專利名稱：人工電磁材料電磁參數(shù)測(cè)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工電磁材料等效電磁參數(shù)測(cè)量的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明致 力于一種將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與計(jì)算電磁學(xué)方法相結(jié)合的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
人工電磁材料具有獨(dú)特電磁特性和潛在的應(yīng)用前景，對(duì)于它的研究開(kāi)創(chuàng)了一 個(gè)全新的領(lǐng)域,隨著它的發(fā)展，許多原有的技術(shù)將得到新的發(fā)展和突破。它將在 很多研究領(lǐng)域得到應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、納米技術(shù)以及微電子技術(shù) 等。其中對(duì)其設(shè)計(jì)制作方法的研究、參數(shù)測(cè)試方法研究、應(yīng)用的研究一直是國(guó) 內(nèi)外人工電磁材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。
對(duì)電磁參數(shù)隨頻率變化的周期性結(jié)構(gòu)的人工電磁材料等效電磁參數(shù)提取方 法的研究在S前還沒(méi)有取得根本突破同軸線結(jié)構(gòu)的傳輸線電磁參數(shù)測(cè)量方法， 只能用于THM波的單模情況，不適用于對(duì)左手材料的測(cè)量，并且該方法不能直 接用于波導(dǎo)中多模方式下的測(cè)量。針對(duì)波導(dǎo)測(cè)量中多模特性，將傳輸與反射算 法擴(kuò)展至波導(dǎo)傳輸線的測(cè)量方法中，解決波導(dǎo)中的多模激勵(lì)和多模傳輸問(wèn)題， 從而可以對(duì)人工材料等效電磁參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并降低待測(cè)材料樣品加工的難度。 在多模傳輸時(shí)，散射參數(shù)Sll和S21與待測(cè)樣品的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)
關(guān)系復(fù)雜，得不到相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)與散射參數(shù)Sll和S21的簡(jiǎn)單函
數(shù)關(guān)系。在所有已知的傳輸反射方法中存在以下問(wèn)題
第一，會(huì)出現(xiàn)傳輸系數(shù)的相位誤差問(wèn)題，該問(wèn)題雖然在一定程度上得到解
決，但是在半波長(zhǎng)頻率點(diǎn)還是會(huì)出現(xiàn)一些誤差；第二，材料樣品難于制作，尤其在同軸線測(cè)量模型中，測(cè)試材料需要很高 的加工精度，而且會(huì)對(duì)材料本身造成破壞，因此， 一些具有復(fù)雜周期性結(jié)構(gòu)的 材料往往很難加工成測(cè)試樣品；
第三，在使用波導(dǎo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于多模傳播頻段的各種模式之間存在相 位的不同，在激勵(lì)源的設(shè)置上存在很多問(wèn)題，這也是在多模傳輸頻段得到較為 準(zhǔn)確的電磁參數(shù)需要解決的核心問(wèn)題。但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀顯示，等效電磁參數(shù)的提 取是人工電磁材料應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，因而世界各國(guó)也投入了大量的人力物力進(jìn) 行攻關(guān)研究。
人工電磁材料的出現(xiàn)已經(jīng)引起諸多科學(xué)研究者的興趣，它在科技和工程應(yīng) 用上必將發(fā)揮其巨大的作用。而等效電磁參數(shù)的提取能夠?yàn)槿斯る姶挪牧显谕?信技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、納米技術(shù)、微電子技術(shù)以及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用提供 關(guān)鍵依據(jù)，研制一套成熟的應(yīng)用范圍廣的精度高的電磁參數(shù)提取方法能夠大力 推動(dòng)人工電磁材料在信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
因此，需要提供另選的且更有效的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量人工電磁材料的等效電 磁參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決如下問(wèn)題，即提供另選的且更有效的方法來(lái)適合測(cè)量人 工電磁材料的等效電磁參數(shù)。
本發(fā)明采用將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與計(jì)算電磁學(xué)方法結(jié)合的方法，利用計(jì)算電磁
學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法FEM和FDTD計(jì)算被測(cè)材料的傳輸與反射系數(shù)，將相應(yīng)計(jì)算 結(jié)果作為訓(xùn)練序列對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)充分訓(xùn)練以后，可以 通過(guò)輸入傳輸與反射系數(shù)的測(cè)量值，計(jì)算得到被測(cè)材料的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。因此本發(fā)明內(nèi)容分為有限元計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練兩部分。 第一部分
在傳輸與反射系數(shù)測(cè)量方法中，相位引起的多值性是影響參數(shù)提取的重要 問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了計(jì)算群時(shí)延或計(jì)算S參量的導(dǎo)數(shù)消除復(fù)介電 常數(shù)中計(jì)算公式出現(xiàn)多值分支的現(xiàn)象。將單模式的公式推廣到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的多模 式中，要考慮波導(dǎo)中各個(gè)模式對(duì)傳輸與反射系數(shù)的貢獻(xiàn)，因此需要分析多模傳 輸中各個(gè)模式之間幅度和傳輸相位之間的關(guān)系，建立適用于多模式條件的傳輸 與反射測(cè)量方法。分析過(guò)程主要包括
用計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值方法計(jì)算不同材料參數(shù)樣本的傳輸與反射系數(shù)，每個(gè) 計(jì)算樣本反映了材料參數(shù)與傳輸、反射系數(shù)之間的關(guān)系；進(jìn)一步該函數(shù)關(guān)系可
以用已知材料進(jìn)行驗(yàn)證。在完成大量樣木的計(jì)算以后，用這些樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于材料電磁參數(shù)的提取。
第二部分
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種由大量神經(jīng)單元(神經(jīng)元)相互連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它能 模擬人類的部分神經(jīng)功能，具有一定的智能特征。通過(guò)對(duì)輸入輸出變量進(jìn)行大 量的訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)T新的輸入信息給出正確的判斷。
利用計(jì)算電磁學(xué)方法計(jì)算傳輸與反射系數(shù)，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，由經(jīng)過(guò) 充分訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)測(cè)量傳輸與反射系數(shù)計(jì)算被測(cè)材料的有效介電常數(shù) 和有效磁導(dǎo)率。計(jì)算電磁學(xué)的方法通常是一個(gè)正向問(wèn)題的求解過(guò)程。而對(duì)于參 數(shù)提取的逆問(wèn)題，即根據(jù)己測(cè)量的S參數(shù)來(lái)獲得材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率，通 常是一個(gè)非線性的、病態(tài)的問(wèn)題，所以很難得到一個(gè)很好的反演算法。神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)方法可以克服反演病態(tài)問(wèn)題，能夠得到穩(wěn)定的參數(shù)提取過(guò)程。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的訓(xùn)練輸入輸出序列，采用有限元算法對(duì)各種己 知材料的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，獲得所需要的大量的用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入輸出序 列，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)新的測(cè)量數(shù)據(jù)得到對(duì)應(yīng)的電磁參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
第一方面有限元計(jì)算
1. 構(gòu)建波導(dǎo)結(jié)構(gòu)測(cè)量模型和計(jì)算模型；
2. 建立被測(cè)材料的數(shù)值計(jì)算模型；
3. 根據(jù)計(jì)算模型進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，得到散射參數(shù)計(jì)算數(shù)值；
4. 針對(duì)已知材料進(jìn)行測(cè)量，與數(shù)值計(jì)算模型比較，修改模型獲得正確結(jié)果；
5. 在以上工作基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)試材料參數(shù)的特性，選取具有代表特性參數(shù) 的材料模型進(jìn)行分析計(jì)算，從而得到大量用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輸入輸出序列。
第二方面神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
利用上述得到的輸入輸出序列訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 第三方面用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行材料參數(shù)提取
利用得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)新的測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量，預(yù)測(cè)被測(cè)材料的電磁參數(shù)。
權(quán)利要求
1、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與計(jì)算電磁學(xué)方法結(jié)合，利用計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法FEM和FDTD計(jì)算被測(cè)材料的傳輸與反射系數(shù)，將相應(yīng)計(jì)算結(jié)果作為訓(xùn)練序列對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。包括如下步驟第一步，利用計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法FEM和FDTD計(jì)算被測(cè)材料的傳輸與反射系數(shù)(S參數(shù))，將相應(yīng)計(jì)算結(jié)果作為訓(xùn)練序列對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；第二步，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)已測(cè)量的S參數(shù)來(lái)獲得材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，獲得所需要的大量的輸入輸出序列 后，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)新的己測(cè)量的S參數(shù) 來(lái)獲得材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種研究測(cè)量電磁參數(shù)的新方法，要求能夠測(cè)試左手材料及具有周期性結(jié)構(gòu)的人工電磁材料，且測(cè)試結(jié)果精度高，測(cè)試樣品制作簡(jiǎn)單。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種可以適用高度非線性問(wèn)題的生物學(xué)計(jì)算方法，已經(jīng)廣泛用于其它信息處理計(jì)算領(lǐng)域，并被證明是較為優(yōu)秀的一種算法。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與計(jì)算電磁學(xué)方法結(jié)合的方法，利用計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法FEM和FDTD計(jì)算被測(cè)材料的傳輸與反射系數(shù)，將相應(yīng)計(jì)算結(jié)果作為訓(xùn)練序列對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)充分訓(xùn)練以后，可以通過(guò)輸入傳輸與反射系數(shù)的測(cè)量值，計(jì)算得到被測(cè)材料的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101620249SQ20091016441
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者莉 張, 逯貴禎 申請(qǐng)人:張 莉;逯貴禎