～1之間的圖像作為深度學(xué)習(xí)模型的輸入；

步驟2.2，采用卷積自編碼器提取特征的過程：將步驟2.1中獲得的像素在0～1之間的圖像輸入卷積自編碼器，首先通過若干次卷積、池化操作和相應(yīng)次數(shù)的上采樣、反卷積操作將輸入的反射相位和幅值曲線圖像壓縮重構(gòu)到一個(gè)表示空間中，然后再根據(jù)這個(gè)表示空間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取得到最后的輸出數(shù)據(jù)矩陣；然后將卷積自編碼器的編碼部分拆解下來，對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將原輸入圖像壓縮成表示向量，通過激活函數(shù)Ⅰ迭代調(diào)整卷積核直至損失函數(shù)Ⅰ最小化，得到損失函數(shù)Ⅰ最小化時(shí)的表示向量；