CN114580249B - 一种多环路的fdtd电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质 - Google Patents

一种多环路的fdtd电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及仿真处理领域，尤其涉及一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质。一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，包括：获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据分别为不同的网格类型数据；以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果。通过使用目标模型的第一网格数据和第二网格数据进行求交运算，得到以第一网格数据为基础的交线数据后对目标模型进行二次处理，此时使用FDTD算法对目标模型进行电磁场求解，不会出现精度损失。

Description

一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明涉及仿真处理领域，尤其涉及一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质。
背景技术
基于非均匀YEE网格的FDTD算法在仿真多尺度的复杂结构问题时，为了保证计算精度，通常需要对模型细节部分进行网格细分，这带来网格数目增长，内存计算资源增多。同时，受限于Courant稳定性条件限制，仿真时间步存在不合理的减小，仿真时间变长。
在模拟实体的曲面边界时，YEE网格存在梯形近似误差，业界通常采用ConformalFDTD技术提高仿真精度。Dey-Mittra或者Yu-Mittra等共形方法克服了后时不稳定性，并保证了精度，但它们都只能模拟单个网格内存在一个非理想导体（PEC）区域，无法解决一个网格内存在多个非PEC区域的问题。
现有技术一种Thin sheet technique（TST）技术解决该问题的方式为：允许单个网格内存在两个非PEC区域；对于多于两个非PEC区域的网格，将整个网格用PEC填充。这改变了原始模型，同时带来了一定的精度损失。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质，允许单个网格内存在多块精细结构（即非理想导体区域），降低了对网格细化以模拟精细结构的要求，减少了网格数量，同时不会出现精度损失。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一方面，本发明提供一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，包括：
获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据分别为不同的网格类型数据；
以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；
以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，所述电磁场结果的计算步骤为：
获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；
将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；
将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，所述第一迭代更新方程中的迭代系数通过多边形环路的面积、边长、网格法向上的基础参数得到；所述基础参数包括网格步长、介电常数、磁导率、电导率。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，所述第一网格数据为YEE网格数据；所述第二网格数据为三角网格数据。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，所述求交运算为几何求交运算；所述几何求交运算包括面面相交算法、面线相交算法。
另一方面，本发明还提供一种使用前述所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法的多环路的FDTD电磁场仿真分析系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据为不同的网格类型数据；
处理模块，用于以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果。
进一步的，所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析系统，以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路；
所述交线数据为所述电磁场结果的计算步骤为：
获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；
将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；
将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序时实现前述所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
另一方面，本发明还提供一种计算机可读介质，存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现前述所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
相较于现有技术，本发明提供的一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法、系统、设备和介质，具有以下有益效果：
使用本发明提供的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，通过使用目标模型的第一网格数据和第二网格数据进行求交运算，得到以第一网格数据为基础的交线数据后对目标模型进行二次处理，进而通过所述交线数据在目标模型上的单个网格中形成一个或多个多边形环路，此时使用FDTD算法对目标模型进行电磁场求解，不会出现精度损失，同时计算量低，并且得到的电磁场结果准确度高。
附图说明
图1是本发明提供的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法的流程图。
图2是本发明提供的交线数据处理目标模型的一种实施例的示意图。
图3是本发明提供的YEE网格划分示意图。
图4是本发明提供的YEE网格面示意图，a)为主网格面 b)为次网格面。
图5是本发明提供的材料为PEC的无限薄球壳模型进行仿真效果图。
图6是本发明提供的每波长网格数分别为10时，依次采用本发明提供的多环路的仿真分析方法、几何梯形近似算法、物理等效法三种方法进行仿真效果对比图。
图7是本发明提供的每波长网格数分别为20时，依次采用本发明提供的多环路的仿真分析方法、几何梯形近似算法、物理等效法三种方法进行仿真效果对比图。
图8是本发明提供的多环路的FDTD电磁场仿真分析系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本发明的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本发明。
本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含……一个”开头的一个或多个设备或子系统，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。
请参阅图1，本发明提供一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，应用于FDTD仿真中，对仿真模型细节能进行精确模拟，降低了网格划分要求，提高了仿真精度和效率。
所述多环路的FDTD电磁场仿真分析方法包括：
S1、获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据分别为不同的网格类型数据，分别为对目标模型进行的两种网格划分得到。优选的，所述第一网格数据是通过对目标模型进行YEE网格划分得到，所述第二网格数据是通过对目标模型进行三角网格划分得到。
S2、以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；具体的，建立在以第一网格数据为基础的交线数据是通过第二网格数据的网格线在第一网格数据上形成的交线集合，此时第一网格数据中的单个网格边界线与其内部的交线会分别形成一个或多个多边形环路。
进一步的，作为优选方案，本实施例中，所述求交运算为几何求交运算；所述几何求交运算包括面面相交算法、面线相交算法。可以理解的是，本领域的技术人员可以根据实际需求选择合适的几何求交运算公式进行求交运算。
S3、以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果。具体的，在使用所述交线数据处理所述目标模型后，在目标模型上会出现至少一个多边形环路。
进一步的，作为优选方案，本实施例中，以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路。具体的，针对目标模型基于FDTD算法得到电磁场模型，实质是针对一个或多个多边形环路进行FDTD算法进行运算。
例如图2所示，使用三角网格数据在YEE网格上形成的交线，其中，Loop1-4为多边形环路。其中，多边形环路之间的交线在仿真模型中为理想导体。
使用本发明提供的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，通过使用目标模型的第一网格数据和第二网格数据进行求交运算，得到以第一网格数据为基础的交线数据后对目标模型进行二次处理，进而通过所述交线数据在目标模型上的单个网格中形成一个或多个多边形环路，此时使用FDTD算法对目标模型进行电磁场求解，不会出现精度损失，同时计算量低，并且得到的电磁场结果准确度高。
进一步的，作为优选方案，本实施例中，如图3所示，所述第一网格数据优选为YEE网格数据，在YEE网格中，电、磁场分量交错排部。每个电场分量被4个磁场分量环绕，每个磁场分量被4个电场分量环绕。YEE网格包括主网格和次网格，电、磁场分量分别位于主、次网格上。
所述电磁场结果的计算步骤为：
S31、获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；请参阅图4，在本实施例中，在每个多边形环路的边上引入一个电磁场未知量，对于主网格面上的环路则为
Figure 501949DEST_PATH_IMAGE001
，次网格面上的环路则为
Figure 356773DEST_PATH_IMAGE002
。其中，
Figure 57882DEST_PATH_IMAGE003
表示a方向n + 1 时刻括号内坐标点处的电场乘以所在边的长度
Figure 390774DEST_PATH_IMAGE004
后的量；
Figure 893562DEST_PATH_IMAGE005
表示a方向n + 1/2 时刻括号内坐标点处的磁场乘以所在边的长度
Figure 653707DEST_PATH_IMAGE004
后的量。
S32、将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；优选的，所述第一差分算法为麦克斯韦方程组的时域有限差分算法。
进一步的，作为优选方案，本实施例中，所述第一迭代更新方程中的迭代系数通过多边形环路的面积、边长、网格法向上的基础参数得到；所述基础参数包括网格步长、介电常数、磁导率、电导率。具体的，单个环路的面积记为Sa，下标a表示环路的法向；多边形环路的各条边的长度记为Li，i为线段编号，i = 0，1，2，......；
所述第一迭代更新方程为：
Figure 638850DEST_PATH_IMAGE007
Figure 775433DEST_PATH_IMAGE009
式中，
Figure 147376DEST_PATH_IMAGE011
其中，下标a，b，c 表示X、Y、Z中的任意方向，满足
Figure 78423DEST_PATH_IMAGE013
。△t为时间步长，△a为a方向的网格步长，Sa是法向为a的多边形环路的面积，
Figure 19703DEST_PATH_IMAGE014
是a方向的介电常数，
Figure 906198DEST_PATH_IMAGE016
是a方向的磁导率，
Figure 8147DEST_PATH_IMAGE017
是a方向的电导率。所述网格步长为多边形环路中，未知量所在边的边长；C1ha公式中的△a为待更新的未知量Ha所在边的边长；C1ea的△a则对应待更新未知量Ea所在边的长度。
S33、将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。可以理解的是，本领域的技术人员根本实际需求选择合适的FDTD框架算法公式进行迭代计算，本发明不做限定。
在本实施例中，将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算具体为：利用所述第一迭代更新方程中的1式和2式，进行交替迭代计算，并在每步迭代计算中插入源场更新以及边界更新计算。
迭代计算的终止条件采用整体计算区域内的能量减少到仿真过程中最大能量的一定百分比，例如万分之一，或者迭代次数达到预设上限。
示例性的，为了验证多环路算法的结果准确性，使用一个材料为PEC的无限薄球壳模型进行测试，如图5所示。针对该模型，普通CFDTD算法无法仿真薄壳模型，但采用几何近似或物理等效方法，消除单元网格内存在的多个环路变成单一环路后，也可以进行仿真计算，因此，在本次验证中，分别使用本发明提出的多环路算法进行仿真、几何梯形近似算法、物理等效算法分别进行仿真分析对比。
使用本发明提出的多环路算法，使球壳面与单元网格相交产生多个环路；使用几何梯形近似算法中，用梯形网格面近似球面；使用物理等效算法中，使用球体代替球壳，填充球壳内部空间，消除了多个环路的存在，该物理等效方法不影响理论结果。图6、图7为不同的网格细分程度（每波长网格数分别为10和20）下，三种算法的仿真结果。其中，multiloop的为多环路算法仿真结果，staircase approximation为几何梯形近似后采用普通CFDTD算法进行仿真的结果，CFDTD for spherical solid 为使用球体代替球壳后采用普通CFDTD算法进行仿真的结果。multi loop与CFDTD for spherical solid的结果匹配度较好。staircase approximation的结果存在一定偏差，因为几何梯形近似会造成模型的改变，存在精度损失，这与预期相符。随着每波长网格数从10增大到20，三种计算方法的结果更为接近，但staircase approximation的方法计算结果依然存在一定误差。本发明提供的多环路算法无需作模型几何近似或者作物理问题的等效，可直接处理单元网格存在多个环路的模型，且精度与CFDTD处理单个环路的精度一致。同时，由于本发明提出的算法无需为模型细节加密网格，能够保持较大的迭代时间步，提高了仿真效率。
相应的，请参阅图8，本发明还提供一种使用前述任一实施例所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法的多环路的FDTD电磁场仿真分析系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据为不同的网格类型数据；
处理模块，用于以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果。
进一步的，作为优选方案，本实施例中，以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路；
所述交线数据为所述电磁场结果的计算步骤为：
获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；
将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；
将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。
相应的，本发明还提供一种电子设备，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序时实现前述任一实施例所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
相应的，本发明还提供一种计算机可读介质，存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现前述任一实施例所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，其特征在于，包括：
获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据分别为不同的网格类型数据；
以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；
以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果；
以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路；
所述电磁场结果的计算步骤为：
获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；
将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；
将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。
2.根据权利要求1所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，其特征在于，所述第一迭代更新方程中的迭代系数通过多边形环路的面积、边长、网格法向上的基础参数得到；所述基础参数包括网格步长、介电常数、磁导率、电导率。
3.根据权利要求1所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，其特征在于，所述第一网格数据为YEE网格数据；所述第二网格数据为三角网格数据。
4.根据权利要求1所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法，其特征在于，所述求交运算为几何求交运算；所述几何求交运算包括面面相交算法、面线相交算法。
5.一种使用权利要求1-4任一所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法的多环路的FDTD电磁场仿真分析系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标模型的第一网格数据和第二网格数据；所述第一网格数据和所述第二网格数据为不同的网格类型数据；
处理模块，用于以所述第一网格数据和所述第二网格数据进行求交运算，得到以所述第一网格数据为基础的交线数据；以所述交线数据处理所述目标模型，进而基于FDTD算法得到所述目标模型的电磁场结果；
以所述交线数据处理所述目标模型具体包括：
在目标模型的第一网格数据的单一网格中，以网格内的交线和网格边界形成至少一个多边形环路；
所述交线数据为所述电磁场结果的计算步骤为：
获取单一网格中多边形环路的电磁场未知量；
将所述电磁场未知量带入到第一差分算法中得到对应多边形环路的第一迭代更新方程；
将所述第一迭代更新方程带入到FDTD框架算法中进行迭代计算，得到所述电磁场结果。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，存储有计算机程序；
处理器，执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
7.一种计算机可读介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-4任一所述的多环路的FDTD电磁场仿真分析方法。
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