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用于红外宽带吸收器的深度学习网络模型框架

石油化工高等学校学报 2023年第6期36卷 57-63,I0002页

作者：王璇冯乃星张玉贤安徽大学教育部智能计算与信号处理重点实验室/信息材料与智能传感实验室安徽合肥230601

揭示复杂的光物质相互作用,必须简化超材料的正向和反向按需设计。近年来深度学习作为一种流行的数据驱动方法,在很大程度上缓解了数值模拟耗时长、重经验的特点。提出了一种基于全连接的深度神经网络框架实现宽带吸收器的逆向设计和光... 详细信息

揭示复杂的光物质相互作用,必须简化超材料的正向和反向按需设计。近年来深度学习作为一种流行的数据驱动方法,在很大程度上缓解了数值模拟耗时长、重经验的特点。提出了一种基于全连接的深度神经网络框架实现宽带吸收器的逆向设计和光谱预测。结果表明,深度神经网络(DNN)模型的准确度为87.47%;与传统的数值算法相比,该模型不仅在确保精确度的同时获得更高的效率,而且可为超材料按需设计性能提供参考。

关键词：逆设计问题石墨烯黑磷深度学习宽带吸收

适用于有耗型德拜色散媒质电磁特性仿真的RI-CDI-FDTD方法及程序实现

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物理学报 2023年第15期72卷 1-9页

作者：谢国大侯桂林牛凯坤冯乃星方明李迎松黄志祥安徽大学电子信息工程学院合肥230601 安徽大学智能计算与信号处理教育部重点实验室合肥230601

提出了一种新的处理有耗型德拜色散媒质的单步蛙跳遵从发散隐式-时域有限差分(complying divergence implicit FDTD,CDI-FDTD)方法.从频域下的Maxwell方程出发,利用傅里叶变换将电磁场分量从频域转换到时域,并采用递归积分(recursive in... 详细信息

提出了一种新的处理有耗型德拜色散媒质的单步蛙跳遵从发散隐式-时域有限差分(complying divergence implicit FDTD,CDI-FDTD)方法.从频域下的Maxwell方程出发,利用傅里叶变换将电磁场分量从频域转换到时域,并采用递归积分(recursive integration,RI)方法对频域-时域转换过程中存在的积分项进行近似处理.然后应用单步蛙跳隐式格式对时域Maxwell方程和辅助变量进行差分离散,推导出有耗型德拜色散媒质的RI-CDI-FDTD算法的迭代公式.接着利用von Neumann方法验证了基于RI方法的CDI-FDTD算法的无条件稳定特性,最后通过数值算例验证了本文所提方法的正确性和有效性.

关键词：德拜色散媒质遵从发散隐式-时域有限差分递归积分无条件稳定

高阶SF-SFDTD方法在含时薛定谔方程求解中的应用研究

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物理学报 2024年第3期73卷 72-81页

作者：谢国大潘攀任信钢冯乃星方明李迎松黄志祥安徽大学电子信息工程学院合肥230601 安徽大学智能计算与信号处理教育部重点实验室合肥230601

时域有限差分方法(finite-difference time-domain,FDTD(2,2))被广泛用于量子力学中薛定谔方程的求解,然而受Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件的影响,计算空间中的网格尺寸会限制时间步长的取值范围,极大降低了FDTD(2,2)方法的数值计... 详细信息

时域有限差分方法(finite-difference time-domain,FDTD(2,2))被广泛用于量子力学中薛定谔方程的求解,然而受Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件的影响,计算空间中的网格尺寸会限制时间步长的取值范围,极大降低了FDTD(2,2)方法的数值计算效率.另外,FDTD(2,2)方法在时间域和空间域只具有二阶数值精度,在计算中往往会导致较大的误差累计,影响仿真结果的正确性.为了克服这些问题,结合空间滤波方法(spatial filtering,SF)和高阶辛时域有限差分(symplectic finite-difference time-domain,SFDTD(3,4))方法(3和4分别表示时间和空间数值精度),提出了一种时间稳定性条件可扩展的SF-SFDTD(3,4)方法用于求解含时薛定谔方程.SF-SFDTD(3,4)方法无需对传统SFDTD(3,4)方法的迭代公式进行进一步的推导,只需要在每一次的数值迭代过程中加入空间滤波操作,滤除因采用不满足CFL条件的时间步长而产生的不稳定空间域高频分量,保证数值方法的稳定性,因此所提方法与传统SFDTD(3,4)方法具有较高的兼容性.同时,理论分析了SF-SFDTD(3,4)方法的数值色散误差.最后,通过数值算例验证了本文所提方法的正确性和有效性.

关键词：辛时域有限差分方法空间滤波方法时间稳定性条件薛定谔方程

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基于极限梯度提升的完美匹配单层智能算法实现航空瞬变电磁问题高效吸收

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物理学报 2024年第6期73卷 241-249页

作者：冯乃星王欢朱子贤董纯志李宏杨张玉贤杨利霞黄志祥安徽大学电子信息工程学院合肥230601 安徽大学智能计算与信号处理教育部重点实验室合肥230601

对于航空瞬变电磁的低频探地问题,除了精度和效率需要考虑,深地探测问题的复杂度也不容忽视,特别是对于低频复杂问题存在异常体与背景间的多尺度效应.为了模拟开域问题,有限厚度区域的完全匹配层被用于截断计算域,然而这也无形中增大了... 详细信息

对于航空瞬变电磁的低频探地问题,除了精度和效率需要考虑,深地探测问题的复杂度也不容忽视,特别是对于低频复杂问题存在异常体与背景间的多尺度效应.为了模拟开域问题,有限厚度区域的完全匹配层被用于截断计算域,然而这也无形中增大了整个模型,造成计算复杂度增加.鉴于此,提出了一种新的基于极限梯度提升(extreme gradient boosting,XGB)的完美匹配单层模型,并将该模型集成到时域有限差分求解器中,以进一步提高时域有限差分仿真的性能.所提出的基于XGB的完美匹配单层模型通过特征注意力集成学习方法可以获得更高的精度,同时占用更少的内存、消耗更少的时间.此外,由于该模型依托于传统机器学习模型,因此它在模型训练的稳定性和轻量级方面具有显著的优势.最后,通过对航空瞬变电磁应用进行三维数值模拟,验证了该方法的有效性和稳定性.该模型不仅在精度、效率和问题复杂性方面具有优势,而且还可以成功地集成到时域有限差分求解器中,解决低频航空瞬变电磁问题.

关键词：极限梯度提升完美匹配单层机器学习时域有限差分

基于矩阵指数法的双线性Z变换PML模拟FDTD地下探测与成像

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电波科学学报 2021年第4期36卷 579-588页

作者：冯乃星张玉贤郑宏兴曾庆生童美松深圳大学深圳518060 河北工业大学天津300401 南京航空航天大学南京210016 同济大学上海200092

凭借矩阵指数技术,一套紧凑且高精度的基于双线性Z变换的复频率偏移完全匹配层(perfectly matched layer,PML)算法被提出截断时域有限差分问题,实现甚低频地下探测和甚高频地下成像的模拟.正因为采用了该技术,所提出的算法呈现为紧凑的... 详细信息

凭借矩阵指数技术,一套紧凑且高精度的基于双线性Z变换的复频率偏移完全匹配层(perfectly matched layer,PML)算法被提出截断时域有限差分问题,实现甚低频地下探测和甚高频地下成像的模拟.正因为采用了该技术,所提出的算法呈现为紧凑的一阶微分矩阵格式,使得该算法能够在数学推导期间完全地避免进行卷积操作、公式重排、变量替换.再者,所提出算法不仅可以灵活地截断任意材料(因为采用了电/磁通量本构关系式),而且能够高效地衰减隐失波以及减少电磁波相互作用过程中后期的反射,从而更好地模拟开域空间问题.此外,在距离目标体更近的距离进行截断模拟时,所提出算法仍然可以维持较高的吸收性能,以至于更小的计算区域可以被采用于模拟三维地下探测与成像问题,从而节省了大量的内存和计算时间.最后,地下探测与成像问题被应用到阐述所提出算法的有效性和精度.

关键词：时域有限差分方法完全匹配层(PML) 矩阵指数法 Z变换方法地下探测与成像

一维单粒子情况下等离子体流体力学方程组推导

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一维单粒子情况下等离子体流体力学方程组推导

一种用于三维复杂结构宽带吸收器的反向设计模型

第十七届全国电波传播年会

作者：刘雅欣张玉贤杨利霞冯乃星安徽大学

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的,宏观上呈现准中性,且具有集体效应的混合流体.在等离子体研究中,等离子体与电磁波的相互作用是个很有意义的研究课题.这方面最早的研究是利用电磁波的传播效... 详细信息

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的,宏观上呈现准中性,且具有集体效应的混合流体.在等离子体研究中,等离子体与电磁波的相互作用是个很有意义的研究课题.这方面最早的研究是利用电磁波的传播效应来探测地球的电离层.此后,电磁波在等离子体中的传播特性得到了越来越多的研究.等离子体中的波动现象是等离子体物理研究中最基本的物理现象,在研究等离子体中的波动现象之前,必须明确所需的物理量及这些物理量满足的方程组.由于等离子体是由大量自由运动的带电粒子组成的动力学系统,所以我们运用等离子体流体理论,采用数学描述对电离层等离子体中电磁传播驱动的电离层进行理论研究,从而得到流体模型.等离子体流体理论实质上是一种基于流体质量方程、电荷、动量和能量连续性以及麦克斯韦方程的宏观理论.本文从流体力学方程出发,推导了等离子体中单粒子情况下的一维麦克斯韦方程组的时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)迭代式.对电子的连续性方程和动量方程进行整合处理,推导出一维流体力学方程组,联合FDTD迭代式获得相应的电磁分布.进一步了解了电磁波与等离子体之间的非线性相互作用,为研究等离子体中的电磁传播特性提供了理论基础.

关键词：等离子体电磁波单粒子流体力学方程组 FDTD

来源： cnki会议评论

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一种用于三维复杂结构宽带吸收器的反向设计模型

第十八届全国电波传播年会

作者：王璇王欢张玉贤杨利霞黄志祥冯乃星教育部智能计算与信号处理重点实验室安徽大学信息材料与智能传感实验室

目的近些年来,深度学习网络模型在光学中的应用引起了广泛的关注。在传统的数值算法中,需要科研人员进行大量的模拟和连续的试错。这必定需要大量的人工成本和计算成本,并且也难以解决局部最优解的问题.为了减少计算成本和人工成本等,... 详细信息

目的近些年来,深度学习网络模型在光学中的应用引起了广泛的关注。在传统的数值算法中,需要科研人员进行大量的模拟和连续的试错。这必定需要大量的人工成本和计算成本,并且也难以解决局部最优解的问题.为了减少计算成本和人工成本等,提出了一种用于三维复杂结构宽带吸收器的反向设计模型.方法用于数据集制作的三维复杂结构宽带吸收器由三层结构组成,第一层和第三层都是石墨烯-单层黑磷混合使用的矩形结构,第二层是石墨烯-单层黑磷混合使用的"+"字形结构,三层结构被氧化铝包围。其中石墨烯与单层黑磷之间使用二氧化硅作为绝缘层,衬底为氧化铝,底部为PEC材质.一共制作了51120条数据,其中50120条作为训练集,1000条作为测试集。在反向设计中我们将吸收光谱作为输入,每条光谱的结构参数作为其标签.反向设计模型采用了8层的全连接网络,每层网络含有800个神经元.且每个全连接网络后跟有批归一化处理和lrelu激活函数.结果实验结果表明,将测试集中的真实光谱输入到经训练集训练后的反向模型后获得的预测参数的光谱与真实结构参数光谱相比,准确度可以达到89.4%.结论该反向设计模型具有实现简单、准确度高、对硬件要求低、人工成本低和计算成本低等特点。在后续的研究中,这项工作可以为三维多材料复杂结构的结构体模型使用人工神经网络提供关键指导.

关键词：石墨烯单层黑磷深度学习反向设计 MLP

来源： cnki会议评论

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一维有限元获取反射系数与透射系数

一维有限元获取反射系数与透射系数

非均匀采样在小分子化合物结构鉴定中的应用策略——以附子灵为例

2023年全国微波毫米波会议

作者：王欢张玉贤康熠琳曾水清黄志祥冯乃星安徽大学

有限元法(FEM)是基于偏微分方程求解发展起来的一种数值方法,可以用于解决电磁传播问题。本文采用一维FEM将耗散电介质层的计算域划分为单独离散子域,根据加权余量法建立Helmholtz方程的弱变分形式,从而在剖分子域内求解矩阵方程,进而... 详细信息

有限元法(FEM)是基于偏微分方程求解发展起来的一种数值方法,可以用于解决电磁传播问题。本文采用一维FEM将耗散电介质层的计算域划分为单独离散子域,根据加权余量法建立Helmholtz方程的弱变分形式,从而在剖分子域内求解矩阵方程,进而得到插值电势分布以及电场中的反射系数和透射系数。通过一维问题中数值解与解析值的对比分析,验证了网格剖分尺寸的逐步减小可以有效提高该问题的数值精度。

关键词：有限元反射系数透射系数电磁传播问题

来源： cnki会议评论

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药学学报 2025年第01期 218-224页

作者：张莉莉张可刘杰蒙春旺冯芮熊亮成都中医药大学药学院西南特色中药资源国家重点实验室成都中医药大学医学技术学院

二维核磁共振（2D NMR）是一种广泛应用于小分子化合物结构解析的技术,可获得化合物的氢-氢相关、氢-碳单键相关、氢-碳远程相关及氢-氢空间排布等信息,在小分子化合物结构鉴定中具有不可替代的作用。然而植物化学研究中微量成分的样品... 详细信息

二维核磁共振（2D NMR）是一种广泛应用于小分子化合物结构解析的技术,可获得化合物的氢-氢相关、氢-碳单键相关、氢-碳远程相关及氢-氢空间排布等信息,在小分子化合物结构鉴定中具有不可替代的作用。然而植物化学研究中微量成分的样品量极低,采用传统采样方法（即均匀采样法）存在谱图质量较差和耗时过长的问题。通过增大扫描次数会导致单个二维谱的采集时间长达数小时,这又引起核磁共振仪机时紧张的问题。非均匀采样（non-uniform sampling,NUS）技术在保证2D NMR谱图质量的同时,还可较大程度缩短数据采集时间,这大大提高了二维谱图采集的效率。本文选择附子药材中小分子化合物——附子灵为研究对象,以均匀采样（uniform sampling,US）和NUS方法分别采集其1H-13C HSQC、1H-1H COSY、HMBC和NOESY谱,对比两种采样方法的附子灵中三类基团核磁信号的积分值,证实了NUS技术在小分子化合物结构鉴定中具有提高谱图质量和缩短采集时间的优势;并在HMBC谱中,进一步证实了NUS技术能提高二维谱图质量和信号分辨率,表明NUS技术可提高小分子化合物结构鉴定的效率和可靠性。

关键词：核磁共振二维核磁共振谱图非均匀采样小分子化合物附子灵

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