一种非局部生成式的散射体参数设计方法技术

目前的设计方法将超表面视为独立单元结构的组合，而不是相互作用的散射体阵列，因此受到几何结构和材料的限制，无法设计可生成具有任意电场分布的超表面。本发明专利技术实例提出了一种非局部生成式的散射体参数设计方法。这一方法基于生成对抗网络，主要可以分为两部分：正向模型和逆向算法。正向模型利用并矢格林函数作为主要的数学工具，对两种形式的非局部响应进行解释性分析，实现了从散射特性到生成电场的映射；逆向算法创新性地将散射特性和电场转化为图像，用计算机视觉的方法生成数据集，并提出了一种具有ResBlock结构的生成对抗网络架构，整体实现了可生成任意电场分布的设计。整体实现了可生成任意电场分布的设计。整体实现了可生成任意电场分布的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种非局部生成式的散射体参数设计方法


[0001]本申请涉及电子信息领域，尤其涉及一种非局部生成式的散射体参数设计方法。

技术介绍

[0002]超材料(metamaterial)是一种亚波长结构周期排布而成的人工材料，其具有对电磁波的幅度、相位及极化方式进行调控的能力，其典型代表包括频率选择表面(frequency selective surfaces，即FSS)及电磁带隙结构(electromagnetic band gap structure，即EBG)等。超表面(metasurface)作为二维的超材料，具有占用更少物理空间的优势。其主要应用包括：电磁屏蔽、天线设计、智能反射面以及太赫兹通信等。超材料在物理上通常被认为是空间中规律排布的散射体阵列，对这一概念加以扩展，同样可以得到超表面的基本物理模型，即二维规律排布的散射体阵列。
[0003]目前的超表面设计流程主要包括：确定一系列具有相似结构和几何组成的单元(meta
‑
atom)；确定不同单元对应的幅相特性；根据目标功能选择部分单元并进行组合。然而，这一流程存在两个亟待解决的问题：其一，超材料的基本模型为散射体模型，其单元结构被描述为具有36个复杂度的散射体参数，然而目前常见的设计方法只利用复杂度为3的表面电流矢量或复杂度为1的相位来进行设计，导致无法具有生成任意电场分布的超材料，亟待寻求一种全复杂度的设计方法；其二，目前的设计方法不考虑超材料单元之间的相互影响，导致无法解决非局部效应(non
‑
local response)，亟待寻求一种全局设计方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种非局部生成式的散射体参数设计方法，这一方法主要包括：其一，建立了散射体参数和生成电场之间的通用模型，并实现了从超表面的基本模型到电磁场的基本特性的映射；其二，可解释地分析了多个散射体之间的相互作用，并说明了散射体之间非局部响应的两种形式；其三，创新性地将散射特性的逆向设计转化为风格迁移问题，并提出了一种生成散射体参数图像
‑
生成电场图像数据集的方法；其四，提出了一个具有ResBlock的生成对抗网络架构，通过同时优化散射体阵列的所有极化率参数来实现任意电场分布的整体设计。
[0005]本专利技术面向超表面设计，提出了一种非局部生成式的散射体参数设计方法。不同于传统的超表面设计方法，本方法可以实现基于超表面基本模型的理想设计流程：其一，根据所需功能或电场分布获得散射体参数和排布方式；其二，将散射体模型转化为物质实在。与目前的方法相比，上述设计方法有三个优点：其一，不需要超表面单元的预设计；其二，不受到几何结构和材料的限制；其三，能够通过同时设计全自由度的散射体参数实现任意的电场分布。
[0006]该方法包括：
[0007]描述散射体模型和电场分布之间映射关系的数学模型。
[0008]散射体模型为超材料的基本物理模型，电场分布为观察面电磁场的基本属性。其
中，偶极子发射体(dipole emitter)位于笛卡尔坐标系的原点r
′0＝(0,0,0)，散射体阵列为矩形，N个散射体满足N＝n2，位于，位于可视为电磁场的源点；观察点平面为矩形，M个观察点满足M＝m2，其位置为可视为电磁场的场点。
[0009]根据麦克斯韦方程组和并矢格林函数(dyadic Green's function)，可以求得观察点处的电场强度为
[0010][0011]其中，E(r
j
)为r
j
处电场强度矢量，E0(r
j
)为偶极子发射体在r
j
处产生的电场，为r
j
与r
′
i
处的并矢格林函数，为的旋度，和为某一个散射体的电极化率张量和磁极化率张量。
[0012]较佳的，该方法还包括：
[0013]散射体模型中两种形式的非局部效应的解释性分析。
[0014]其非局部效应有以下形式：其一，由r
′1到r
′2并回到r
′1，这一过程表示为格林函数的二次方，即与r
′1处的电场强度或磁场强度相乘；其二，由r
′1到r
′2并回到r
′1，最终又回到r
′2，由r
′2散射，这一过程表示为格林函数的三次方，即与r
′2处的电场强度或磁场强度相乘。这种理解可以扩展到通用的散射体模型，任何散射体产生的电场分量都将包括：由自身出发最后由自身散射的电磁波，以及由自身出发最后由其它散射体散射的电磁波。
[0015]较佳的，该方法还包括：
[0016]生成散射体参数图像
‑
散射电场图像数据集的方法。
[0017]散射体参数和电场分布均具有适于图像化的数据维数，在这一过程中，需要保证：散射体参数与散射电场之间的一一对应关系，电场分布的随机性，散射体参数的物理可实现性，散射体参数转变成图像时的空间相关性。
[0018]较佳的，该方法还包括：
[0019]具有ResBlock结构的生成对抗网络架构。
[0020]其中，在生成网络的设计中加入了ResNet中ResBlock，解决了图像生成中的优化困难问题和梯度消失现象。
[0021]生成网络由5个部分组成，从输入到输出共包括：数据输入部分、2个下采样部分、9个ResBlock部分、2个上采样部分和数据输出部分。
[0022]对抗网络的由5个部分组成。前四部分包括卷积层、BatchNorm层和激活函数Relu
层；第五部分包括卷积层和激活函数sigmoid层。对抗网络中使用的卷积核大小为4。
[0023]本专利技术的一种基于目标电场分布的散射体参数全局设计方法包括以下步骤：
[0024]步骤200，确定散射体的数目及排布方式，确定观察点数目及排布方式，建立散射体模型和散射电场分布之间的数学模型。
[0025]步骤210，随机生成极化率参数，得到观察面的生成电场分布。
[0026]步骤220，得到散射体参数图像和散射电场图像，得到数据集。
[0027]步骤230，搭建生成对抗网络并进行训练，得到训练模型并保存。
[0028]步骤240，输入目标电场分布，得到全局设计的散射体参数。
[0029]有益效果
[0030]本专利技术提出了一种基于生成对抗网络的散射体参数全局设计方法。实现了散射体性质与生成电场之间的正向映射和逆向设计，并可解释地说明了散射体模型中非局部效应的两种形式。在这个过程中，散射体性质设计问题被转化为计算机视觉(computer vision，即CV)中的风格迁移(style migration)问题，通过同时优化散射体的复杂极化率张量，整体实现了任意电场分布。训练结果显示该模型具有良好的收敛性，训练后生成网络和对抗网络的loss值分别为0.0571和0.2220，所生成的散射体参数对应的电场分布与目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非局部生成式的散射体参数设计方法，其特征在于，包括：确定散射体的数目及排布方式，确定观察点数目及排布方式，建立散射体模型和散射电场分布之间的数学模型；随机生成极化率参数，得到观察面的生成电场分布；将极化率参数和生成电场分布转化为散射体参数图像和生成电场图像，得到数据集；搭建生成对抗网络并进行训练，得到训练模型并保存；输入目标电场分布，得到全局设计的散射体参数。2.根据权利要求1所述的散射体模型和生成电场分布之间的数学模型，其特征在于，偶极子发射体位于笛卡尔坐标系的原点r
′0＝(0,0,0)，散射体阵列为矩形，N个散射体满足N＝n2，位于可视为电磁场的源点；观察点平面为矩形，M个观察点满足M＝m2，其位置为可视为电磁场的场点。根据麦克斯韦方程组和并矢格林函数，可以求得观察点处的电场强度为其中，E(r
j
)为r
j
处电场强度矢量，E0(r
j
)为偶极子发射体在r
j
处产生的电场，为r
j
与r
′
i
处的并矢格林函数，为的旋度，和为某一个散射体的电极化率张量和磁极化率张量。3.根据权利要求2所述的散射体模型中两种形式的非局部效应的解释性分析，其特征在于，非局部效应有以下形式：其一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿涛，郭伯岩，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：