[發(fā)明專利]基于三維矩量法和二維快速多極子的山區(qū)電磁場預(yù)測方法

有效

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• 申請日: 2018-03-09
• 公開（公告）號: CN108446471B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張玉;袁峰;左勝;趙勛旺;林中朝
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 陳宏社;王品華

本發(fā)明提出了一種基于三維矩量法和二維快速多極子的山區(qū)電磁場預(yù)測方法，旨在保證計算精度的前提下，降低計算資源消耗，并高效地仿真山區(qū)在電磁源輻射情況下的近場電磁場分布，實現(xiàn)步驟為：建立山體模型；獲取高斯積分采樣點坐標(biāo)；構(gòu)建小塊山體三維仿真模型；計算山體二維差仿真模型入射場激勵處的散射電場和散射磁場以及待預(yù)測電磁場分布區(qū)域場點處的散射電場和散射磁場；獲取山體二維差仿真模型在TE波時和TM波時的入射場；計算山體二維差仿真模型在TE波時待預(yù)測區(qū)域場點處的散射電場和散射磁場；計算山體二維差仿真模型在TM波時待預(yù)測區(qū)域場點處的散射電場和散射磁場；獲得山體三維模型在待預(yù)測區(qū)域場點處電場分布和磁場分布。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁場與微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種山區(qū)近場電磁場預(yù)測方法，具體涉及一種三維矩量法混合二維快速多極子算法的山區(qū)近場電磁場預(yù)測方法，可用于為短波天線和基站的架設(shè)提供合理建議。

背景技術(shù)

中國是一個多山的國家，山區(qū)面積占全國國土總面積69.1％。山區(qū)更易遭受各種災(zāi)害，災(zāi)害的發(fā)生往往導(dǎo)致交通中斷，信息的傳遞和搶險救災(zāi)的指揮只能依靠通信系統(tǒng)，研究山區(qū)電磁場的分布對山區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)具有特別重要的意義。

現(xiàn)有的檢測山區(qū)近場電磁場的主要方法有實地測量和數(shù)值仿真，實地測量是指在短波天線或基站輻射的情況下通過測量的方式對山區(qū)的電磁場分布情況進行預(yù)測，首先這種方法無法排除測量人員以及測試探頭對電磁場的干擾，其次，這種方法需要花費大量的人力，物力，財力，無法滿足日益增長的需求。數(shù)值仿真是指根據(jù)具體模型使用計算機仿真模擬山區(qū)電磁場的分布，比如采用全波方法——三維矩量法(MoM)結(jié)合高性能計算技術(shù)進行數(shù)值計算模擬，矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的方法，是一種經(jīng)典的電磁場數(shù)值仿真算法。現(xiàn)有技術(shù)中對山區(qū)電磁場預(yù)測時，是通過先建立山體三維模型，然后設(shè)置仿真參數(shù)，使用三維矩量法生成稠密矩陣方程，然后使用稠密矩陣方程求解器求解該稠密矩陣方程，然后求解所求點的電場和磁場，在這個過程中需要消耗大量的時間、內(nèi)存和計算資源，并且在山體三維模型電尺寸變大時，其仿真所需時間、內(nèi)存和計算資源急速增加，以至于采用計算機集群也無法滿足日益增長的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種基于三維矩量法和二維快速多極子的山區(qū)電磁場預(yù)測方法，旨在保證計算精度的前提下，降低計算資源消耗，并高效地仿真山區(qū)在電磁源輻射情況下的近場電磁場分布。

本發(fā)明的技術(shù)思路是，由實地測量或地理信息系統(tǒng)得到具體的山體模型，把輻射源與以輻射源為中心一定范圍內(nèi)的小塊山體整體作為新的輻射源，使用三維建模并且對新的輻射源使用三維矩量法進行仿真計算，超過這個新的輻射源的山體根據(jù)選定面使用二維建模并使用二維快速多極子求解，結(jié)合的關(guān)鍵在于由三維矩量法給出二維快速多極子仿真所需的入射場，最后由三維矩量法給出選定面上的散射場與二維快速多極子給出的散射場進行疊加得到最后的總場。

根據(jù)上述技術(shù)思路，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)建立山體模型：

(1a)利用實地測量或地理信息系統(tǒng)得到山體三維信息和電介質(zhì)信息，構(gòu)建山體三維模型，同時構(gòu)建山體中包含的以輻射源為中心的小塊山體三維模型；

(1b)從山體三維模型中減去小塊山體三維模型，得到山體三維差模型，并通過預(yù)先設(shè)定的待預(yù)測電磁場所在平面切取所述山體三維差模型，得到包含高度的山體二維差模型；

(2)獲取山體二維差仿真模型入射場激勵所需的高斯積分采樣點坐標(biāo)：

(2a)設(shè)置山體二維差模型的輻射源的頻率，并將該輻射源添加到山體二維差模型中，再設(shè)置已添加輻射源的山體二維差模型的介電常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，得到山體二維差仿真模型；

(2b)對山體二維差仿真模型進行預(yù)仿真，得到山體二維差仿真模型入射場激勵所需的高斯積分采樣點坐標(biāo)；

(3)構(gòu)建小塊山體三維仿真模型：