人工合成材料設計方法和系統的製作方法

2023-11-02 07:47:52

專利名稱：人工合成材料設計方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料設計領域，特別是涉及人工合成材料設計方法和系統。
背景技術：
在設計結構參數(如二維尺寸)按特定規律變化的人工電磁材料時，針對基板上的不同位置，需要在該位置上放置特定折射率的晶格(人工電磁材料的最小單位為晶格)，因此，需要對二維尺寸不同的晶格進行篩選，使其按期望的特定二維尺寸放置在基板的對應位置上。其中，晶格二維尺寸的大小與其折射率等參數相對應。現有技術中，在設計人工電磁材料時，一般採用手動調節的方法，而無法達到快速的優化設計，因此難以實現大規模產業化生產，尤其是在設計的過程中，出現多峰值時，手動調節不僅速度慢，而且容易漏掉關鍵的峰值，而無法找到最優值(即最優的二維尺寸或折射率)。如何解決在設計人工電磁材料的過程中，由於手動調節而影響設計效率或漏掉關鍵的峰值的技術問題，是本技術領域繼續解決的問題。

發明內容
本發明主要解決在設計人工電磁材料的過程中由於手動調節而影響設計效率或漏掉關鍵的峰值的技術問題，是提供一種人工合成材料設計方法和系統，能夠有效地提高設計效率並找到關鍵的峰值。為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是:提供一種人工合成材料設計方法，該方法包括:初始化時，在搜索域生成多個第一參數；計算該多個第一參數的適應度值；選擇適應度值最大的第一參數；以該適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數；返回該計算適應度值的步驟，以計算該多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷該最優值是否收斂；在判斷到該最優值收斂時，選取該最優值對應的第二參數。其中，該搜索域生成多個第一參數的步驟包括:將該多個第一參數按大小進行排列，並將該多個第一參數分成η組。該選擇適應度值最大的第一參數的步驟包括:從每一組第一參數中選擇適應度值最大的第一參數，以作為η個局部最優值。該以該適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數的步驟包括:以該η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數，計算該多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的η個第二參數作為最優值，判斷該η個最優值是否收斂，在判斷到該最優值收斂時，從該η個第二參數中選取該適應度值最大的最優值對應的第二參數。其中，η為自然數。其中，該將該多個第一參數分成η組的步驟包括:計算每兩個該第一參數的距離，存入距離矩陣D(i，j)，以矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離，將D(i，j)小於預定閾值的多個第一參數分到同一組內，其中，每個第一參數視為二維空間的粒子。
其中，該以該適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數的步驟包括:以該適應度值最大的第一參數為均值，以預設的方差值生成該多個第二參數。其中，該選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷該最優值是否收斂的步驟後包括:在判斷到該最優值發散時，以該適應度值最大的第二參數為中心生成多個第三參數。其中，該判斷該η個最優值是否收斂的步驟後包括:在判斷到該η個最優值發散時，以該η個最優值為中心生成多個第三參數。其中，該以該η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數的步驟包括:以該η個局部最優值為均值，以預設的方差值生成該多個第三參數。其中，該預設的方差值包括0.01。為解決上述技術問題，本發明採用的另一個技術方案是:提供一種人工合成材料設計系統，包括初始化模塊、新參數生成模塊、適應度計算模塊、第一選擇模塊、判斷模塊和第二選擇模塊。其中，該初始化模塊用於在搜索域生成多個第一參數；該新參數生成模塊用於以該第一參數為中心生成多個第二參數；該適應度計算模塊用於計算該多個第一參數和該多個第二參數的適應度值；該第一選擇模塊用於選擇適應度值最大的第二參數以作為最優值；該判斷模塊用於判斷該最優值是否收斂；該第二選擇模塊用於根據該判斷模塊判斷到該最優值收斂時，選取該最優值對應的第二參數。其中，該系統還包括距離計算模塊，該距離計算模塊用於計算每兩個該第一參數的距離，並存入距離矩陣D(i，j)，其中，矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離，其中，每個第一參數視為二維空間的粒子。本發明的有益效果是:區別於現有技術的情況，本發明人工電磁材料設計方法和系統能有效地解決現有技術中由於手動調節而影響設計效率或漏掉關鍵的峰值的技術問題。本發明可快速有效地進行設計，設計效率高而且不會漏掉關鍵的峰值，從而快速地得到最優值，有利於實現大規模產業化生產。


圖1是本發明人工電磁材料設計方法的其中一實施例流程示意圖；圖2是本發明人工電磁材料設計方法的另一實施例流程示意圖；以及圖3是本發明人工電磁材料設計系統的功能模塊連接示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，在人工電磁材料設計的過程中，一般將人工電磁材料的結構參數或者折射率等視為二維空間的粒子，本發明人工電磁材料設計方法包括:步驟SlOl，初始化時，在搜索域生成多個第一參數；步驟S102，計算該多個第一參數的適應度值；步驟S103，選擇適應度值最大的第一參數；步驟S104，以該適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數；步驟S105，返回該計算適應度值的步驟，以計算該多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷該最優值是否收斂；
步驟S106，在判斷到該最優值收斂時，選取該最優值對應的第二參數。下面針對其具體實施步驟進行描述，以更好地說明本發明。在步驟SlOl中，在搜索域隨機生成一系列的結構參數(或折射率等)，將該一系列的結構參數作為多個第一參數按大小進行排列，並將該多個第一參數分成η組，一般取η =10，當然，也可以取其他的數值。在將多個第一參數分成η組時，採用矩陣的算法進行分組。其工作原理包括:計算每兩個該第一參數的距離，存入距離矩陣D(i，j)，以矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離，將D(i，j)小於預定閾值的多個第一參數分到同一組內。如前所述，每一個參數對應等效成一個「粒子」，而第i個粒子和第j個粒子之間的距離表示的是二維尺寸的大小的差值，也可以為折射率的差值等；同時，該預定閾值可以設置為0.01,0.02或者其他根據實際需要而設定的數值，在此不作贅述。其中，η為自然數。在步驟S102中，可以根據對設計所需的期望值而設置適應度函數，再通過該適應度函數計算適應度值。在步驟S103中，從每一組第一參數中選擇適應度值最大的第一參數，以作為η個局部最優值。在步驟S104中，以該η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數。具體而言，以該適應度值最大的第一參數為均值，以預設的方差值σ ( 「sigma」)生成該多個第二參數。譬如，若適應度值最大的第一參數為2.13，以2.13為中心數值，在其周圍生成多個新的參數，該第一參數和該多個新的參數的方差不超過預設的方差值，在本實施例中，該預設的方差值取0.01，每次重新生成的參數的個數為20個，當然，可以根據實際需要而浮動，在此不作限定。同理，在本發明的其他實施例中，生成新的參數的方法可以採用與步驟S104相同的方法。接著，返回步驟S102以計算該多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的η個第二參數作為最優值，判斷該η個最優值是否收斂。在步驟S105中，若判斷到該最優值發散，以該適應度值最大的第二參數為中心生成多個第三參數，接著，返回步驟S102。當然，這是針對多次無法得到收斂的最優值時的處理過程，如果循環的步驟超過一定的次數，可以停止該循環步驟，並取其已計算得到的最大的最優值。在步驟S106中，選取該最優值對應的第二參數後，即可得到與期望值最接近的最優值所對應的二維尺寸(或折射率)，接著選取對應的晶格，以此完成對人工電磁材料的設計過程。通過本實施例，可快速有效地進行設計，設計效率高，而且不會漏掉關鍵的峰值，從而快速地得到最優值，有利於實現大規模產業化生產。請參閱圖2，在另一個實施例中，本發明人工電磁材料設計方法包括:步驟S201，初始化時，在搜索域生成多個第一參數，將該多個第一參數按大小進行排列，並將該多個第一參數分成η組；步驟S202，計算該多個第一參數的適應度值；步驟S203，從每一組第一參數中選擇適應度值最大的第一參數，以作為η個局部最優值；步驟S204，以該η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數；
步驟S205，計算參數的適應度值，選擇適應度值最大的η個參數作為最優值； 步驟S206，判斷最優值是否收斂，若「是」，執行步驟S207，若「否」則執行步驟S208 ；步驟S207，從該η個參數中選取該適應度值最大的最優值對應的參數，流程結束。步驟S208，以該η個最優值為均值，以預設的方差值再次生成多個參數，返回步驟S205。在步驟S201中，在將多個第一參數分成η組時，採用矩陣的算法進行分組，其工作原理包括:計算每兩個該第一參數的距離，存入距離矩陣D(i，j)，以矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離，將D(i，j)於預定閾值的多個第一參數分到同一組內。其中，第i個粒子和第j個粒子之間的距離表示的是二維尺寸的大小的差值，也可以為折射率的差值等；同時，該預定閾值可以設置為0.01、0.02或者其他根據實際需要而設定的數值，在此不作贅述。在步驟S202中，可以根據對設計所需的期望值而設置適應度函數，再通過該適應度函數計算適應度值。在步驟S204中，具體而言，以該適應度值最大的第一參數為均值，以預設的方差值σ生成該多個第二參數。舉例而言，若適應度值最大的第一參數為2.13，以2.13為中心數值，在其周圍生成多個新的參數，該第一參數和該多個新的參數的方差不超過預設的方差值，在本實施例中，該預設的方差值取0.01，當然，可以根據實際需要而浮動，在此不作限定。如前所述，本實施例的其他步驟的工作原理請參閱圖1所述實施例的工作原理過程，在本技術領域人員理解的前提下，在此不再贅述。通過本實施例，可快速有效地進行設計，設計效率高，而且不會漏掉關鍵的峰值，從而快速地得到最優值，有利於實現大規模產業化生產。下面結合圖1和圖2的工作原理對本發明人工電磁材料設計系統進行描述。請參閱圖3，本發明人工電磁材料設計系統包括初始化模塊30、適應度計算模塊31、第一選擇模塊32、新參數生成模塊33、判斷模塊34、第二選擇模塊35和距離計算模塊36。初始化模塊30用於在搜索域生成多個第一參數。在人工電磁材料設計的過程中，一般將人工電磁材料的結構參數或者折射率等視為二維空間的粒子，因此，在尋求最優值時，可等同為尋求最優的粒子。適應度計算模塊31用於計算該多個第一參數和該多個第二參數的適應度值。當然，在多次循環的時候，還可以用來計算其他參數的適應度值，在此不作限定。第一選擇模塊32用於選擇適應度值最大的第二參數以作為最優值。和前面實施例不同的是，如果第一參數已經出現最優值，則由該第一選擇模塊32進行選擇。新參數生成模塊33用於根據參數而生成新的參數(或粒子)，或者說，以該第一參數為中心生成多個第二參數。舉例而言，若適應度值最大的第一參數為2.13，以2.13為中心數值，在其周圍生成多個新的參數，該第一參數和該多個新的參數的方差不超過預設的方差值，在本實施例中，該預設的方差值取0.01，當然，可以根據實際需要而浮動，在此不作限定。
判斷模塊34用於判斷該第一選擇模塊32選擇的最優值是否收斂。第二選擇模塊35用於根據該判斷模塊34判斷到該最優值收斂時，選取該最優值對應的第二參數。另外，本發明人工電磁材料設計系統還包括距離計算模塊36。其中，距離計算模塊36用於計算每兩個該第一參數的距離，並存入距離矩陣D (i，j)，其中，矩陣D (i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離。其中，第i個粒子和第j個粒子之間的距離表示的是二維尺寸的大小的差值，也可以為折射率的差值等；同時，該預定閾值可以設置為
0.01,0.02或者其他根據實際需要而設定的數值，在此不作贅述。本發明人工電磁材料設計系統其具體工作原理請參閱圖1和圖2所述的人工電磁材料設計方法，在此不再贅述。本發明人工電磁材料設計方法和系統能有效地解決現有技術中由於手動調節而影響設計效率或漏掉關鍵的峰值的技術問題。本發明可快速有效地進行設計，設計效率高，而且不會漏掉關鍵的峰值，從而快速地得到最優值，有利於實現大規模產業化生產。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種人工合成材料設計方法，其特徵在於，包括: 初始化時，在搜索域生成多個第一參數； 計算所述多個第一參數的適應度值； 選擇適應度值最大的第一參數； 以所述適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數； 返回所述計算適應度值的步驟，以計算所述多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷所述最優值是否收斂； 在判斷到所述最優值收斂時，選取所述最優值對應的第二參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於， 所述搜索域生成多個第一參數的步驟包括: 將所述多個第一參數按大小進行排列，並將所述多個第一參數分成η組； 所述選擇適應度值最大 的第一參數的步驟包括: 從每一組第一參數中選擇適應度值最大的第一參數，以作為η個局部最優值； 所述以所述適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數的步驟包括: 以所述η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數，計算所述多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的η個第二參數作為最優值，判斷所述η個最優值是否收斂，在判斷到所述最優值收斂時，從所述η個第二參數中選取所述適應度值最大的最優值對應的第二參數； 其中，η為自然數。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述將所述多個第一參數分成η組的步驟包括: 計算每兩個所述第一參數的距離，存入距離矩陣D(i，j)，以矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離，將D(i，j)小於預定閾值的多個第一參數分到同一組內； 其中，每個所述第一參數視為二維空間的粒子。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述以所述適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數的步驟包括: 以所述適應度值最大的第一參數為均值，以預設的方差值生成所述多個第二參數。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷所述最優值是否收斂的步驟後包括: 在判斷到所述最優值發散時，以所述適應度值最大的第二參數為中心生成多個第三參數。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述判斷所述η個最優值是否收斂的步驟後包括: 在判斷到所述η個最優值發散時，以所述η個最優值為中心生成多個第三參數。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述以所述η個局部最優值為中心分別生成多個第二參數的步驟包括: 以所述η個最優值為均值，以預設的方差值生成所述多個第三參數。
8.根據權利要求4或7任一所述的方法，其特徵在於，所述預設的方差值為0.01。
9.一種人工合成材料設計系統，其特徵在於，包括: 初始化模塊，用於在搜索域生成多個第一參數； 新參數生成模塊，用於以所述第一參數為中心生成多個第二參數； 適應度計算模塊，用於計算所述多個第一參數和所述多個第二參數的適應度值； 第一選擇模塊，用於選擇適應度值最大的第二參數以作為最優值； 判斷模塊，用於判斷所述最優值是否收斂； 第二選擇模塊，用於根據所述判斷模塊判斷到所述最優值收斂時，選取所述最優值對應的第二參數。
10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，還包括: 距離計算模塊，用於計算每兩個所述第一參數的距離，並存入距離矩陣D(i，j)，其中，矩陣D(i，j)的數值代表第i個粒子和第j個粒子之間的距離； 其中，每個所述第一參數視為二維空間的粒子。
全文摘要
本發明公開了一種人工合成材料設計方法和系統，該方法包括初始化時，在搜索域生成多個第一參數；計算該多個第一參數的適應度值；選擇適應度值最大的第一參數；以該適應度值最大的第一參數為中心生成多個第二參數；返回該計算適應度值的步驟，以計算該多個第二參數的適應度值，選擇適應度值最大的第二參數作為最優值，判斷該最優值是否收斂；在判斷到該最優值收斂時，選取該最優值對應的第二參數。本發明可快速有效地進行設計，設計效率高而且不會漏掉關鍵的峰值，從而快速地得到最優值，有利於實現大規模產業化生產。
文檔編號G06F17/50GK103177142SQ20111043987
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者劉若鵬, 季春霖, 劉斌, 李樂 申請人:深圳光啟高等理工研究院