本發(fā)明涉及電磁超表面器件，具體為基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、可重構(gòu)超表面設(shè)計在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在無線通信領(lǐng)域，可以提高通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍，實現(xiàn)智能天線功能。在雷達和遙感領(lǐng)域，可用于目標檢測、成像和干擾抑制等。在可重構(gòu)超表面設(shè)計中，主要涵蓋參數(shù)優(yōu)化和拓撲優(yōu)化兩個方面。其中，參數(shù)優(yōu)化需要對初始結(jié)構(gòu)的參數(shù)空間進行全面探索，以確定滿足特定的設(shè)計目標。

2、目前，可重構(gòu)超表面拓撲優(yōu)化方法主要分為兩類：第一類是基于機器學習的拓撲優(yōu)化，這類方法利用由電磁仿真得到的數(shù)據(jù)集來訓練機器學習模型，隨后使用該模型獲得滿足特定設(shè)計標準的可重構(gòu)超表面拓撲設(shè)計。此類方法的核心在于機器學習建模，所以需要大量的電磁仿真數(shù)據(jù)來建立不同拓撲設(shè)計與電磁響應(yīng)之間的關(guān)系，這種方法的確定是計算代價較大。

3、第二類是基于多端口網(wǎng)絡(luò)的拓撲設(shè)計方法，該方法將可重構(gòu)超表面分割為多個矩形金屬貼片，將金屬貼片之間利用離散的多端口相連，提取多端口的阻抗參數(shù)/反射參數(shù)，通過對多端口的負載參數(shù)進行分析，建立多端口的負載與可重構(gòu)超表面的反射系數(shù)之間的關(guān)系。該方法能夠減少對超表面單元拓撲設(shè)計對電磁仿真依賴，進而縮短設(shè)計時間。然而，該方法生成的可重構(gòu)超表面與原始設(shè)計較為相似，難以實現(xiàn)單元結(jié)構(gòu)的小型化。

4、因此，設(shè)計實用性強的基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法是很有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。在可重構(gòu)超表面的設(shè)計中，電流密度較高的區(qū)域?qū)芍貥?gòu)超表面的性能影響更大。因此，消除電流較低的金屬貼片對超表面整體性能的影響較小，能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)超表面的小型化。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，包括以下步驟：

3、s1：電流分布圖像灰度化

4、可重構(gòu)超表面的電流分布是彩色圖像，具有三個通道的信息，信息量較大，而可重構(gòu)超表面的無源金屬表面只有“有”和“無”金屬貼片兩種情況，能表征的信息較少，因此，需要將獲得的電流分布圖進行處理，將有用的信息提取出來，通過對電流分布進行灰度化處理，提取可重構(gòu)超表面單元的電流分布圖中的有用信息；

5、s2：電流分布圖像分割

6、由于灰度處理后的圖像的每個像素值的變化范圍為0-255，對于可重構(gòu)超表面單元的無源金屬表面來說，信息量仍然較大，因此需要進一步對圖像信息進行簡化，通過圖像分割技術(shù)，將圖像的像素值簡化為“0”和“1”兩種可能；

7、s3：電流分布圖像向可重構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

8、為了將二維圖像轉(zhuǎn)換為可重構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)，需將圖像域信息轉(zhuǎn)換為金屬貼片的物理結(jié)構(gòu)，分割后的圖像像素矩陣由兩個元素“0”和“1”組成，通過線性映射，將像素值為“1”像素映射到指定大小的金屬結(jié)構(gòu)；

9、s4：不同工作狀態(tài)的可重構(gòu)超表面單元設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計

10、一旦確定了頂部的無源金屬貼片的拓撲結(jié)構(gòu)，通過添加基板和接地層來構(gòu)造出可重構(gòu)超表面單元的結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)電磁波的動態(tài)調(diào)控，利用擬牛頓梯度優(yōu)化算法，獲得不同工作狀態(tài)超表面單元，利用廣義斯涅爾定理，根據(jù)電磁波的調(diào)控需求，構(gòu)造可重構(gòu)超表面系統(tǒng)。

11、根據(jù)上述技術(shù)方案，所述圖像分割技術(shù)采用otsu閾值分割技術(shù)。

12、根據(jù)上述技術(shù)方案，所述otsu閾值計算的目標是最大化類間方差與類內(nèi)方差的比，如下所示：

13、

14、式中，是類間方差，是類內(nèi)方差，μ1和μ2分別是兩個類的均值，δ1和δ2分別是兩個類的方差；

15、otsu閾值分割對圖像中每一個灰度級計算類內(nèi)方差和類間方差，選取使得類間方差最大的灰度級作為閾值；otsu閾值計算公式如下：

16、

17、式中，是最優(yōu)閾值。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達到的有益效果是：本發(fā)明中的方法為超表面單元生成新的結(jié)構(gòu)拓撲，超越了幾何約束，能夠識別并建立最佳結(jié)構(gòu)拓撲。本發(fā)明專注于可重構(gòu)超表面的拓撲設(shè)計，將電流分布納入可重構(gòu)超表面單元的拓撲設(shè)計中，利用圖像分割技術(shù)將電流分布有效地映射到超表面單元結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)可重構(gòu)超表面單元的小型化。

技術(shù)特征：

1.基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，其特征在于：所述圖像分割技術(shù)采用otsu閾值分割技術(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，其特征在于：所述otsu閾值計算的目標是最大化類間方差與類內(nèi)方差的比，如下所示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電磁超表面器件技術(shù)領(lǐng)域，且公開了基于電流分布和圖像分割的可重構(gòu)超表面單元的設(shè)計方法，包括以下步驟：S1：電流分布圖像灰度化：可重構(gòu)超表面的電流分布是彩色圖像，具有三個通道的信息，信息量較大，而可重構(gòu)超表面的無源金屬表面只有“有”和“無”金屬貼片兩種情況，能表征的信息較少，因此，需要將獲得的電流分布圖進行處理，將有用的信息提取出來。本發(fā)明中的方法為超表面單元生成新的結(jié)構(gòu)拓撲。本發(fā)明專注于可重構(gòu)超表面的拓撲設(shè)計，將電流分布納入可重構(gòu)超表面單元的拓撲設(shè)計中，利用圖像分割技術(shù)將電流分布有效地映射到超表面單元結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)可重構(gòu)超表面單元的小型化。

技術(shù)研發(fā)人員：張珍,邱君輝,敖卓謙,趙賽
受保護的技術(shù)使用者：廣州大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28