一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法技术

本发明专利技术的三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，首次创新性地提出三维FEM混合二维FMM的电磁场计算方法，通过FEM计算、二维FMM分析、散射场叠加等方法步骤，实现仿真模拟城市住房在各相关电磁辐射源辐射情况下的室内电磁场分布，该方法充分结合了FEM处理复杂材料、结构目标的能力与二维FMM处理超电大目标或环境的能力，为实现诸如高层建筑室内、室外电磁场分布预测等民生热点问题提供了一种高效可行的手段；相比于传统的电磁场预测的高频方法，本技术计算精度更高，效率更高，可求解问题规模更大；并且对高楼建筑采用二维建模，解决了传统方法需要采用三维建模的复杂性，对城市高楼建筑群可自动实现快速二维生成。

A Prediction Method of Electromagnetic Field for 3-D FEM Hybrid 2-D FMM

The electromagnetic field prediction method of the three-dimensional FEM hybrid two-dimensional FMM of the present invention is innovatively proposed for the first time. Through FEM calculation, two-dimensional FMM analysis, scattering field superposition and other steps, the indoor electromagnetic field distribution of urban housing under the radiation of various relevant electromagnetic radiation sources can be simulated. This method fully combines FEM processing complex materials. The ability of material and structure target and the ability of two-dimensional FMM to deal with super-Electric large target or environment provide an efficient and feasible means to realize people's livelihood hot issues such as indoor and outdoor electromagnetic field distribution prediction of high-rise buildings; Compared with the traditional high-frequency electromagnetic field prediction method, this technology has higher calculation accuracy, higher efficiency and larger scale of solving problems; and for high-rise building construction. Two-dimensional modeling is used to solve the complexity of traditional methods which need to use three-dimensional modeling. The rapid two-dimensional generation of urban high-rise buildings can be realized automatically.

【技术实现步骤摘要】
一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法
本专利技术属于电磁场与微波
，具体涉及一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法。技术背景随着移动通讯事业的迅猛发展，城镇内移动基站设备随处可见，这些发射基站与其他电磁辐射能源，例如广播电台的广播信号、高压电线的电磁辐射等共同构成城市复杂的电磁场环境。随着人们对身体健康的关注度逐步上升，对电磁辐射可能造成的损害也更加重视，居民往往排斥基站天线架设到自己家住房附近，相关部门经常收到大量投诉。如何在消除居民对基站天线电磁辐射的恐慌的情况下，确保城市内无通讯信号的盲区，是有关部门必须重点考虑的民生问题。现有的监测电磁场的主要方法是实验测量，这种方法是在基站天线辐射的情况下通过测量的方式对居民室内的电磁场分布情况进行预测，首先这种方法无法排除测量人员以及测试探头对电磁场的干扰，其次，这种方法需要花费大量的人力、物力、财力，无法满足日益增长的需求。监测电磁场还有一种常用方法是数值计算，比如采用全波方法——矩量法(MoM)结合高性能计算技术进行数值计算模拟，这种方法虽然计算精度高，但是对计算资源的需求较大、代价较高，同时能处理的问题规模也存在一定限制，难以满足实际需求。因此，针对以上缺陷，需要对现有技术进行有效创新。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，旨在实现准确高效地仿真模拟城市住房在电磁源辐射情况下的室内电磁场分布，为大型基站天线等设备的合理布局架设，消除居民对电磁辐射影响身体健康的恐慌提供理论依据的目的。为了达到上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，包括以下步骤：步骤S1：确定选定电磁场分布区域所在平面，获取二维FMM入射场激励输入的高斯积分采样点；步骤S2：对室外电磁辐射源设备进行几何建模、三维FEM参数设置以及网格剖分操作，获取三维FEM计算所需的输入信息；步骤S3：采用三维FEM计算步骤S1中获取的高斯积分采样点处的散射场ES-G、HS-G，计算步骤S1中获取的选定电磁场分布区域场点处产生的散射场ES、HS，具体操作如下：步骤S301：并行构建有限元稀疏矩阵系统方程AX＝B，采用高效并行稀疏矩阵求解器求解矩阵方程得到电场基函数系数向量X；步骤S302：根据电场基函数系数向量X，得到惠更斯面上的电场强度Ee、磁场强度He，进一步得到惠更斯面上的电磁流分布步骤S303：根据惠更斯面上的电磁流J，M，采用如下积分方程计算选定电磁场分布区域场点r处的散射场值：其中，j为虚数单位，k为媒质空间波数，η为媒质空间波阻抗，r′为源点坐标，R为场点到源点的距离，G(R)为均匀媒质空间格林函数；步骤S4：将散射场ES-G、HS-G分解为TE波与TM波，其中，对于TE波，Ez＝0，对于TM波，Hz＝0；步骤S5：将TE波作为入射场激励，通过二维FMM计算得到选定区域场点处的散射场分布ES-TE、HS-TE；步骤S6：将TM波作为入射场激励，通过二维FMM计算得到选定区域场点处的散射场分布ES-TM、HS-TM；步骤S7：进行散射场叠加，得到选定区域场点处实际电磁场分布：E＝ES+ES-TE+ES-TM，H＝HS+HS-TE+HS-TM。优选的，步骤S1所述的高斯积分采样点通过确定选定电磁场分布区域所在平面，获取该平面与区域内所有楼房建筑的交线，对这些交线进行二维高斯积分采样点离散。优选的，步骤S2中所述的参数设置主要包媒质属性、边界条件、激励源以及计算频率的设置。优选的，步骤S2中所述的网格剖分采用非结构化网格——四面体网格，网格剖分尺寸再0.125～0.1个波长之间。优选的，步骤S301中三维FEM采用了基于MPI+OpenMP的并行编程模型实现。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，首次创新性地提出三维FEM混合二维FMM的电磁场计算方法，充分结合了FEM处理复杂材料、结构目标的能力与二维FMM处理超电大目标或环境的能力，为实现诸如高层建筑室内、室外电磁场分布预测等民生热点问题提供了一种高效可行的手段；相比于传统的电磁场预测的高频方法，本技术计算精度更高，效率更高，可求解问题规模更大；并且对高楼建筑采用二维建模，解决了传统方法需要采用三维建模的复杂性，对城市高楼建筑群可自动实现快速二维生成。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为五层高楼模型；图3直线段上场点的电场值计算结果(100MHz)(a)EZ实部(b)EZ虚部；图4平面上场点的电场值计算结果(100MHz)(a)高阶矩量法(b)本专利技术方法；图5直线段上场点的电场值计算结果(150MHz)(a)EZ实部(b)EZ虚部；图6平面上场点的电场值计算结果(150MHz)(a)高阶矩量法(b)本专利技术方法；图7平面上场点的电场值计算结果(900MHz)。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。还需要说明的是，本专利技术实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。如图1所示，一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，包括以下步骤：步骤S1：确定选定电磁场分布区域所在平面，获取二维FMM入射场激励输入的高斯积分采样点，以xoy平面为地平面，z轴方向为高楼伫立方向，将选定电磁场分布区域所在的平面的高度设为h，截取高楼z＝h处的二维界面，对二维界面的轮廓线采用二维高斯积分离散，获取采样点坐标(xk，yk，h)，其中下标k代表第k个采样点；步骤S2：对室外电磁辐射源设备进行几何建模、三维FEM参数设置以及网格剖分操作，获取三维FEM计算所需的输入信息；步骤S3：采用三维FEM计算步骤S1中获取的高斯积分采样点处的散射场ES-G、HS-G，计算步骤S1中获取的选定电磁场分布区域场点处产生的散射场具体操作如下：步骤S301：并行构建有限元稀疏矩阵系统方程AX＝B，采用高效并行稀疏矩阵求解器求解矩阵方程得到电场基函数系数向量X；步骤S302：根据电场基函数系数向量X，得到惠更斯面上的电场强度Ee、磁场强度He，进一步得到惠更斯面上的电磁流分布步骤S303：根据惠更斯面上的电磁流J，M，采用如下积分方程计算选定磁场分布区域场点r处的散射场值：其中，j为虚数单位，k为媒质空间波数，η为媒质空间波阻抗，r′为源点坐标，R为场点到源点的距离，G(R)为均匀媒质空间格林函数；步骤S4：将散射场ES-G、HS-G分解为TE波与TM波，其中，对于TE波，Ez＝0，对于TM波，Hz＝0，由于三维FEM计算出的高斯积分采样点处的散射场值ES-G、HS-G无法直接作为二维FMM的入射波激励输入，需要将其分解为TE波与TM波，在直角坐标系中，对于TE波，Ez＝0，即只考虑H本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：确定选定磁场分布区域所在平面，获取二维FMM入射场激励输入的高斯积分采样点；步骤S2：对室外电磁辐射源设备进行几何建模、三维FEM参数设置以及网格剖分操作，获取三维FEM计算所需的输入信息；步骤S3：采用三维FEM计算步骤S1中获取的高斯积分采样点处的散射场ES‑G、HS‑G，计算步骤S1中获取的选定磁场分布区域场点处产生的散射场ES、HS，具体操作如下：步骤S301：并行构建有限元稀疏矩阵系统方程AX＝B，采用高效并行稀疏矩阵求解器求解矩阵方程得到电场基函数系数向量X；步骤S302：根据电场基函数系数向量X，得到惠更斯面上的电场强度He、磁场强度Ee，进一步得到惠更斯面上的电磁流分布

【技术特征摘要】
1.一种三维FEM混合二维FMM的电磁场预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：确定选定磁场分布区域所在平面，获取二维FMM入射场激励输入的高斯积分采样点；步骤S2：对室外电磁辐射源设备进行几何建模、三维FEM参数设置以及网格剖分操作，获取三维FEM计算所需的输入信息；步骤S3：采用三维FEM计算步骤S1中获取的高斯积分采样点处的散射场ES-G、HS-G，计算步骤S1中获取的选定磁场分布区域场点处产生的散射场ES、HS，具体操作如下：步骤S301：并行构建有限元稀疏矩阵系统方程AX＝B，采用高效并行稀疏矩阵求解器求解矩阵方程得到电场基函数系数向量X；步骤S302：根据电场基函数系数向量X，得到惠更斯面上的电场强度He、磁场强度Ee，进一步得到惠更斯面上的电磁流分布步骤S303：根据惠更斯面上的电磁流J，M，采用如下积分方程计算选定电磁场分布区域场点r处的散射场值：其中，j为虚数单位，k为媒质空间波数，η为媒质空间波阻抗，r′为源点坐标，R为场点到源点的距离，G(R)为均匀媒质空间格林函数；步骤S4：将散射场ES-G、HS-G分解为TE波与TM波，其中，对于TE波，Ez＝0，对于TM波，Hz＝0；步骤S5：将TE波作为入...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勋旺，左胜，张玉，林中朝，袁峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61