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WAM数据集与电磁波吸波材料分类方法及应用研究

袁宇洋 张峻晗 李丹丹 沙建军

袁宇洋, 张峻晗, 李丹丹, 沙建军. WAM数据集与电磁波吸波材料分类方法及应用研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250166
引用本文: 袁宇洋, 张峻晗, 李丹丹, 沙建军. WAM数据集与电磁波吸波材料分类方法及应用研究[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250166
YUAN Yuyang, ZHANG Junhan, LI Dandan, SHA Jian jun. Application of WAM Data Set and Classification Method of Electromagnetic Wave Absorbing Materials[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250166
Citation: YUAN Yuyang, ZHANG Junhan, LI Dandan, SHA Jian jun. Application of WAM Data Set and Classification Method of Electromagnetic Wave Absorbing Materials[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250166

WAM数据集与电磁波吸波材料分类方法及应用研究

doi: 10.11999/JEIT250166 cstr: 32379.14.JEIT250166
详细信息
    作者简介:

    袁宇洋:男,研究生,主要研究方向为吸波材料与隐身技术

    张峻晗:男,研究生,主要研究方向为复合材料力学

    李丹丹:女,研究生,主要研究方向为金属材料学

    沙建军:男,教授,主要研究方向为航空航天先进复合材料优化设计及快速制造

    通讯作者:

    沙建军 jjsha@dlut.edu.cn

  • 中图分类号: TP391.4

Application of WAM Data Set and Classification Method of Electromagnetic Wave Absorbing Materials

  • 摘要: 电磁辐射防护吸波材料的性能主要由厚度、最大反射损耗和有效吸收带宽决定。研究集中在金属有机框架、碳基和陶瓷吸波材料上,利用弱人工智能分析WAM(Wave absorption materials)数据集。划分训练集和测试集后进行数据增强以及相关性和主成分分析。采用决策树算法制定分类指标,发现MOFs(Metal organic frameworks)类材料的反射损耗优于碳基材料类,MOFs类材料容易满足最大反射损耗值小于-45dB。多次训练后,随机森林算法泛化性能比决策树算法好,ROC-AUC值更高。运用神经网络进行分类研究,结果表明自组织映射神经网络在分类上表现更佳,而概率神经网络效果较差。将二分类问题扩展到三分类问题后,使用非线性分类、聚类和Boosting算法,发现最大反射损耗是关键指标。进一步分析表明,WAM数据集非线性可分,模糊聚类效果较好。人工智能有助于揭示材料特性与吸波性能的关系,加速新材料研发,支持吸波材料知识图谱和知识库的建设。
  • 图  1  原始数据加入高斯白噪声、随机噪声的影响

    图  2  数据相关性分析

    图  3  (a)不剪枝决策树,(b)减枝决策树;(c) 随机森林第1棵决策树,共30棵,(d) 随机森林第2棵决策树,共30棵,(e) 随机森林第3棵决策树,共30棵

    图  4  随机森林算法与决策树算法的ROC-AUC对比图

    图  5  神经网络结构示意图

    图  6  PNN算法分类效果图

    图  7  不同训练次数的权值分布图

    表  1  MOFs类及其衍生材料类吸波性能数据集[2021]

    名称 厚度/mm 损耗/dB 带宽/GHz
    Co@C 2 –49.76 5.44
    Co@C@NRGO 2 –73.4 5.3
    MPC@Ni/C 2.2 –73.8 5.8
    Ni@C-700 1.8 –73.2 4.8
    Fe3O4@NPC 3 –65.5 4.5
    C-MIL-88/GNP 0.12 –28.0 4.2
    Fe7S8/C 1.45 –68.8 4.56
    MCC/rGO 3.6 –62.5 11.68
    Cu/C 2.3 –52.0 6.8
    CuO/C 1.55 –57.5 4.7
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    表  2  Carbon类材料吸波性能数据集[22]

    名称 厚度/mm 损耗/dB 带宽/GHz
    Ni/纳米石墨 1.5 –17.5 6
    NiFeCo/纳米石墨 0.3 –28 7.5
    洋葱碳/水性丙烯酸 5 –17.2 3.2
    洋葱碳/水性丙烯酸 3 –14.3 3.8
    石墨烯 10 –26 13.9
    石墨烯/碳管 10 –39.5 16
    石墨烯/PPy 3 –27 5.9
    石墨烯/PVA 3.5 –44.5 7.5
    石墨烯/Fe3O4 3 –23 5.8
    氮掺杂石墨烯 3.3 –53.2 8.1
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    表  3  Ceramics类材料吸波性能数据集[23]

    名称 厚度/mm 损耗/dB 带宽/GHz
    Graphene nanosheets/MgO 1.5 –36.5 2
    Edge-Rich Graphene/Si3N4 3.75 –26.7 4.2
    SiC-Si3N4 2.5 –27.1 2.7
    SiC/SiO2-Si3N4 3.8 –30 3.5
    Ti3SiC2/cordierte 1.5 –14.1 2.4
    Ni/ZnO 2 –45.4 4.6
    FeCo/ZnO 1.9 –53.81 3.8
    CuFe2O4/MgO 2 –25.35 8.38
    Fe3Si/CNTs/SiC 3 –40 4.8
    C/AlN 2 –30 2
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    表  4  WAM数据集的验证集[24]

    名称 厚度/mm 损耗/dB 带宽/GHz
    CNT/CFs 2.5 –42 2.7
    CNT/PANI/CFs 2 –45.7 5.6
    CNTs/Fe3O4/CFs 1.5 –59.9 0
    CNTs/Fe3O4/PANI/CFs 2 –22.4 6.9
    CNT/CFs 3 –44.6 7.44
    CNTs/SiCf 3.35 –37.6 1.5
    CNT/SiCf 4 –62.5 8.8
    SiOC/CFs 2.3 –47.9 4.6
    WMCNT/PPy/CFs 3.5 –17 6.12
    MWCNTs/PDEOT/CFs 2 –39 4.5
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    表  5  特征变量的随机森林算法与决策树算法重要性评分对比

    特征变量决策树算法
    重要性得分
    随机森林算法
    重要性得分
    厚度/[mm]0.2980.475
    有效吸收带宽/[dB]0.7020.524
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    表  6  不同分类算法归纳总结

    分类算法 分类结果及分类误差
    近邻法 近邻法不论按照“厚度/损耗”、“厚度/带宽”还是“带宽/损耗”进行组合,均能将数据准确地分为三类。
    二次判别法 分界线是曲线,二次判别法不论按照“碳基/陶瓷”、“有机/碳基”、“有机/陶瓷”进行组合,发生误报、
    漏报的概率很小,均有1-2个样品被误分类,会有样品出现在分界线上。
    Adaboost类算法 产生两个弱分类错误样本或者产生两个组合分类错误样本。
    聚类算法 不论是二维还是三维空间,均将数据准确地分为三类。
    GMM模型 高斯成分个数k=3时最能刻画数据分布;根据标签确定初始值的方法最能刻画数据分布。
    最优聚类数 最优聚类数的数量为3或者6。
    排序算法 反射损耗是三个数据标签里最重要的标签。
    备注:以上内容的代码引用自参考文献[2627]。
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-17
  • 修回日期:  2025-11-03
  • 录用日期:  2025-11-03
  • 网络出版日期:  2025-11-13

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