[发明专利]超材料单元结构体设计方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料单元结构体设计方法和装置。

背景技术

超材料技术是一个前沿性交叉科技，其设计的技术领域包括了电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体系、通信、半导体等范畴。其核心思想是利用复杂的人造微结构设计与加工实现人造“原子”以对电磁场或者声纳进行响应。其核心理论是描述电磁波轨迹与超材料特性的变形光学。该技术的一大核心难点在于如何建模设计成千上万个相互不同的人造复杂微结构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。这对建模、计算、理论分析、设计、调试都带来了极大的困难。

在超材料设计领域，由于超材料单元结构的复杂响应和实验设计采样点有限，故传统参数模型难以拟合其响应曲面，无法实现精确的建模，造成了超材料自动化设计的瓶颈。

由于超材料所提供的特殊功能，这都是取决于它异常复杂的单元结构，一种超材料可能包含多个结构参数P_i，其电磁响应参数同样是多维，每改变一个结构参数P_i都将改变其最终的电磁响应特性，如何寻找超材料单元结构体的最佳结构参数，使它的电磁响应特性符合超材料的电磁响应的目标特性，是全球科研人员一直在努力探索的。

传统的超材料单元结构体设计方法是，通过手动的逐一的改变单元结构体的结构参数，测试某一频率的电磁波通过该结构体后的响应特性，并与目标的响应特性进行对比，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。

如图1所示，通过手动的逐一的改变单元结构体属性参数，测试某一频率的电磁波通过该结构体后的响应特性，并与目标响应特性进行对比，直至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为止。

由图1可看出调整单元结构体参数是一项非常耗时的步骤，为了达到超材料设计的超高要求和特殊的电磁响应特性，单元结构体参数的微调单位可能达到毫米级，甚至微米级、纳米级，其工作量可想而知。

如要设计某一频率f_i下某种电磁响应的超材料单元结构体，该电磁响应特性可能是二维曲线的，也可能是多维曲面或多维空间，其电磁响应特性函数简单表示为G(a，b，c，…)，同时超材料的单元结构参数也是多维的，如：长、宽、厚度、介电常数、材料材质等，表示为P_i，其中i表示参数的个数。要设计符合响应特性函数G的超材料单元结构体的具体设计步骤如下所述：

第一步：根据经验设置某单元结构的属性参数P_i；

第二步：使用某一频率f_i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：逐步调整单元结构体属性参数P_i，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。

如图2所示，为一维电磁响应函数图，在频率为f_i时，其电磁响应为G_i，超材料的目的正是通过设计某种特殊的单元结构体，使电磁波通过该材料时，出现相同的目标电磁响应特性，简单来说就是，通过调整单元结构体的属性参数寻找最接近电磁响应特性G_i的过程。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种超材料单元结构体设计方法和装置。可以提高超材料单元结构体设计的效率。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超材料单元结构体设计方法，包括：

a、CPU设置超材料单元结构体的初始样本，所述初始样本包括体现超材料单元结构体的结构的多个结构参数；

b、CPU将所述初始样本复制为N个复制样本并保存在GPU中，N为自然数；

c、GPU改变所述N个复制样本的一个或多个结构参数值，获得N个转移样本；

d、GPU调用内核函数计算所述转移样本的适应度，所述适应度表征所述N个转移样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性分别与目标样本所表示的超材料单元结构体的电磁响应特性相比的距离；

e、GPU根据所述适应度判断所述转移样本中是否有符合目标超材料单元结构体设计要求的样本；

f、若GPU判断结果为是，则将该符合目标超材料单元结构体设计要求的样本确定为设计样本复制到CPU中，并结束流程；

g、若GPU判断结果为否，则按照所述适应度对所述N个转移样本进行排序，获得适应度中表征所述距离最小的n个转移样本，n为小于N的自然数；