打破變換光學(xué)理論限制 遺傳算法助力隱身器件設(shè)計

  ICC訊 近日，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽教授團隊提出了運用遺傳算法設(shè)計隱身器件的方案，并成功設(shè)計出可作用于微波頻段和太赫茲頻段的隱身器件。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論E》。

  隱身是指物體對人眼或電磁探測不可見的現(xiàn)象。隨著變換光學(xué)理論的不斷發(fā)展，科研人員通過操縱光和物質(zhì)相互作用來實現(xiàn)物體隱身逐漸成為可能，但要想在現(xiàn)實中設(shè)計出完美的隱身器件，仍存在巨大挑戰(zhàn)。

  此次研究中，科研人員將人工智能算法與傳統(tǒng)電磁理論相結(jié)合，通過機器學(xué)習(xí)來探索光子器件的隱身性能，在最小化人為干預(yù)前提下，找到了針對多種散射體隱身器件的設(shè)計最優(yōu)解。

  “我們用到的設(shè)計隱身器件的遺傳算法是一種受到生物進化啟發(fā)的學(xué)習(xí)方法。該算法通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解?！标悷柋硎?。該研究將隱身器件的最小化散射截面設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，將隱形器件的幾何結(jié)構(gòu)、材料及工作波長這些變量定義為遺傳算法中的個體染色體。優(yōu)化過程從隨機生成由隱身器件組成的種群開始，通過解析計算每個隱身器件對應(yīng)的散射截面，運用遺傳算法進行選擇、交叉和變異等操作，選擇最優(yōu)個體參與下一代繁殖，并重復(fù)該過程直至找到全局的最優(yōu)方案。

  研究人員用該方法分別設(shè)計了可作用于微波頻段與太赫茲頻段的雙層圓柱隱身器件。仿真過程顯示，隨機初始化的隱身器件一般散射較強。隨著進化過程的進行，散射逐漸變?nèi)踝罱K實現(xiàn)了隱身。此次研究發(fā)現(xiàn)，六角氮化硼、射頻材料等天然材料及其層狀結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)多頻甚至寬頻隱身。此外，研究還首次發(fā)現(xiàn)雙曲色散材料或雙曲超材料也能實現(xiàn)隱身，突破了此前變換光學(xué)的認知。

  此次研究的成果打破了變換光學(xué)理論對于隱身器件設(shè)計的限制，為設(shè)計多頻甚至寬頻隱身器件提供了較為高效而實用的方法，有望加速推動隱身器件從理論走向應(yīng)用。