基于進(jìn)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的開孔外殼屏蔽效能預(yù)測(cè)

黃洋

（安徽省食品藥品檢驗(yàn)研究院 安徽省合肥市 230051）

1 引言

屏蔽效能通?？梢酝ㄟ^科學(xué)的計(jì)算方法來預(yù)測(cè)，這對(duì)屏蔽腔的設(shè)計(jì)具有重要意義，常用的計(jì)算方法有數(shù)值計(jì)算和解析計(jì)算。目前，解析方法主要包括Bethe小孔耦合理論法、基于電磁拓?fù)洌‥lectromagnetic Topology,EMT）理論的BLT（Baum-Liu-Tesche）方程法和等效傳輸線法（Transmission Line Method,TLM）。本文基于傳輸線方法建立屏蔽腔體等效電路并通過進(jìn)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求解等效電路阻抗參數(shù)，然后預(yù)測(cè)屏蔽外殼屏蔽效能。[1-3]

本文的結(jié)構(gòu)如下：在第二部分中利用CST建立開孔外殼模型并得到仿真結(jié)果。第三部分中論述了基于ECNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提取BLT方程等效電路參數(shù)。第四部分中利用三米法暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在第五部分中給出了本文的結(jié)論。

2 開孔外殼電磁屏蔽特性仿真與分析

電場(chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）定義分別為式（1）和（2）[2][3]：

其中，H0和表示施加電磁屏蔽殼前后對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電場(chǎng)大小，E0和表示應(yīng)用電磁屏蔽殼之前和之后對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磁場(chǎng)大小，屏蔽效率的單位為分貝（DB）。本文以屏蔽殼對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效能作為測(cè)量結(jié)果[4-6]。

如圖1所示，在CST仿真軟件中設(shè)置外殼外形尺寸如下：a為51，b為121，c為61，e為16，f為11，g為6，h為9，厚度t為0.3，單位：cm。幾何中心為p，坐標(biāo)為（x1，Y1，z1），電介質(zhì)板的幾何參數(shù)為m=21，n=19，單位為cm。

圖1：開孔外殼模型圖

設(shè)置外殼參數(shù)：其中外殼材料為鋁（95.9%），以碳基介質(zhì)為例，相對(duì)介電常數(shù)取8.1。本文采用橫向電磁場(chǎng)來確定殼體的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向。激勵(lì)源設(shè)置為具有垂直極化和1V/m電場(chǎng)的平面波。探頭設(shè)置為距外殼前部25cm的點(diǎn)P和點(diǎn)Q。圖2顯示了P點(diǎn)屏蔽效能的CST模擬結(jié)果。

圖2：P點(diǎn)屏蔽效能仿真結(jié)果

由圖2仿真結(jié)果可知：屏蔽效能在372-552MHz范圍內(nèi)屏蔽效能隨頻率變化很?。?52-582MHz內(nèi)隨頻率升高而下降；在582-822MHz上，隨著頻率的升高而上升，頻率在822-1000MHz時(shí)，屏蔽效能隨頻率升高而緩慢降低。在100-1000MHz的整個(gè)頻帶中，隨著頻率的增加，它呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。580MHz的屏蔽效率是模擬圖像的最低點(diǎn)，諧振頻率點(diǎn)和最差的屏蔽效果。

3 基于進(jìn)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的開殼屏蔽效能研究

3.1 開孔外殼的傳輸線等效電路

在本文中，開口等效于傳輸線，電磁屏蔽殼等效于具有短端的波導(dǎo)[7-8]。圖3是屏蔽殼的等效電路。

圖3：屏蔽外殼等效電路

根據(jù)傳輸線理論、麥克斯韋方程組、戴維南等效定理及屏蔽效能定義式，可以求得觀測(cè)點(diǎn)P處的等效阻抗Z1、等效電壓源V1、等效電壓Vp和負(fù)載Z2及屏蔽效能SEP如式（3）。

其中kg，Zg為矩形波導(dǎo)的相位阻抗和特性阻抗，為觀測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)和屏蔽殼的幾何尺寸，為算法優(yōu)化得到的孔徑阻抗參數(shù)、孔徑形狀參數(shù)和位置參數(shù)，觀測(cè)點(diǎn)的屏蔽效率預(yù)測(cè)值為SEp。

基于進(jìn)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的參數(shù)提取。

根據(jù)殼體中心位置的屏蔽效能信息，通過進(jìn)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法獲得公式（3）中的參數(shù)k1,k2,C。

進(jìn)化算法作為傳統(tǒng)領(lǐng)域中常見的優(yōu)化算法，其在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。本文使用進(jìn)化算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以獲得更加精確的電路參數(shù)信息。在進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中，將電路初始參數(shù)代入初始種群個(gè)體的染色體中，并對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部參數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，通過進(jìn)化算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[9-10]。結(jié)合進(jìn)化算法產(chǎn)生深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)構(gòu)建，以此在計(jì)算多參數(shù)問題時(shí)，手動(dòng)參數(shù)調(diào)整的工作量大大降低。算法的基本過程如下：

（1）染色體編碼：為找到最優(yōu)或接近最優(yōu)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用進(jìn)化算法來優(yōu)化深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的染色體中編碼復(fù)雜而龐大的數(shù)據(jù)信息。

（2）變異操作：相較于交叉操作，變異操作更常見于基于深度學(xué)習(xí)的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化策略。本文算法中采用變異操作為主要的參數(shù)計(jì)算進(jìn)化操作。

（3）選擇適應(yīng)度函數(shù)：為評(píng)估染色體對(duì)測(cè)試環(huán)境的適用性，提出適應(yīng)度函數(shù)概念，通過適應(yīng)度函數(shù)選擇更適應(yīng)環(huán)境的染色體。

（4）訓(xùn)練流程：基于深度學(xué)習(xí)的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程如圖4所示，相關(guān)流程步驟如下：

圖4：算法訓(xùn)練流程圖

①在實(shí)際電路參數(shù)問題上，挑選合適的整合染色體需要編碼信息與變異操作；

②設(shè)定最簡網(wǎng)絡(luò)并初始化算法，將該網(wǎng)絡(luò)作為種群個(gè)體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求設(shè)置訓(xùn)練種群規(guī)模大?。?/p>

③為確定染色體個(gè)體對(duì)目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)度，算法計(jì)算種群個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)，根據(jù)適應(yīng)度計(jì)算結(jié)果來選擇合適的染色體作為父代種群；

④通過變異操作對(duì)父代染色體種群開展進(jìn)化策略，在產(chǎn)生的新一代種群中，選擇得出子代種群，持續(xù)循環(huán)至到滿足終止條件則算法停止，不滿足則轉(zhuǎn)向（3）算法繼續(xù)[11-12]。

可得算法流程圖如圖4所示。

在本文算法計(jì)算中節(jié)點(diǎn)數(shù)n=1000，各結(jié)構(gòu)外殼由公式（4）計(jì)算獲得的屏蔽效能為SEP，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的屏蔽效能仿真值記為SE0，則適應(yīng)度Q為：

3.2 箱內(nèi)屏蔽效能分布

根據(jù)公式（3）可以計(jì)算得到與開孔面距離不同點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的屏蔽效能關(guān)系，如圖5所示，結(jié)果表明，距離孔表面26cm處屏蔽效率小，屏蔽效果差。38cm處屏蔽效率大，屏蔽效果好。

圖5：與開孔面距離不同點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的屏蔽效能關(guān)系圖

4 3米法全波暗室實(shí)驗(yàn)

在電波暗室中進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試開孔面26cm處的A點(diǎn)及38m處的B點(diǎn)的輻射騷擾。電波暗室實(shí)物測(cè)試圖，如圖6所示。

圖6：電波暗室場(chǎng)地布置

測(cè)試結(jié)果表明，A點(diǎn)和B點(diǎn)的輻射干擾結(jié)果分別如圖7和圖8所示，圖譜顯示A點(diǎn)的輻射騷擾噪聲強(qiáng)于B點(diǎn)輻射騷擾噪聲，即在中低頻率段，A點(diǎn)處比B點(diǎn)處的屏蔽效能弱，而在高頻段，兩者屏蔽效能基本相近。

圖7：A輻射騷擾噪聲

圖8：B點(diǎn)輻射騷擾噪聲

5 結(jié)論

本文在100MHz-1000MHz通過開孔外殼電磁屏蔽特性仿真與分析，得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提取的參數(shù)預(yù)測(cè)屏蔽效能結(jié)果的準(zhǔn)確性。之后利用遠(yuǎn)場(chǎng)電波暗室測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證與開孔面距離不同點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的屏蔽效能關(guān)系，通過本文的方法更加方便的預(yù)測(cè)開孔外殼內(nèi)部各點(diǎn)屏蔽效能，為未來研究提高外殼的屏蔽效能提供工程參考價(jià)值。