打破變換光學(xué)理論限制 遺傳算法助力隱身器件設(shè)計(jì)

  ICC訊 近日，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了運(yùn)用遺傳算法設(shè)計(jì)隱身器件的方案，并成功設(shè)計(jì)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(píng)論E》。

  隱身是指物體對(duì)人眼或電磁探測(cè)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(guò)操縱光和物質(zhì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)物體隱身逐漸成為可能，但要想在現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)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(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)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(duì)多種散射體隱身器件的設(shè)計(jì)最優(yōu)解。

  “我們用到的設(shè)計(jì)隱身器件的遺傳算法是一種受到生物進(jìn)化啟發(fā)的學(xué)習(xí)方法。該算法通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解?！标悷?yáng)表示。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(zhǎng)這些變量定義為遺傳算法中的個(gè)體染色體。優(yōu)化過(guò)程從隨機(jī)生成由隱身器件組成的種群開始，通過(guò)解析計(jì)算每個(gè)隱身器件對(duì)應(yīng)的散射截面，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行選擇、交叉和變異等操作，選擇最優(yōu)個(gè)體參與下一代繁殖，并重復(fù)該過(guò)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(jì)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(guò)程顯示，隨機(jī)初始化的隱身器件一般散射較強(qiáng)。隨著進(jìn)化過(guò)程的進(jìn)行，散射逐漸變?nèi)踝罱K實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)隱身，突破了此前變換光學(xué)的認(rèn)知。

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