CN117669288A - 一种暗室静区电平快速仿真方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种暗室静区电平快速仿真方法，包括以下步骤：构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；用物理光学法和/或几何光学法计算暗室静区内电平。本申请还包含用于实现所述方法的装置。本申请解决暗室内运用离散化电磁场计算方法计算效率低、耗费计算资源大的问题。

Description

一种暗室静区电平快速仿真方法和装置

技术领域

本申请涉及电磁场数值计算和计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种暗室静区电平快速仿真方法、装置。

背景技术

微波暗室的电性能主要由静区的特性来描述。静区性能包括静区的大小、静区内的最大反射电平、交叉极化度、场强均匀性、路径损耗、固有雷达截面、工作频率范围等参数。其中，微波暗室静区反射电平，通常也称反射率电平，或静区静度，是衡量微波暗室性能的最重要、最基本的指标。所以，设计一个微波暗室必须首先确定其静区的性能指标，然后由此来决定暗室的尺寸、吸波材料的选择等。而微波暗室静区反射电平仿真分析作为重要的辅助设计手段，对于指导暗室的设计，保证暗室的性能要求、减少返工、节省开支等都具有重大的指导意义。

电磁仿真方法自麦克斯韦方程组问世以来已经发展了一百余年，至今诞生了很多种仿真算法，比如时域有限差分(FDTD),矩量法(MOM)，物理光学法(PO)，几何光学法(GO)，有限元法(FEM)等，这些仿真方法在不同使用场景下各有优劣。

通常对于暗室静区反射电平的计算，采用矩量法或时域有限差分法，这两种方法运算结果的精度很高，时域有限差分由于其在时域迭代运算的特点更是在吸波材料这种有耗媒质的计算中有着得天独厚的优势，但对于电尺寸数百倍甚至数千倍的计算场景下，这两种计算方式对于运算资源的需求和时间的需求可谓十分巨大，且对于时域方法更是由于过多的迭代次数造成计算精度的损失。因此若能使用物理光学法或几何光学法进行运算则会大大减小运算资源的需求。

然而对于通常情况下的暗室，其墙体均要安装吸波材料来降低其反射，以达到需要的静区性能，但是直接建模出模型所需要的剖分网格数量依然会对运算资源有着大量需求。

发明内容

本申请提出一种暗室静区电平快速仿真方法和装置，解决暗室内运用离散化电磁场计算方法计算效率低、耗费计算资源大的问题。本申请旨在节约运算资源和时间的前提下尽可能准确地得到静区反射电平的结果，尤其适用于电大尺寸暗室静区反射电平的快速仿真计算。

一方面，本申请实施例提出一种暗室静区电平快速仿真方法，包括以下步骤：

构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

用物理光学法和/或几何光学法计算暗室静区内电平。

优选地，所述吸波材料为有耗媒质。

优选地，所述边界形状为金字塔锥形。进一步优选地，在所述吸波材料计算模型中，采用周期边界条件。

优选地，所述预计算的方法为对时间和空间进行网格化的电磁场数值计算方法。进一步优选地，所述预计算的方法为以下至少一种：时域有限差分法、矩量法、时域有限元法。

另一方面，本申请还提出一种暗室静区电平快速装置，用于实现本申请任意一项实施例所述的方法，包括：

预计算模块，用于构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

设置模块，用于建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

仿真模块，用于用物理光学法计算暗室静区内电平。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

针对不同的吸波材料先通过初步仿真计算出其精确的吸收和反射特性，再根据该特性对平板进行建模，这样便可以节约大量的计算资源。

本发明提出通过构建不同角度下所需的吸波材料的吸收反射特性，将该材料特性输入到暗室静区反射电平仿真参数中，通过使用物理光学方法进行仿真，在保证运算精度的前提下即可大大减小运算所需的时间。

尤其是，针对于电大尺寸暗室静区反射电平的快速仿真计算方法，通过使用运算更精确的矩量法或时域有限差分法先对周期排列的吸波材料的反射吸收特性进行计算，得到精确的入射角对应的反射吸收率，再将这个特性导入平板材料，通过使用和周期吸波材料特性一致的平板材料进行暗室静区反射电平的运算，可以在保证精度的前提下节约大量运算资源。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请一种暗室静区电平快速仿真方法实施例流程图；

图2为构建吸波材料计算模型的几何结构示意图；

图3为构建吸波材料电磁计算模型的计算空间示意图；

图4为吸波材料等效平板位置示意图；

图5为暗室墙体和暗室静区计算模型示意图；

图6为本申请提出的一种暗室静区电平快速仿真装置实施例；

图7为本申请提出的电子设备实施例。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请一种暗室静区电平快速仿真方法实施例流程图。本申请实施例提出一种暗室静区电平快速仿真方法，包括以下步骤：

步骤110、构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数。

优选地，所述吸波材料为有耗媒质。

优选地，所述边界形状为金字塔锥形；进一步优选地，在所述吸波材料计算模型中，采用周期边界条件。

例如，在步骤110中，进一步包括步骤110A～C：

步骤110A、构建吸波材料模型。使用带有建模功能的仿真软件将吸波材料的外形按照实际参数尺寸构建(通常为金字塔锥形，建立一个模型即可，不需要构建无穷多个吸波材料)。

步骤110B、输入吸波材料参数。通常吸波材料都是有耗媒质制作，应根据实际使用的吸波材料的电磁特性录入到电磁仿真软件中，通常以电场磁场的电导率磁导率或损耗角正切来表征吸波材料对于不同频点电磁波的损耗。

步骤110C、建立吸波材料的边界条件。本发明考虑的吸波材料为均匀、周期性的吸波材料，对于步骤110A构建的单体吸波材料建模，对其进行边界条件设置，根据周期特性将其边界条件设置为周期边界条件。

步骤120、对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性。

例如，在步骤120中，进一步包括步骤120A～C：

步骤120A、设置不同角度的入射平面波。入射波的入射角度需覆盖整个吸波材料模型的上半空间(半球形，见图2～4)，以备后续建立等效模型仿真时可以调用到任意入射角度的反射吸收结果。

步骤120B、仿真得出不同入射波的反射波。通过对周期边界条件的吸波材料模型进行不同入射角度的仿真。该步骤可以得到不同入射角度的反射波及其强度。

步骤120C、记录入射波、反射波关系。将步骤120B得到的入射波和反射波强度特性关系记录到数据库中。将所述预计算的结果存入数据库。这样，预计算只需要进行一次，当对不同尺寸和结构的暗室进行仿真时，可以调取与计算的结果，获得任意角度对吸波材料入射时的反射和吸收特性。尤其是，当与计算时使用不同角度的时域脉冲入射时，获得反射的时域脉冲；当存储的计算结果为时域数据时，可以通过傅里叶变换提取所需要的任意频段的特征响应。

优选地，所述预计算的方法为对时间和空间进行网格化的电磁场数值计算方法。进一步优选地，所述预计算的方法包括且不限于为以下至少一种：时域有限差分法、矩量法、时域有限元法以及下文所述其他离散化算法。

需要说明的是，时域有限差分法由K.S.Yee在1966年提出，其模型基础是麦克斯韦方程(Maxwell's equation)。在FDTD方法提出之后，随着计算技术，特别是电子计算机技术的发展，FDTD方法得到了长足的发展，在电磁学，电子学，光学等领域都得到了广泛的应用。FDTD作为显式计算方法，可以实时关注电磁波的传播状态，对于分析重要散射点及优化以及有耗媒质的计算有着无可替代的优势。

矩量法求解过程中，矩阵规模的大小涉及到占用内存的多少，在很大程度上影响了计算的速度。如何尽可能的减少矩阵存储量，成为加速矩量法计算的关键。矩量法作为频域算法，在RCS计算等场景应用也十分广泛。基于积分方程的多层快速多极子方法(MLFMM)是以矩量法为基础的快速算法，将计算存储量和计算复杂度降低到N×Log(N)量级，因此MLFMM已经广泛应用于电大尺寸问题的散射和辐射分析中。

有限元法FEM是解决偏微分方程(PDE)和积分方程的数值建模方法。求解方法的思想史，完全消除微分方程(稳态问题)或者把偏微分方程转化为等效的常微分方程，然后用有限差分方法求解。在求解PDE过程中，主要的困难是创造能近似原始PDE的方程，此方程须具数值稳定性，也就是说输入数据的误差和中间计算不会带来误差累积，否则输出就毫无意义。有很多方法可以实现这一过程，互有优劣。FEM是解决复数域中PDE的较好选择。

步骤130、建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性。

例如，步骤130进一步包含以下步骤130A～B：

步骤130A、将入射波反射波记录文件导入新材料

将步骤6得到的数据库导入到新建等效平板材料中(若软件不支持1个入射波对应整个上半空间反射波的数据导入建立，至少也应建立入射波法线对应的反射波的数据库并导入等效平板材料，不过会降低运算精度)。

步骤130B、将新材料的特性输入暗室仿真的反射面上。将步骤130A得到的等效电磁参数的平板材料进行暗室模型建立，设置好暗室尺寸，静区位置等参数。

步骤140、用物理光学法和/或几何光学法计算暗室静区内电平。

对步骤130中建模好的暗室进行仿真得到最终的暗室静区反射电平结果。物理光学法是一种高频近似方法，是对忽略波效应的几何光学法的改进，其保留了对于运算中光的波动性的考量。该方法用射线光学法估计表面场量，然后在该表面上对场量积分从而计算散射场。物理光学法所需的计算资源小于传统频域方法，因此在降低精度需求的前提下比较适合电大尺寸的仿真运算。

本申请的暗室静区电平快速仿真方案，步骤110～120可以通过使用现有的电磁仿真计算软件，对墙体吸波材料进行不同入射角度下反射及吸收特性的预计算，得到结果后通过步骤130～140建立一个平板材料，将吸波材料的吸收反射特性输入到平板的吸收反射特性中，将平板带入最终的暗室，可另行通过物理光学法进行最终的运算，得到静区反射电平。

还需要说明的是，步骤140可以结合物理光学法和几何光学法。其中，物理光学法是在光学，电子工程，应用物理学中普遍采用的一种高频近似方法，“物理”指的是相对几何光学或射线光学更具物理性，而不是说这是严格的物理理论，类似Born近似法。物理光学法所需的计算资源小于传统频域方法，因此在降低精度需求的前提下比较适合电大尺寸的仿真运算。

几何光学在探究光的传播时一定程度上忽略光的波动性，将光在均匀介质中的传播用直线表示，称之为光线，并通常忽略光的干涉、衍射和偏振现象，但在讨论不同颜色的光和不同折射率的介质时，又常以波长为线索考虑其差异，且在分析系统分辨率时也要根据艾里斑来分析。因此运算速度最快，占用的资源也最少，不过精度劣于物理光学法，适合数百倍于波长的电大尺寸仿真。

还需要说明的是，本申请实施例所提供方法的各步骤的执行主体均可以是同一设备，或者，该方法也由不同设备作为执行主体。比如，步骤110和步骤120的执行主体可以为设备1，步骤130、40的执行主体可以为设备2；又比如，步骤110的执行主体可以为设备1，步骤120和步骤130的执行主体可以为设备2；等等。

图2为构建吸波材料计算模型的几何结构示意图。构建吸波材料的模型，明确单体吸波材料的几何尺寸，例如，对金字塔锥形，包括X、Y、Z三个方向的尺度即底边宽度U＝0.5m、底边深度V＝0.5m以及高度N＝1m。设置吸波材料电磁参数为：相对介电常数为1.3，介质损耗正切值为0.05，也可设置电导率值。

图3为构建吸波材料电磁计算模型的计算空间示意图。在计算时，首先为单个金字塔锥形的吸波材料设置计算空间和边界条件。设置入射平面波及波长、极化方向等参数。例如，使用FDTD法、矩量法或有限元法，建立网格化模型，将计算空间离散为尺寸小于电磁波波长1/10～1/20的网格，逐点计算电磁场值

可设置吸波材料的周期边界条件，周期边界条件是以图3所示的计算空间为1个单元，重复排列形成的。例如，沿着X/Y方向排列，在周期性边界条件计算过程中由计算空间内向左侧边界传播的电磁场分量被赋值给右侧边界的入射电磁场分量。

按照以上方式，创建了一个投射、反射能量求解器，仿真技术得到吸波材料的反射率参数。

图4为吸波材料等效平板位置示意图。创建等效电磁参数平板模型，如图中阴影位置所示，平板的位置为金字塔锥形顶部的无限大平面，最后，根据仿真得到的吸波材料的反射率参数，创建等效反射率的平板模型电磁参数文件，供暗室静区仿真过程调用。

图5为暗室墙体和暗室静区计算模型示意图。将暗室的四周墙体设置为等效吸波材料的平板，内部为自由空间。设置暗室仿真区域并仿真得到结果。

图6为本申请提出的一种暗室静区电平快速仿真装置实施例。本申请还提出一种暗室静区电平快速装置，用于实现本申请任意一项实施例所述的方法，包括：

预计算模块510，用于构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

设置模块520，用于建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

仿真模块530，用于用物理光学法计算暗室静区内电平。

在本申请的一个实施例中，还包含数据模块，连接于预计算模块、设置模块及仿真模块，用于存储或读取平板模型电磁参数文件。

在本申请的一个实施例中，所述预计算模块还包含：

第一预计算单元，用于首先为单个金字塔锥形的吸波材料设置计算空间、边界条件、材料参数、来波方向等。

第二预计算单元，用于对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

因此，本申请还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请中任一实施例所述的方法。

进一步地，本申请还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本申请任一实施例所述的方法。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

图7是本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。所显示的电子设备600仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。其包括：一个或多个处理器620；存储装置610，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器620运行，使得所述一个或多个处理器620实现本申请实施例所提供的一种暗室静区电平快速仿真方法，该方法包括：

构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

用物理光学法计算暗室静区内电平。

在本申请的一个实施例中，所述吸波材料为有耗媒质。

在本申请的一个实施例中，所述边界形状为金字塔锥形。

在本申请的一个实施例中，在所述吸波材料计算模型中，采用周期边界条件。

在本申请的一个实施例中，所述预计算的方法为对时间和空间进行网格化的电磁场数值计算方法。

在本申请的一个实施例中，所述预计算的方法为以下至少一种：时域有限差分法、矩量法、时域有限元法。

该电子设备600还包含输入装置630和输出装置640；电子设备中的处理器620、存储装置610、输入装置630和输出装置640可以通过总线或其他方式连接，图中以通过总线650连接为例。

存储装置610作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可运行程序以及模块单元，如本申请实施例中的云底高度的确定方法对应的程序指令。存储装置610可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储装置610可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置610可进一步包括相对于处理器620远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置630可用于接收输入的数字、字符信息或语音信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置640可包括显示屏、扬声器等电子设备。

本申请主要针对暗室静区电平的计算提出了一种快速计算方法，解决了传统计算方式及其耗费计算资源，以及传统物理光学法无法精确计算静区反射电平的问题。该方法结合了计算精确的矩量法或时域有限差分方法，利用吸波材料的周期性这一特点，先得到吸波材料在不同角度下的吸收反射特性，再根据这一特性构建等效平板材料，将等效平板材料运用到最终暗室静区电平的仿真中，兼顾了精度和运算速度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

用物理光学法和/或几何光学法计算暗室静区内电平。

2.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，所述边界形状为金字塔锥形。

3.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，所述预计算的方法为对时间和空间进行网格化的电磁场数值计算方法。

4.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，在所述吸波材料计算模型中，采用周期边界条件。

5.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，所述吸波材料为有耗媒质。

6.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，所述预计算的方法为以下至少一种：时域有限差分法、矩量法、时域有限元法。

7.如权利要求1所述的一种暗室静区电平快速仿真方法，其特征在于，将所述预计算的结果存入数据库。

8.一种暗室静区电平快速装置，用于实现权利要求1～7任意一项所述的方法，其特征在于，包括：

预计算模块，用于构建吸波材料计算模型，包含边界形状和材料参数；对所述吸波材料进行预计算，获得不同入射角度下反射和吸收特性；

设置模块，用于建立暗室静区计算模型，其中包含平板材料，用预计算结果设置所述平板材料的反射和吸收特性；

仿真模块，用于用物理光学法计算暗室静区内电平。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一所述的方法。

10.一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～7中任一所述的方法。