CN103136404B - 一种获得超材料折射率分布的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获得超材料折射率分布的方法和装置。所述方法和装置包括：采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据；判断目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于第一阈值，若未小于所述第一阈值，采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料折射率的分布，并返回获取所述超材料对电磁波响应的数据，进行循环，直至目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值；获取超材料的折射率分布。本发明与传统手动计算相比更加高效。

Description

一种获得超材料折射率分布的方法和装置

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及获得超材料折射率分布的方法和装置。

背景技术

超材料(metamaterial)是一个融合了电磁、微波、太赫兹、光子、先进工程设计、通信等学科的高度交叉的新材料。

在研究材料对电磁波比如微波的响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的微结构对电磁波的作用都可以用材料的整体参数介电常数ε(x，y，z)和磁导率μ(x，y，z)来描述。而在普适情况下作为张量的介电常数和磁导率又由每个微结构对电磁波的响应决定。如果通过对材料中微结构的设计使材料具有所需的任意介电常数和磁导率分布，这也就是设计超材料的主要过程。

现有的技术是通过麦克斯韦方程组(MaxwellEquation)和程函方程(EikonalEquation)得到超材料折射率的偏微分方程，然后数值求解得到折射率的分布。或者靠人工不断地试的方法，来设计超材料。这种设计超材料的方法需要消耗大量的人力，超材料的设计效率和精确度不高，大大制约了超材料技术的发展。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种获得超材料折射率分布的方法和装置，能够使超材料折射率分布的获得更加高效。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种获得超材料折射率分布的方法，包括：

采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据；

获取目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距；

判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于第一阈值，若未小于所述第一阈值，采用基于梯度调节的方式改变所述超材料折射率的分布，并返回获取所述超材料对电磁波响应的数据，进行循环，直至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

获取所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值时超材料的折射率分布。

其中，所述采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料的折射率分布的步骤包括：采用同步扰动随机逼近算法或者牛顿法，根据电磁波对所述超材料不同响应而获取的近场相位数据得到的评价函数，进而改变所述超材料折射率的分布。

其中，改变所述超材料折射率的分布步骤包括：通过n个点插值的方式拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

其中，所述采用基于梯度调节的方式并通过改变n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布的步骤包括：

选择一个初始的步进长度和所述n点中的一个点，随机选择一个方向移动一个步进长度；

若所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变大，则选择相反的方向将所述一个点移动一个步进长度，获取所述超材料对电磁波响应的数据；若所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变小，则选择所述初始的步进长度将所述一个点继续朝该相同方向移动一个步进长度，继续循环；其中，若选择相反的方向后所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距仍旧变大，则减少所述步进长度并执行随机选择一个方向移动一个减少的步进长度的步骤继续循环，直至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

其中，若所述减少的步进长度小于第二阈值时，所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距仍未小于所述第一阈值，仍得出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值的判断；

在所述点的位置改变至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值后，选择所述n个点中的下一个点重复上述步骤，直到所有n个点移动的步进长度都小于所述第二阈值，使得所有点的所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值。

其中，获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据的步骤包括：利用matlab和comsol的接口提取出comsol内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是提供一种获得超材料折射率分布的装置，包括：

仿真模块，采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

数据获取模块，用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据；

差距获取模块，用于得到所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距；

判断模块，用于判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于所述第一阈值；

调节模块，用于在判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是未小于第一阈值时，采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料折射率的分布；

循环模块，用于在所述调节模块改变超材料折射率的分布后，驱使仿真模块、差距获取模块、判断模块以及调节模块依次工作，直至所述判断模板判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

折射率获取模块，用于所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值时，得到所述超材料的折射率分布。

其中，所述判断模块具体用于采用同步扰动随机逼近算法或者牛顿法，根据差距获取模块中所述获取的近场后表面相位数据对超材料不同响应的评价函数，改变所述超材料折射率的分布。

其中，所述判断模块通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上个点的插值来改变折射率分布。

其中，所述数据获取模块具体用于利用matlab和comsol的接口提取出comsol内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明利用梯度调节法获取折射率的分布，根据所述获取的近场后表面相位数据，判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距，通过不断调节，获取超材料的折射率。与现有技术相比通过使用了计算机技术，虽然增加了计算次数，但是提高了计算的效率，也提高了计算的精确程度。能够使超材料折射率的获取更加高效。

附图说明

图1是本发明获得超材料折射率分布的方法一实施例流程图；

图2是本发明使用插值法获得超材料折射率分布的方法一实施例流程图；

图3是本发明使用梯度调节法获得超材料折射率分布的方法一实施例流程图；

图4是本发明获得超材料折射率的分布的装置一实施例示意图；

图5为本发明中电磁波第一次经过所述超材料后的近场后表面相位数据分布图；

图6为本发明中电磁波经过所述超材料后的目标近场相位数据分布图；

图7为经过梯度调节法之后电磁波经过所述超材料后的近场后表面相位数据分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例获得超材料折射率分布的方法的步骤如下，

步骤S101：采用仿真方式使电磁波透过所述超材料。

所述电磁波主要是指远场电磁波。超材料的各项参数是通过仿真的方式来实现的，主要是通过建模以及对介电常数和磁导率等参数进行赋值来进行仿真。在仿真环境下，电磁波通过所述超材料之后，根据后续步骤中所述获取的近场后表面相位数据与目标近场相位数据之间的差距，调整所述超材料的仿真参数介电常数和磁导率等。让电磁波通过调整参数之后的所述超材料，继续循环，直到所述获取的近场后表面相位数据与目标近场相位数据之间的差距小于第一阈值，获取所述超材料。

步骤S102：获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据。

所述获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据包括：利用matlab和comsol的接口提取出comsol内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。所述超材料对电磁波响应的数据包括近场后表面相位数据、超材料的远场分贝、主半峰值有多大等数据。

步骤S103：获取所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距。

所述近场后表面相位数据是超材料对电磁波响应数据的一项，可以表征电磁波通过所述超材料后电磁波的传播方式。所述目标近场相位数据是指电磁波通过所述超材料后电磁波的传播方式的一种。例如，如果要让电磁波经过超材料后平行，那么超材料近场后表面相位数据要相等，也就是目标近场相位数据等于常数。所述差距反映所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间接近的程度。所述差距作为所述获取的近场后表面相位数据的评价函数，当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值时，电磁波通过所述超材料后电磁波的传播方式满足要求，获取所述超材料的折射率分布。

步骤S104：判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于第一阈值。

当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值时，执行步骤S105，当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距不小于第一阈值时，执行步骤S106。

步骤S105：获取当前的超材料折射率的分布。

当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值时，获取当前的超材料折射率的分布。

步骤S106：当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距不小于第一阈值时，采用梯度调节法获取所述超材料的折射率分布，返回继续执行步骤S102，继续循环，直到所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值，获取当前的超材料折射率的分布。

获得超材料折射率分布的方法包括使用插值法NURBS拟合已有的折射率分布。

如图2所示，本发明一实施例使用插值法调整超材料折射率分布，步骤如下：

步骤S201：通过n个点插值的方法来拟合要改变的超材料的折射率分布。

所述的n个点是随机插入的，n个点之间没有任何的依附关系。

步骤S202：选取n个点中的其中一个，采用梯度调节法获得超材料折射率分布。

所述梯度调节法可以是同步扰动随机逼近算法或者牛顿法。

步骤S203：通过其中一个点的调整完成改点对应的超材料折射率分布后，对剩余的n-1个点依次采用梯度调节的方法获得超材料折射率的分布。最后综合n个点的所得到的数据，拟合出超材料折射率的最终分布。

如图3所示，本发明一实施例使用梯度调节法获得超材料折射率分布，步骤如下：

步骤S301：选择一个初始的步进长度，随机选择一个方向对前述的n个点中的一个点移动一个步进长度。其中，根据以往的经验值进行初始的步进长度的选择，所述初始步进长度大于第二阈值。所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距作为所述获取的近场后表面相位数据的评价函数。

步骤S302：判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否变大。当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变小时，执行步骤S303，当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变大时，执行步骤S304。

步骤S303：当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变小时，选择所述步进长度，将所述一个点继续朝该相同方向移动一个步进长度。

步骤S304：当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变大时，选择所述步进长度，将所述一个点继续朝该相反方向移动一个步进长度。

步骤S305：获取所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距，当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变小时，执行步骤S303，当所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变大时，执行步骤S306。

步骤S306：判断所述步进长度是否小于所述第二阈值，如果所述步进长度不小于所述第二阈值，执行步骤S307，如果所述步进长度小于所述第二阈值，循环完毕，得到所述超材料的折射率分布。

在所述减少的步进长度小于第二阈值时，所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距仍未小于所述第一阈值，仍得出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值的判断。

步骤S307：选择一个减小的步进长度作为新的步进长度并返回步骤S302继续循环。所述新的步进长度的取值方法有多种，可以第一次取原来所述步进长度的二分之一，第二次取原来所述步进长度的四分之一，以此类推，直至最终达到循环的要求。也可以第一次取原来所述步进长度的三分之一，第二次取原来所述步进长度的九分之一，以此类推，直至最终达到循环的要求。还可以选择指数或者对数等方法，不断减小所述步进长度。选择以上那一种方法，主要根据经验值所得到。

如图5-6所示，图5为本发明中电磁波第一次经过所述超材料后的近场后表面相位数据分布图。图6为本发明中电磁波经过所述超材料后的目标近场相位数据分布图.从图中我们可以看到目标近场相位分布数据为常数，电磁波第一次经过所述超材料后的的近场后表面相位数据与目标近场相位数据差别很大。

如图7所示，图7为经过梯度调节法之后电磁波经过所述超材料后的近场后表面相位数据分布图。从图7可以看出，所述近场后表面相位数据趋近一条直线。

区别于现有技术的情况，本发明利用梯度调节法获取折射率的分布，根据所述获取的近场后表面相位数据，判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距，通过不断调节，获取超材料的折射率。与现有技术相比通过使用了计算机技术，虽然增加了计算次数，但是提高了计算的效率，也提高了计算的精确程度。能够使超材料折射率的获取更加高效。

如图4所示，本发明还提供一种获得超材料折射率分布的装置，所述装置包括：仿真模块401、数据获取模块402、差距获取模块403、判断模块404、调节模块405、循环模块406、折射率获取模块407。

所述仿真模块401采用仿真方式使电磁波透过所述超材料。

所述电磁波主要是指远场电磁波。超材料的各项参数是通过仿真的方式来实现的，主要是通过建模以及对介电常数和磁导率等参数进行赋值来进行仿真。

所述数据获取模块402用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据。

所述获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据不仅包括所述超材料的近场后表面相位数据，还包括超材料的远场分贝、主半峰值有多大等数据。

差距获取模块403，用于获取所述获取的近场后表面相位数据与目标近场相位数据之间的差距。

所述近场后表面相位数据是超材料对电磁波响应数据的一项，可以表征电磁波通过所述超材料后电磁波的传播方式。所述目标近场相位数据是指电磁波通过所述超材料后电磁波的传播方式的一种。例如，如果要让电磁波经过超材料后平行，那么超材料近场后表面相位数据要相等，也就是目标近场相位数据等于常数。

判断模块404，用于判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于所述第一阈值。

所述差距作为所述获取的近场后表面相位数据的评价函数。

调节模块405，用于在判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是未小于第一阈值时，采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料折射率的分布。

循环模块406，用于在所述调节模块改变超材料折射率的分布后，驱使仿真模块、差距获取模块、判断模块以及调节模块依次工作，直至所述判断模板判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值。

折射率获取模块407，用于获取所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于第一阈值时超材料的折射率分布。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种获得超材料折射率分布的方法，其特征在于，包括：

采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据；

获取目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距；

判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于第一阈值，若未小于所述第一阈值，采用基于梯度调节的方式改变所述超材料折射率的分布，并返回获取所述超材料对电磁波响应的数据，进行循环，直至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

获取所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值时超材料的折射率分布；

其中，所述采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料的折射率分布的步骤包括：采用同步扰动随机逼近算法或者牛顿法，根据电磁波对所述超材料不同响应而获取的近场后表面相位数据得到的差距，进而改变所述超材料折射率的分布；

改变所述超材料折射率的分布步骤包括：通过n个点插值的方式拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上各点的插值来改变折射率分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述采用基于梯度调节的方式并通过改变n个点中任何一个或以上各点的插值来改变折射率分布的步骤包括：

选择一个初始的步进长度和所述n个点中的一个点，随机选择一个方向移动一个步进长度；

若所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变大，则选择相反的方向将所述一个点移动一个步进长度，获取所述超材料对电磁波响应的数据；若所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距未小于所述第一阈值且所述差距变小，则选择所述初始的步进长度将所述一个点继续朝该相同方向移动一个步进长度，继续循环；其中，若选择相反的方向后所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距仍旧变大，则减少所述步进长度并执行随机选择一个方向移动一个减少的步进长度的步骤继续循环，直至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

其中，若所述减少的步进长度小于第二阈值时，所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距仍未小于所述第一阈值，仍得出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值的判断；

在所述点的位置改变至所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值后，选择所述n个点中的下一个点重复上述步骤，直到所有n个点移动的步进长度都小于所述第二阈值，使得所有点的所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值。

3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，

获取用以描述和衡量超材料对电磁波响应的数据的步骤包括：利用matlab和comsol的接口提取出comsol内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。

4.一种获得超材料折射率分布的装置，其特征在于，包括：

仿真模块，采用仿真方式使电磁波透过所述超材料；

数据获取模块，用于获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据，包括所述电磁波透过所述超材料后的近场后表面相位数据；

差距获取模块，用于得到目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距；

判断模块，用于判断所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是否小于第一阈值；

调节模块，用于在判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距是未小于第一阈值时，采用基于梯度调节的方式，改变所述超材料折射率的分布；

循环模块，用于在所述调节模块改变超材料折射率的分布后，驱使仿真模块、差距获取模块、判断模块以及调节模块依次工作，直至所述判断模板判断出所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值；

折射率获取模块，用于所述目标近场相位数据与获取的近场后表面相位数据之间的差距小于所述第一阈值时，得到所述超材料的折射率分布；

所述判断模块具体用于采用同步扰动随机逼近算法或者牛顿法，根据差距获取模块中所述获取的近场后表面相位数据得到的差距，改变所述超材料折射率的分布；

所述判断模块通过n个点插值的方式来拟合所述超材料的折射率分布，并且通过改变所述n个点中任何一个或以上各点的插值来改变折射率分布。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述数据获取模块具体用于利用matlab和comsol的接口提取出comsol内仿真得到的数据，以获取用以描述和衡量所述超材料对电磁波响应的数据。