超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法技术

本发明专利技术公开了一种超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法，属于电磁脉冲防护设计技术领域，包括：对超宽谱电磁脉冲的时域激励信号进行傅里叶变换获得频谱曲线，再根据超电大平台的尺寸与计算区域的分布，确定需要计算频域场的离散频点集；采用并行多层快速多极子全波求解方法对离散频点集中的低频段离散频点的频域电磁环境进行求解；采用高低频协同求解方法对离散频点集中的高频段离散频点的频域电磁环境进行求解；将超电大平台计算区域各个离散频点的频域电磁环境数据与时域激励信号的频谱曲线对应频点对齐相乘后，进行逆傅里叶变换得到超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场。解决超电大平台的超宽谱电磁脉冲时域瞬态场求解问题。瞬态场求解问题。瞬态场求解问题。

【技术实现步骤摘要】
超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法


[0001]本专利技术属于电磁脉冲防护设计
，更具体地，涉及一种超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法。

技术介绍

[0002]超宽谱电磁脉冲具有瞬时覆盖频谱宽、能量大、脉宽窄等特点，极易从敏感电子设备的天线、孔缝、线缆等耦合通道，进入敏感电子设备内部，对其关键敏感电子器件产生扰乱、损伤、甚至破坏。因此需要对搭载众多敏感电子设备的平台，开展超宽谱电磁脉冲时域瞬态场仿真，揭示电磁脉冲耦合机理，量化支撑电磁脉冲防护设计。
[0003]目前，电磁脉冲时域瞬态仿真方法主要有时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)，时域有限积分法(Finite Integration Time Domain，FITD)等。FDTD是一种应用比较广泛的时域仿真方法，其使用Yee元胞离散所要计算的电磁空间，电场和磁场在Yee元胞上交错设置，同时，在时间上采用所谓的“蛙跳格式”，即在每一个时间步上，求一次电场，再求一次磁场。因此，FDTD在计算空间电场和磁场时不需要求解方程，是一种完全显式的迭代格式，计算速度极快，但是当计算对象电尺寸过大时，需要剖分的网格数将快速增加，求解未知量高达数亿量级，导致计算速度极慢甚至无法计算。FITD通过特有的理想边界拟合技术(Perfect Boundary Approximation，PBA)，将介质边界共形地映照到六面体网格上，从而考虑部分介质填充下精确的矩阵元素值，大大地提高了Yee网格的精度。同时，它仍旧保持了六面体网格显式时域积分算法的低内存和高效求解的优点。因此，FITD既具有FDTD快速求解的优点，也具有有限元(Finite Element Method，FEM)能够对复杂结构复杂材质精确求解的优点，但是FITD也存在无法求解超电大尺寸对象的时域瞬态场的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法，解决超电大平台的超宽谱电磁脉冲时域瞬态场求解问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法，包括：
[0006](1)对超宽谱电磁脉冲的时域激励信号进行傅里叶变换，获得时域激励信号对应的频谱曲线，再根据超电大平台的尺寸与计算区域的分布，确定需要计算频域场的离散频点集；
[0007](2)采用并行多层快速多极子全波求解方法对离散频点集中的低频段离散频点的频域电磁环境进行求解；
[0008](3)采用高低频协同求解方法对离散频点集中的高频段离散频点的频域电磁环境进行求解；
[0009](4)将超电大平台计算区域各个离散频点的频域电磁环境数据与时域激励信号的频谱曲线对应频点对齐相乘后，进行逆傅里叶变换得到超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬
态场。
[0010]在一些可选的实施方案中，步骤(1)包括：
[0011]由时域激励信号的傅里叶级数展开表达式，推导出时域激励信号的离散频谱的表达式，利用离散频谱的表达式获得时域激励信号对应的频谱曲线；
[0012]同时考虑超电大平台的尺寸和计算区域的分布，充分考虑发射时域信号遇到障碍物后，其信号反射回计算区域的贡献，确定需要计算频域场的离散频点集。
[0013]在一些可选的实施方案中，步骤(2)包括：
[0014]将待计算平台的表面电流基函数进行分组，任意基函数间的相互作用根据其相对位置关系采用不同的方法计算，依据各自所在的分组关系，若属于近场组的强耦合作用需要采用矩量法直接计算，若属于远场组的弱耦合作用，则采用MLFMA计算，在MLFMA计算的聚合过程将每组中的所有基函数的电流作用聚合的该组的中心位置，其次转移过程将组中心的作用转移至该组的所有远场组的中心位置，最后的配置过程将远场组中心的作用配置至该组的所有基函数上。
[0015]在一些可选的实施方案中，将待计算平台的表面电流基函数进行分组，包括：
[0016]将待计算平台用立方体包围盒包围，随后对该包围盒进行空间八叉树划分，划分后的每个小包围盒继续递归划分下去，直至最小的立方体边长范围在0.2λ～0.5λ内，将第一个包围盒称为第0层，随后分别为第1,2,...,L层，λ为计算频点对应的电磁波波长，L为待计算平台被分层的总层数。
[0017]在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：
[0018]对于超宽谱电磁脉冲辐射天线采用多层快速多极子方法的低频全波电磁算法求解方法，对于超电大平台结构采用一致性几何绕射理论UTD的高频电磁算法求解方法。
[0019]在一些可选的实施方案中，对于超电大平台结构采用一致性几何绕射理论UTD的高频求解方法，包括：
[0020]基于从超宽谱电磁脉冲辐射天线到计算区域场点的射线路径没有被障碍物遮挡的视距场强确定直射场；
[0021]由电磁脉冲照射到平台结构表面时，会在平台结构表面产生反射效应，确定反射场；
[0022]由电磁脉冲照射到平台结构表面时，会在平台结构产生绕射效应，确定绕射场；
[0023]将直射场、反射场和绕射场经过合成，得到在平台结构影响下，计算区域的频域电磁环境分布。
[0024]在一些可选的实施方案中，步骤(4)包括：
[0025]对采样频率内的频谱数据进行补全，其中，第一区域是时域激励源信号的频谱数据与电磁计算得到的频谱数据相乘之后的频谱数据，第二区域是补充的数据，第一区域和第二区域的数据关于f
s
/2共轭对称，最后对补全后的频谱数据进行离散逆傅里叶变换得到超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场，f
s
为采样频率。
[0026]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0027](1)提供了超电大平台的超宽谱电磁脉冲时域瞬态场求解方法，本专利技术提出了高低频协同的频域+傅里叶变换的方法，在频域场求解时，低频段采用全波电磁算法，高频段
采用高低频协同算法，充分兼顾了频域场的求解精度和求解规模，从而解决了超电大平台的超宽谱电磁脉冲时域瞬态场求解难题。
[0028](2)可快速求解多种时域激励信号的瞬态场，本专利技术提出的高低频协同的频域+傅里叶变换的方法，将时域激励信号与耗时的频域场仿真进行了解耦，在求解不同时域激励信号的瞬态场时，可共享耗时的频域场仿真数据，从而可以快速求解多种时域激励信号瞬态场。
附图说明
[0029]图1是本专利技术实施例提供的一种三维目标空间划分示意图；
[0030]图2是本专利技术实施例提供的一种非周期离散信号的离散傅里叶变换；
[0031]图3是本专利技术实施例提供的一种采样频率范围内的数据补全方法；
[0032]图4是本专利技术实施例提供的一种激励信号时域波形；
[0033]图5是本专利技术实施例提供的一种激励时域信号对应的频谱分布；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场预测方法，其特征在于，包括：(1)对超宽谱电磁脉冲的时域激励信号进行傅里叶变换，获得时域激励信号对应的频谱曲线，再根据超电大平台的尺寸与计算区域的分布，确定需要计算频域场的离散频点集；(2)采用并行多层快速多极子全波求解方法对离散频点集中的低频段离散频点的频域电磁环境进行求解；(3)采用高低频协同求解方法对离散频点集中的高频段离散频点的频域电磁环境进行求解；(4)将超电大平台计算区域各个离散频点的频域电磁环境数据与时域激励信号的频谱曲线对应频点对齐相乘后，进行逆傅里叶变换得到超电大平台超宽谱电磁脉冲时域瞬态场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：由时域激励信号的傅里叶级数展开表达式，推导出时域激励信号的离散频谱的表达式，利用离散频谱的表达式获得时域激励信号对应的频谱曲线；同时考虑超电大平台的尺寸和计算区域的分布，充分考虑发射时域信号遇到障碍物后，其信号反射回计算区域的贡献，确定需要计算频域场的离散频点集。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：将待计算平台的表面电流基函数进行分组，任意基函数间的相互作用根据其相对位置关系采用不同的方法计算，依据各自所在的分组关系，若属于近场组的强耦合作用需要采用矩量法直接计算，若属于远场组的弱耦合作用，则采用MLFMA计算，在MLFMA计算的聚合过程将每组中的所有基函数的电流作用聚合的该组的中心位置，其次转移过程将组中心的作用转移至该组的所有远场组的中心位置，最后的配置过程将远场组中心的作用配置至该组的所有基函数上。4.根据权利要求3所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴为军，李霜，曾宪亮，王硕威，郑生全，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：