基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法技术

本发明专利技术公开基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法。包括：利用差分进化算法对种群变量进行变异、交叉操作；利用电磁仿真软件对复合结构进行建模计算，计算结果反馈到程序中完成选择操作；在变量域中搜索并产生达到目标函数的最优模型及最优结构参数和材料参数。本发明专利技术的基于差分进化算法优化设计多层频率选择表面复合吸波结构及材料，不仅能够优化模型的结构参数，而且可以根据原始吸收剂和基底的电磁参数由差分进化算法优化得到最优配比的新材料。本发明专利技术具有设计周期短，可快速得到具有低反射系数、宽频带、薄厚度的复合吸波结构及材料的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法
本专利技术涉及吸波材料
，尤其涉及获得具有低反射系数、宽频带、薄厚度的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法。
技术介绍
随着电子技术、军事技术的发展，将频率选择表面引入到多层吸波材料中的设计可以有效的改善吸波材料的吸收性能，满足对吸波材料宽频带、强吸收的使用需求。合理的设计方法有助于指导多层频率选择表面复合吸波结构的研究与开发，这样可以大大的提高研究和设计的效率，减少大量的实验摸索，缩短设计周期。目前常用的多层复合吸波结构的设计方法是根据经验逐一调节结构、尺寸及材料配比，但由于影响吸波性能的变量参数较多且一些参数之间交互作用的影响，仅凭人工调节很难得到可以满足目标需求的结构，而且对吸波材料的设计也缺乏方向性指导，使得设计周期长，工作量巨大。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有低反射系数、宽频带、薄厚度的多层频率选择表面复合吸波结构和材料的优化设计方法，该方法利用电磁仿真软件将计算结果直接反馈到主程序中，极大地方便了迭代优化的进行，进而能够快速的搜索最优模型的结构、材料特征参数组合，大大的缩短设计周期，并为吸波材料的制作提供方向性指导。基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法，包括如下步骤：步骤1：确定优化复合吸波结构的目标函数及对其产生影响的特征参数变量、边界条件，采用均匀分布的随机函数对变量参数进行种群初始化；步骤2：判断变量参数的初始种群是否满足迭代终止条件，如果包含满足迭代终止条件的个体，则该个体的参数即构成多层复合吸波结构的特征参数。如果不满足迭代终止条件，则跳转到步骤3；步骤3：产生的交叉个体中结构特征参数直接作为复合结构建模的输入参数，材料特征参数通过复合吸波材料的混合方法得到的材料电磁参数作为模型中材料的输入参数；利用电磁仿真软件对复合吸波结构进行建模计算，计算结果反馈到主程序中；步骤4：判断当前种群是否满足迭代终止条件，如果满足迭代终止条件，迭代终止。否则，根据电磁仿真软件反馈的计算结果计算目标函数，对交叉种群进行选择操作，适应度更优的个体作为子代种群。跳转到步骤3，直至得到最优的多层复合吸波模型及模型的结构特征参数、材料特征参数。优选地，其中步骤1中建立的复合结构模型优化的目标函数为：T＝ω1T1+ω2T2其中，T表示目标函数值，ω1、ω2表示权重系数，可取一确定的非负实数，根据对复合材料总厚度和反射系数的重要程度来确定，对于重要的目标，赋值较大，反之权重系数较小。这里对于厚度和反射系数的要求同样重要，ω1＝5，ω2＝5。T1、T2分别表示复合吸波材料总厚度的目标控制和反射系数的目标控制。h为多层吸波材料的总厚度，h0为吸波材料总厚度的目标控制值，h0＝5mm。fi为离散频点，由复合吸波材料的需求工作频段决定，为了降低计算时间，只取覆盖工作频段内的几个离散频点，因为相邻频点处的反射系数曲线是连续光滑的，离散频点的反射系数达到目标控制值，则整个工作频段都会有较低的反射系数，fi＝2，4，6，8，10，12，14，16，18GHz；ti是关于反射系数的目标函数；Γ(fi)表示fi频点的反射系数，用来表征吸波材料的吸波性能，反射系数越低，材料的吸波性能越好；Γ0(fi)表示fi频点反射系数目标控制值，Γ0(fi)＝-10dB。优选地，其中步骤2中，所述的迭代终止条件是初始种群特征参数满足目标函数；优选地，其中步骤3中所述的复合吸波材料的混合方法是利用交叉个体中的材料特征参数和已知的吸收剂颗粒、基体的电磁参数根据规则求得颗粒、基体混合后的复合吸波材料的电磁参数。所述的材料特征参数包括吸收剂颗粒和基体的体积分数。所述的电磁参数包括复介电常数和复磁导率。吸收剂颗粒的形态影响吸波材料的吸收性能，对于不同形态的吸收剂有不同的计算规则，具体描述如下。对于球形吸收剂颗粒复合体系：其中，εeff、μeff分别为吸收剂颗粒和基体混合后材料的复介电常数和复磁导率，εi、εm分别表示吸收剂颗粒和基体的复介电常数，μi、μm分别表示吸收剂颗粒和基体的复磁导率。对于椭圆球体吸收剂颗粒的复合体系：优选地，其中步骤3中所述的利用电磁仿真软件对复合结构进行建模计算，是用编程软件生成可供三维电磁仿真软件HFSS调用的脚本函数库，借助函数库脚本通过电磁仿真软件HFSS的脚本接口调用该软件对复合结构进行3D建模，施加边界条件、激励和分析求解，输出数据反馈到主程序中，实现无间断的优化过程。优选地，其中步骤4中，所述的迭代终止条件是指当前迭代次数达到最大迭代次数或当前种群特征参数满足目标函数；本专利技术提供的一种基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构优化系统，包括：目标函数生成模块，用于根据目标权重生成模型目标函数，作为优化特征参数的评价标准；初始种群生成模块，根据待优化参数的边界条件随机生成待优化参数的初始种群，用于分配复合结构模型特征参数，在分配的解集内随机生成若干个模型组合的方案；复合结构吸波性能计算模块，利用电磁仿真软件对复合结构进行建模计算，反馈的吸波性能计算结果用于对交叉种群进行选择操作；子代种群生成模块，用于对当前种群按照差分进化算法进行变异、交叉及选择操作，生成子代种群；迭代终止条件判断模块，用于判断当前种群是否满足迭代终止条件，若满足迭代终止条件，则获得最优多层复合吸波结构及材料；当不满足迭代终止条件时，则跳转子代种群生成模块生成子代种群继续优化。本专利技术提供的基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构优化方法和系统在模型变量域中搜索最优结构特征参数、最优材料特征参数，得到需求频段内吸波性能达到最优的多层复合吸波结构和材料，且在同类吸波材料中具有低厚度的良好性能。所述方法优化性能强，实现简单，极大的提高了多层复合吸波结构的设计开发效率，增加材料设计的多样性，有效减少繁琐的实验工作量，缩短设计周期。附图说明图1是本专利技术的基于差分进化算法的多层吸波复合结构及材料优化设计方法的流程图。图2为本专利技术的迭代次数为40时，多层频率选择表面复合吸波结构的反射系数随频率变化曲线图。图3为本专利技术的迭代次数为60时，多层频率选择表面复合吸波结构的反射系数随频率变化曲线图。图4为本专利技术的迭代次数为80时，多层频率选择表面复合吸波结构的反射系数随频率变化曲线图。图中，1、2为频率选择表面，3表示吸波材料，4为金属板，1、2、3、4紧密贴合。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细的说明。图1为本专利技术实施例提供的一种差分进化算法的多层吸波复合结构及材料的优化设计方法，其包括以下步骤：步骤1：确定优化复合吸波模型的目标函数及对其产生影响的特征参数变量、边界条件，对变量参数进行种群初始化，迭代次数G＝0；所述步骤1中，建立的复合结构模型优化的目标函数为：T＝ω1T1+ω2T2其中，T表示目标函数值，ω1、ω2表示权重系数，可取一确定的非负实数，根据对复合材料总厚度和反射系数的重要程度来确定，对于重要的目标，赋值较大，反之权重系数较小。这里对于厚度和反射系数的要求同样重要，ω1＝5，ω2＝5。T1、T2分别表示复合吸波材料总厚度的目标控制和反射系数的目标控制，计算公式如下：其中，h为多层吸波材料的总厚度，h0为厚度允本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定优化复合吸波结构的目标函数及对其产生影响的结构和材料特征参数变量、边界条件，根据边界条件对变量参数进行种群初始化；步骤2：判断变量参数的初始种群是否满足迭代终止条件，如果包含满足迭代终止条件的个体，则该个体参数即构成多层复合吸波结构的特征参数；如果不满足迭代终止条件，则跳转到步骤3；步骤3：对当前种群进行变异、交叉操作，产生的交叉个体中结构特征参数直接作为复合结构建模的输入参数，材料特征参数通过复合吸波材料的混合方法得到的材料电磁参数作为模型中材料的输入参数；利用电磁仿真软件对复合吸波结构进行建模计算，计算结果反馈到主程序中；步骤4：判断当前种群是否满足迭代终止条件，如果满足迭代终止条件，迭代终止；否则，根据反馈的计算结果对交叉种群进行选择操作，产生子代种群；跳转到步骤3，直至得到最优的多层复合吸波模型及模型的结构特征参数、材料特征参数。

【技术特征摘要】
1.基于差分进化算法的多层频率选择表面复合吸波结构及材料的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定优化复合吸波结构的目标函数及对其产生影响的结构和材料特征参数变量、边界条件，根据边界条件对变量参数进行种群初始化；步骤2：判断变量参数的初始种群是否满足迭代终止条件，如果包含满足迭代终止条件的个体，则该个体参数即构成多层复合吸波结构的特征参数；如果不满足迭代终止条件，则跳转到步骤3；步骤3：对当前种群进行变异、交叉操作，产生的交叉个体中结构特征参数直接作为复合结构建模的输入参数，材料特征参数通过复合吸波材料的混合方法得到的材料电磁参数作为模型中材料的输入参数；利用电磁仿真软件对复合吸波结构进行建模计算，计算结果反馈到主程序中；步骤4：判断当前种群是否满足迭代终止条件，如果满足迭代终止条件，迭代终止；否则，根据反馈的计算结果对交叉种群进行选择操作，产生子代种群；跳转到步骤3，直至得到最优的多层复合吸波模型及模型的结构特征参数、材料特征参数；步骤1中建立的优化多层频率选择表面复合吸波结构的目标函数为：T＝ω1T1+ω2T2其中，T表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：王群，吕志蕊，唐章宏，徐欣欣，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11