技术摘要：
本发明公开了一种电磁波空间计算的运算装置及其优化方法，该电磁波空间计算的运算装置一般采用层叠结构实现；一般用单元阵列结构实现单层电磁结构；采用周期或者准周期的单元排布方式形成单元阵列。该电磁计算方法利用相互作用的电磁网络完成可调参数的矩阵运算，并且  全部
背景技术：
超构材料是指具有亚波长尺度的单元按一定的宏观排列方式(周期性或非周期 性)形成的人工复合结构。由于其基本单元和排列方式都可任意设计，因此能突破传统材料 在原子或分子层面难以精确操控的限制，构造出传统材料与传统技术不能实现的超常规媒 质参数，进而对电磁波进行高效灵活调控，实现一系列新奇的物理特性和应用。近二十年 来，超构材料一直是物理和信息领域的国际前沿，以等效媒质理论为基础，在变换光学等方 法指导下，新型电磁结构设计不断涌现，例如电磁隐身衣、隐身地毯、完美吸波体、电磁黑洞 等，引起了世界各国科学家和政府组织的高度关注。 本发明中涉及的信息超构材料，或称为数字电磁超材料、电磁编码超材料，可将电 磁模拟信号数字化，智能实时地调整材料的电磁信息特性，以适应或改变周围电磁环境，即 具备对电磁波在时-空-频-极化等多维电磁物理空间实时调控的能力，其重要特征之一就 是能够直接处理数字编码信息。该信息超构材料的概念，由我国学者崔铁军等人由2014年 首先提出(Light:Science&Applications，2014年9月9日正式录用，2014年10月24日在线发 表)，该思想不但被实验所证实，而且开拓出一个新领域，为超构材料技术的发展开辟了新 方向。比如，1-比特的信息超构材料由“0”和“1”的单元码元来分别表征0°和180°的相位响 应，然后按照一定规律排列这样的“0”和“1”的单元码元构成超构材料表面(或称超构表面、 超表面)，以实现所需的设计功能；而2-比特的信息超构材料由“00”、“01”、“10”和“11”等单 元码元来分别表征0°、90°、180°和270°等的相位响应，以此进行单元排列、构成特定功能的 超构表面；以此类推，多比特的单元码元则选用相位差基本保持稳定的有限种电磁超构材 料单元形式，按一定的编码规律进行排列，具有2N种状态特性，其中N代表比特数，构成所需 功能的超构表面。多比特超构表面具有与1比特超构表面相同的数字化设计的优点，且具有 更多的编码组合，因此对电磁波的调控更加自由，能实现的功能更加丰富、调控效果更优。 现代经典的信号与信息处理系统，所涉及的大部分信号或者信息的初始形态是事 物的运动变化，为了测量它们和处理它们，先要用传感器把它们的特征转换成电信号，等到 这些电信号处理完后，再把它们转变为我们能看见、能听见或能利用的形态。比如，初始信 号代表某种事物的运动变换，它经信号转换单元可变为电信号。例如声波，它经过麦克风后 就变为电信号；又如压力，它经压力传感器后变为电信号；电信号可视为许多频率的正弦波 的组合。数字信号处理的过程实际上是一系列的运算过程，即它按照指令对二进制的数字 信号进行计算。例如，将声波信号与一个高频正弦波信号相乘，可实现幅度调制。广义来说， 数字信号与信息处理是用数字方法和算法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调等 运算，对所涉及的信息进行接收、存储、转化、传送和发布等处理。因此，传统的信号与信息 处理系统都是计算机等数字设备中实现的，以数字电路为媒质、以电信号为载体实现相应 4 CN 111581588 A 说　明　书 2/8 页 的运算。 信息超构材料，将电磁模拟信号数字化，具备对电磁波在时-空-频-极化等多维电 磁物理空间实时调控的能力，其重要特征之一就是能够直接处理数字编码信息，如信息超 构材料表面可以实现电磁波的卷积运算、复数加法运算等，也就实现了物理世界与数字世 界的统一，由此为信息超构材料形成电磁波空间计算的装置奠定了理论基础，进一步形成 新体制的信号与信息处理架构、且其架构大大简化。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电磁波空间计算装置及其运算方法，由 多个信息超构材料表面层叠级联，构建基于电磁域的多层网络，来实现信息运算和信息运 算。 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于信息超构材料单元，该 单元包括自上而下依次设置的上层金属结构(1)、上层介质板层(2)、金属地(3)、下层介质 板层(4)和底层金属结构层(5)；并且，在上层金属结构(1)上方设置有上层放大器(51)，在 下层金属结构(5)下方设置有下层放大器(62)。 进一步的，所述上层金属结构(1)包括第一圆形金属结构(11)、第一传导结构 (12)、第一金属过孔结构(13)，所述第一圆形金属结构(11)与第一金属过孔结构(13)通过 第一传导结构(12)连接，并且位于同一表面； 所述下层金属结构(5)包括第二圆形金属结构(51)、第二传导结构(52)、第二金属 过孔结构(53)，所述二圆形金属结构(51)与第二金属过孔结构(53)通过第二传导结构(52) 连接，并且位于同一表面；所述第一金属过孔结构(13)与第二金属过孔结构(53)连通。 此外，本发明还提出一种根据所述基于信息超构材料单元构成的超表面，该超表 面由所述信息超构材料单元排列而成。 此外、本发明还提出一种根据所述的超表面构建的电磁波空间计算装置，该装置 包括M个所述超表面，并且M大于等于2；所述超表面空间上通过支柱或者结构框架连接形成 相对平行的空间层叠的级联架构或者每层超表面之间填充介电常数和损耗参数的电磁介 质形成相对平行的空间层叠的级联架构。 此外，本发明还提出一种根据所述电磁波空间计算装置的优化方法，该方法包括 如下步骤： 第一步，将电磁波空间计算装置的第一层为第0层，也即输入层，并设置输入层的 电磁波； 第二步：随机初始化所有Ti的参数值, Ti代表第i层超材料单元的传输 调控系数矩阵，Ti中每个元素和第i层超材料阵列中每个单元的增益系数对应，i＝1,2,…, M-1， 第三步：计算依次经过M层超表面后的电磁波输出EM 1，并由误差函数计算出此时 的误差Loss0＝LF(EM 1)，其中，LF( )表示由系统输出EM 1计算误差的函数； 5 CN 111581588 A 说　明　书 3/8 页 第四步：随机初始化 参数单次更新的步长 假如 的值增加 则系统的 输出会增加 即系统的输出变为 计算一个辅助用的更 新误差： 第五步：对比Loss0和 假如Loss0小于等于 则 值不更新，保持不变； 假如Loss0大于 则 值更新为 对第i层所有的 循环执行第三步到第五 步，i＝1,2,…,M，p＝1,2,…,N，N为每层超表面包含的信息超构材料单元的个数； 第六步：对所有层的 执行第一步到第五步得到所有层优化的Ti； 第七步：使用执行完第六步后所有层Ti的值，重新由前向传输过程计算系统的输 出EM 1，并由误差函数重新计算出此时的误差Loss0＝LF(EM 1)，判断此时Loss0的大小，假如 Loss0的值大于预设的阈值，则跳回第三步继续迭代更新；相反的，假如Loss0的值小于等于 预设的阈值，则保存此时Ti的值作为优化的最终结果。 进一步的，从第i层超材料单元到第i 1层超材料单元的前向传输的过程可以表达 为： Ei 1＝Gi·(Ti ⊙ Ei) Ei代表了照射到第i层超材料表面的电磁波，也可以看成是第i-1层超材料的输 出； Ti代表第i层超材料单元的传输调控系数矩阵，Ti中每个元素和第i层超材料阵列 中每个单元的增益系数对应； Gi代表从第i层超材料单元到第i 1层超材料单元的自由空间传输系数矩阵。 进一步的，所述计算误差的函数为均方误差函数或者交叉熵误差函数。 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果： 现有的信息超构材料单元在以往的幅度调控设计中通常是引入一些谐振结构，来 实现吸波的效果，这类超构材料单元及其功能表面都是通过吸收能量来对幅度进行调控， 且材料结构一旦确定，功能也就固定了，不能实时改变。为了实现实时可调，一些结合变容 二极管的可调谐超构材料单元也已被提出，但因没有额外能量输入，其对电磁波调控仍以 吸波来实现，且调控范围也很有限。因此，所述新型超构材料的基本单元可依据特定系数变 化实现幅度调控，实时可调范围大，调控方法灵活。 由该基本单元，可通过排布构成为电磁波空间计算的运算层，通过超构材料传输 结构和放大器的结合，利用其对放大器增益特性有效调控，使得所设计的信息超构材料表 面具有可编程的功能，实现对传输电磁波幅度的有效控制，其调控特性可以实现Y＝W*X电 磁波空间计算，且传输调控系数矩阵W可根据运算要求实时可控；同时，级联的电磁波传输， 也可以直接通过运算层表面实现A/D或D/A转换。 该电磁波空间计算装置，支持任意误差函数，支持任意个数复数离散值；可采用并 6 CN 111581588 A 说　明　书 4/8 页 行更新，误差可在几分钟内稳定收敛，给功能扩展提供了可能；考虑到每个节点的相位变化 可能并不固定，每个节点都支持随机相位误差的引入，可稳定收敛。 附图说明 图1是本发明中基本单元的截面结构示意图； 图2是本发明中基本单元的正面和背面结构示意图，其中a为正面结构示意图，b为 背面结构示意图； 图3是本发明中基本单元对电磁信号调控和传输原理图； 图4是本发明所述的电磁波空间计算装置的一种具体实施例； 图5是本发明的电磁波空间计算装置多层级联的实施例； 图6是本发明的电磁波空间计算装置实现电磁波传输过程的示意图； 图7是本发明的电磁波空间计算装置进行离线学习训练的流程图； 图8是本发明的电磁波空间计算装置进行现场强化学习训练的流程图； 图9是本发明的具有反馈网络的电磁波空间计算装置的实施例。