陸穎穎（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127）

快速電磁計(jì)量軟件包設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陸穎穎
（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127）

在現(xiàn)代電磁現(xiàn)象隨處可見(jiàn)的信息時(shí)代中，電磁場(chǎng)理論被廣泛應(yīng)用到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中，比如移動(dòng)通訊、無(wú)線(xiàn)電波傳播、雷達(dá)技術(shù)、天線(xiàn)、衛(wèi)星通信、微波電子線(xiàn)路等，各種不同形式的應(yīng)用對(duì)電磁場(chǎng)理論提出了較高的要求，但是全新的應(yīng)用對(duì)電磁場(chǎng)問(wèn)題的快速求解也越來(lái)越依賴(lài)。為了滿(mǎn)足工程使用的需求，電磁學(xué)就要不斷的改善及改進(jìn)，從而能夠解決計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量及運(yùn)算速度不斷發(fā)展，從而使其受到限制的問(wèn)題。將計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值算法相結(jié)合，提高復(fù)雜目標(biāo)問(wèn)題求解的快速性及精準(zhǔn)性，為電磁使用提供基礎(chǔ)?；诖?，本文就對(duì)快速電磁計(jì)算軟件包的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并且對(duì)其的應(yīng)用進(jìn)行描述。

快速算法；計(jì)算電磁學(xué)；軟件包；設(shè)計(jì)應(yīng)用

0 引言

在對(duì)電磁場(chǎng)理論及數(shù)值算法研究及使用過(guò)程中，國(guó)外的開(kāi)展比國(guó)內(nèi)早，在電磁場(chǎng)數(shù)值算法方面及電磁問(wèn)題解決方面一直處于領(lǐng)先狀態(tài)，所以現(xiàn)社會(huì)中使用的商業(yè)電磁仿真軟件都是國(guó)外研發(fā)的，比如XFDTD、CST等，并且軟件的核心算法都不同，有矩量法、有限元法等，其被廣泛應(yīng)用到電子設(shè)計(jì)及電磁仿真方面。但是國(guó)外能夠?qū)Υ蟪叽邕M(jìn)行計(jì)算的軟件包限制在我國(guó)使用，那么開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)快速電磁軟件具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 快速電磁計(jì)算軟件包的設(shè)計(jì)

電磁仿真軟件不僅要具有高效的核心算法支持，還要具備前后處理模塊。

1.1 前處理模塊

前處理模塊的主要作用就是創(chuàng)建三維模型，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、三角形提取等有效信息。

使用ANSYS、GID、FEMAP等軟件實(shí)現(xiàn)幾何模型創(chuàng)建，通過(guò)TCL/TK語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)GID軟件的二次開(kāi)發(fā)，從而在系統(tǒng)軟件中集成，完善軟件包的建模功能。

使用FEMAP及GID軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而實(shí)現(xiàn)三維模型創(chuàng)建過(guò)程中產(chǎn)生的文件格式，比如.dwg、.dxp文件等，通過(guò)網(wǎng)格的劃分生成具有較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)文件及自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，其中包括三角形網(wǎng)格的坐標(biāo)及編號(hào)、三角形單元編號(hào)及單元組成節(jié)點(diǎn)等【1】。

通過(guò)接口程序的編寫(xiě)，將三角形和節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行提取。首先，實(shí)現(xiàn)刨分文件中撒尿性及節(jié)點(diǎn)信息的提取，之后根據(jù)RWG基函數(shù)定義實(shí)現(xiàn)內(nèi)邊信息的生成。如果出現(xiàn)多面連接，那么有可能是和多個(gè)不同的三角形單元進(jìn)行連接，并且對(duì)應(yīng)多個(gè)基函數(shù)，通過(guò)電流的連續(xù)性實(shí)現(xiàn)多面連接的修正，通過(guò)GFIE及MFTE對(duì)閉合結(jié)構(gòu)的散射問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)表面單位外法向矢量進(jìn)行計(jì)算，雖然刨分軟件產(chǎn)生三角形網(wǎng)格的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生法向矢量，但是其不全部都是外法向矢量，所以要通過(guò)預(yù)處理程序進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，從而生成歸一化三角形網(wǎng)格外法向矢量【2】。

1.2 后處理模塊

計(jì)算時(shí)域積分方程得到的結(jié)果一般都是在不同時(shí)間的表面電流系數(shù)，這些系數(shù)要能夠進(jìn)行處理，才能夠計(jì)算出要求的電磁參數(shù)的三維或者二維，這方面也是軟件需要具備的功能。

編寫(xiě)RCS、瞬態(tài)遠(yuǎn)場(chǎng)分布、時(shí)刻電流分布及天線(xiàn)方向圖等函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)提取電磁參數(shù)模塊的設(shè)計(jì)。

通過(guò)Pro 6.0 組件實(shí)現(xiàn)圖形展示模塊的開(kāi)發(fā)，此模塊的主要功能就是實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)、二維坐標(biāo)及l(fā)og坐標(biāo)的顯示，并且實(shí)現(xiàn)圖形保存和導(dǎo)出。

通過(guò)和后處理模塊接口程序的編寫(xiě)，通過(guò)GIS中的數(shù)據(jù)可視化將三角形網(wǎng)格中的電流分布及位置矢量顯示出來(lái)，并且將表面的電流分布先顯示出來(lái)。

1.3 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊是快速電磁計(jì)算軟件包的重要模塊，直接影響軟件在運(yùn)行過(guò)程中的精度及效率，計(jì)算模塊主要包括以下內(nèi)容。

時(shí)域自適應(yīng)：其主要目的是實(shí)現(xiàn)類(lèi)平面結(jié)構(gòu)中電磁散射問(wèn)題的解決，其能夠解決一萬(wàn)左右的數(shù)量，如果非類(lèi)平面結(jié)構(gòu)或者未知數(shù)規(guī)模在兩萬(wàn)以上的時(shí)候，那么就要使用時(shí)域平面波算法實(shí)現(xiàn)；

時(shí)域平面波：其是系統(tǒng)中的重點(diǎn)內(nèi)容，主要包括遠(yuǎn)組計(jì)算和近組計(jì)算。遠(yuǎn)組計(jì)算的主要目的為實(shí)現(xiàn)PWID的投射、轉(zhuǎn)移及聚集；近組計(jì)算的主要目的是通過(guò)MOT實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)積分方程的計(jì)算。將PWID算法使用到計(jì)算機(jī)中，能夠有效解決六萬(wàn)多未知數(shù)規(guī)模計(jì)算，如果問(wèn)題大于六萬(wàn)，就需要使用并行分布或者混合計(jì)算；

MOT模塊的主要目的就是對(duì)于多個(gè)電磁問(wèn)題，軟件包能夠使用戶(hù)通過(guò)多個(gè)算法進(jìn)行計(jì)算，從而滿(mǎn)足效率及精度最優(yōu)的需求。MOT具有較小的計(jì)算較小，一般只有一千個(gè)未知數(shù)；

混合計(jì)算模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)電磁中的兼容問(wèn)題，不受任何因素的限制，將PWID及UID算法的結(jié)合，能夠有效解決這些問(wèn)題；

并行分布模塊的主要目的就是通過(guò)前臺(tái)界面設(shè)置端口號(hào)及局域網(wǎng)成員機(jī)的IP地址，后臺(tái)使用.NET進(jìn)行分布式計(jì)算，在局域網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)三十萬(wàn)以下未知數(shù)問(wèn)題的解決【3】。

2 快速算法

2.1 RCS函數(shù)的計(jì)算

假如介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)表示為ε，厚度表示為d，在介質(zhì)表面，通過(guò)邊界條件，切向電場(chǎng)表示為0，得到下式：

Es表示導(dǎo)體表面的散射場(chǎng)，Ei表示入射場(chǎng)，見(jiàn)下式：

將入射場(chǎng)在坐標(biāo)中分解為θ和φ兩個(gè)方向的分量，Er表示入射場(chǎng)直接作用字啊介質(zhì)表面中的發(fā)射場(chǎng)，表示為：

RTM、RTE分別表示TM、TE波入射時(shí)候，在介質(zhì)表面產(chǎn)生的廣義反射系數(shù)，將微帶貼片表面的電流求出，就能夠得到原廠(chǎng)散射，可以通過(guò)互易定理得到，互易定理為：

通過(guò)以上能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)輻射問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.2 FFT算法

FFT算法是DFT的高效算法，其主要分為兩種類(lèi)型，分別為時(shí)間抽取及頻率抽?。?/p>

時(shí)間抽?。杭僭O(shè)N點(diǎn)序列x(n)，將x(n)根據(jù)奇偶進(jìn)行分組，得到以下公式：

WN=-j（2π/N）

一個(gè)N點(diǎn)DFT能偶分解為N/2的DFT，繼續(xù)進(jìn)行分解及迭代。

將數(shù)據(jù)輸入到存儲(chǔ)器之后，每級(jí)運(yùn)算的結(jié)果還是要存儲(chǔ)到同一組存儲(chǔ)器中，最后進(jìn)行輸出，中間沒(méi)有其他存儲(chǔ)器。根據(jù)時(shí)間將原位運(yùn)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽取，在運(yùn)算結(jié)束之后能夠直接根據(jù)一定的順序進(jìn)行輸出。

頻率抽取：頻率抽取是根據(jù)頻率實(shí)現(xiàn)抽取的算法，加入N=2∧M，使x（n）根據(jù)前后部分進(jìn)行分解，通過(guò)k的奇偶分為兩組，那么在得到兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT運(yùn)算之后，根據(jù)分解和迭代，就能夠?qū)崿F(xiàn)輸出【4】。

3 結(jié)束語(yǔ)

將本文所設(shè)計(jì)的快速電磁計(jì)算軟件包應(yīng)用到某戰(zhàn)斗機(jī)中，戰(zhàn)斗機(jī)的長(zhǎng)度為20.21m，高度為4.3m，翼展為14.1m，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行刨分為三角面一共有25364個(gè)，一共有30254個(gè)未知數(shù)進(jìn)行計(jì)算。將不同時(shí)刻的表面電流分布數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，將電流x方向中的分量進(jìn)行顯示，能夠有效看到脈沖掠過(guò)飛機(jī)，飛機(jī)中能夠感應(yīng)到電流極化方向的分量峰值，在得到表面電流之后，就能夠計(jì)算出RCS、瞬態(tài)遠(yuǎn)場(chǎng)分布等一系列的電磁參數(shù)。

本文所設(shè)計(jì)的軟件包主要包括軟件集成和算法研究?jī)刹糠?，通過(guò)軟件在工程實(shí)踐中使用，表示能夠通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)其功能。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法測(cè)試環(huán)境的編寫(xiě)，從而創(chuàng)建電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件包，這個(gè)過(guò)程較為復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

[1]王麗華.ANSYS軟件在永磁同步發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)分析中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2012, 39(8):39-40.

[2]王文舉,呂帥.快速電磁計(jì)算軟件包設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電腦編程技巧與維護(hù), 2012(24):23-24.

[3]江玉柱,張偉,井賽等.一種野戰(zhàn)便攜式電磁計(jì)量檢定儀的研制[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014, 29(7):26-28.

[4]程健,郭丹丹,張俊華.基于空間電磁環(huán)境模擬的系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測(cè)分析軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量技術(shù),2011(8):7-10.

Design and Application of Fast Electromagnetic Metering Software Package

Lu Yingying
(Tongda college, nanjing university of posts and telecommunications,Yangzhou Jiangsu,225127)

Electromagnetic field theory is widely used in various fields of science and technology in the information age where modern electromagnetic phenomena are everywhere. For example, mobile communication, radio wave propagation, radar technology, antenna, satellite communication, microwave electronic circuit and so on. The application of different forms of electromagnetic field theory put forward higher requirements, but the new application of the electromagnetic field problem is also increasingly dependent on the solution. In order to meet the needs of engineering use, electromagnetics will continue to improve and improve, which can solve the computer storage capacity and computing speed of continuous development, so that it is limited. The combination of computer technology and numerical algorithms is proposed to improve the speed and precision of solving complex target problems and provide the basis for electromagnetic use. Based on this, the design of the fast electromagnetic calculation software package is studied in this paper, and its application is described.

fast algorithm; computational electromagnetics; software package; design application