一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统技术方案

本发明专利技术提出了一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统。该运算系统由初值选择算法和用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法组成，采用基于改进的Gerchberg

【技术实现步骤摘要】
一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统


[0001]本专利技术属于检测技术与自动化装置领域，具体涉及一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统，包含磁场三维分量重建运算的结构和实现原理，专利技术适用于已知空间中距离PCB一定距离处的磁场幅度去预测对应于此幅度的三维磁场分量。

技术介绍

[0002]随着电磁和移动通信技术的不断发展，针对PCB辐射电磁场的建模分析也要求的越来越高，传统的仅有幅度信息的PCB辐射检测已难以满足电磁场分析的要求。电磁场本身属于矢量场，但目前很多EMC问题均聚焦于其幅度信息，而幅度信息并不能完整反应PCB的矢量电磁辐射情况，往往会忽略和缺少相位对电磁场的影响。由于多数EMC测量设备也均只能获得电磁场的幅度信息，这也使得利用矢量特征对电磁场进行分析变得难以实现。
[0003]为了准确重建出PCB产生的辐射电磁场的三维分量，需要对测量的电磁场幅度信息进行选取，磁场相较于电场在近场具有更小的波阻抗，在远场具有相同的波阻抗。从工程意义上来说，磁场数据更具有可测量性。传统的EMC检测方法大多只具备快速检测辐射磁场幅度的能力，而作为矢量信号的磁场强度也因此难以针对其矢量特性进行分析，这样势必会缺失众多辐射特征。传统的磁场重建方案多会受到场源初始相位的极大影响，同时也缺乏对场源初始相位的选择方案。那么如何去减少场源初始相位对重建的影响，并建立合理的场源初始相位选择方案去限定场源的初始相位，是磁场重建过程中需要考虑的重要问题。
[0004]同时，在获取了场源的初始相位选择方案后，由于PCB辐射建模属于一个复杂的难问题，测量数据也往往会存在大量的干扰信息。这样如何选择合理的场源寻优方案去求解产生测量磁场幅度的场源是预测磁场三维分量的关键问题。

技术实现思路

[0005]针对以上提到的问题，本专利技术设计了一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统，分析了磁场三维分量重建运算系统的结构和实现原理，实现了对PCB在某一测量平面上所产生的测量磁场幅度所对应的磁场强度的三维分量信息的重建。
[0006]本专利技术具体采用以下技术方案：
[0007]一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统，由磁场场源转换算法、单层迭代算法和用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法构成。单层迭代算法包括改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法、四角数据插值算法和正则化算法；用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法包括优化范围选择模块和粒子速度更新模块；粒子速度更新模块包括全局粒子群模块和局部粒子群模块。磁场场源转换算法、单层迭代算法和用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法构成完整的重建运算系统。根据磁场场源转换算法可确定出磁场与场源的关系，根据单层迭代算法可得出一组未经过客观误差修正但会自然收敛的场源结果。再在单层迭代算法输出的结果上用用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法的寻优
方案可以进一步得到具有客观误差修正过程的场源，最终再次通过磁场场源转换算法的运算，就可以得到重建后的磁场三维分量。其特征在于：
[0008]磁场场源转换算法输出磁场场源转换模型，并将此关系赋予与其相连接的单层迭代算法和用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法。单层迭代算法在接收到测量测磁场幅度后，将测量磁场幅度与磁场场源转换算法相结合，运用改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法作为迭代方法对产生测量磁场的磁流源做粗估计，得到一组能生成满足一定磁场幅度误差的磁流源。四角数据插值算法则为改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法提供除测量磁场幅度以外的第二组插值磁场幅度，两组磁场幅度共同作为改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法的输入磁场。因为在改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法的运行过程中会出现矩阵求逆的运算，为了减少过拟合对难问题求逆结果精度的影响，采用正则化算法来修正单层迭代算法中所有矩阵求逆运算的结果。
[0009]所述用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法与单层迭代算法一样，使用同一套由磁场场源转换算法确定的场源转换关系。用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法中的优化范围选择模块也将单层迭代算法输出的粗估计磁流源结果作为参考来生成优化范围。用单层迭代算法输出的磁流源的绝对值的最大值的正负2倍作为优化范围选择模块输出的寻优范围的上下界限。在粒子速度更新模块中，全局粒子群模块提供能设置应用于HYPSO算法下一次速度更新的公式。其中，全局粒子群模块可以为粒子速度更新模块提供收敛速度更快的粒子速度更新算法，局部粒子群模块可以为粒子速度更新模块提供全局搜索能力更强的速度更新算法。粒子速度更新模块根据全局粒子群模块和局部粒子群模块所提供的速度更新算法形成新的混合粒子速度更新算法，使得用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法在保证一定寻优速度的基础上获得更强的全局寻优能力。
[0010]所述一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统1最终根据用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法优化输出的磁流源(辐射源)再次通过磁场场源转换算法得到PCB辐射磁场的三维分量，从而实现了从测量磁场幅度到测量磁场幅度三维分量预测的磁场重建过程。
[0011]本专利技术具有以下技术效果：
[0012]1、通过磁场场源转换算法得到符合电磁场物理规律的场源转换建模算法。
[0013]2、采用单层迭代算法中的四角数据插值算法来扩展一组与测量磁场幅度相关的输入磁场幅度数据。改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法来加载磁场场源转换算法的数学模型，为其提供场源迭代的计算方案。正则化算法用来解决单层迭代算法中所产生的各种矩阵求逆过程，实现在磁场建模难问题中对过拟合过程的抑制。单层迭代算法为用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法的优化范围的选择提供一组可参考的粗估计结果。
[0014]3、用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法则根据单层迭代算法的输出结果来确定优化范围，以解决用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法存在的寻优范围难以选择的难题。粒子速度更新模块则根据全局粒子群模块和局部粒子群模块所提供的两种速度更新算法，形成一组应用于磁场建模问题的混合粒子群速度更新算法。用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法通过全局寻优过程，获得一组细估计计算结果作为能代替PCB的辐射源，为一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统计算磁场三维分量提供一组最优的辐射源。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的系统构架示意图；
[0016]其中，1
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一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统，2
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磁场场源转换算法，3
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单层迭代算法，4
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用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法，5
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改进的G本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统，其特征在于：所述一种用于PCB辐射磁场三维分量重建的运算系统(1)包括磁场场源转换算法(2)、单层迭代算法(3)、用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)。单层迭代算法(3)包括改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法(5)、四角数据插值算法(6)和正则化算法(7)。用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)包括优化范围选择模块(8)和粒子速度更新模块(9)。粒子速度更新模块(9)包括全局粒子群模块(10)和局部粒子群模块(11)。磁场场源转换算法(2)与单层迭代算法(3)和用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)分别相连接，为输入单层迭代算法(3)和用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)的测量磁场幅度到三维分量的预测提供基于磁场理论模型的计算方法。单层迭代算法(3)与用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)相连接，利用其固有的收敛特性粗估计出产生测量磁场幅度的源，为用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)优化范围的选择提供参考。用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)利用每次迭代的误差修正迭代结果，为场源计算提供更多的可能性，并弥补单层迭代算法(3)所不具有的误差方向修正性，为产生测量磁场幅度的源的预测提供一种细估计方法。改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法(5)为单层迭代算法(3)提供迭代方式。四角数据插值算法(6)为改进的Gerchberg
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Saxton(GS)算法(5)提供除测量磁场幅度以外的第二组插值磁场幅度作为算法运行的初始参数。正则化算法(7)在单层迭代算法(3)中用于防止在求逆过程时的过拟合问题。包含在用于电磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)中的优化范围选择模块(8)，为粒子速度更新模块(9)提供粒子速度更新方法。全局粒子群模块(10)和局部粒子群模块(11)提供以全局优化方法进行粒子速度变换的方法和以局部优化方法进行粒子速度变换的方法，为用于磁场建模的混合粒子群(HYPSO)算法(4)形成新的粒子速度变换方法提供基础依据。2.根据权利要求1所述的磁场场源转换算法(2)，其特征在于：所述磁场场源转换算法(2)实现对辐射磁场与辐射源关系的数学描述。由于矢量电位(电场)所描述的波动方程可以被写成：其中ε为介质的介电常数，为波数，ω为磁场的角频率，μ为介质的磁导率，为磁流源。由于波动方程是线性的，所以矢量电位所表示的波动方程的解可以由格林函数表示为点源解线性叠加的形式。替换后的波动方程如下式所示：其中为狄拉克函数，为测量点的位置，为辐射源的位置。通过求解格林函数，并结合麦克斯韦方程可得：
根据坐标系转换方法，将磁场从球坐标系下转换到笛卡尔坐标系下，可以得到笛卡尔坐标系下的三维磁场与三维磁流源的关系式为：其中A表示的是磁流源与磁场的转换矩阵，x、y和z为在笛卡尔坐标系下的坐标位置，x
′
、y
′
和z
′
为在笛卡尔坐标系下的坐标位置，在笛卡尔坐标系下的坐标位置，在笛卡尔坐标系下的坐标位置，上式即完整描述了空间任意点处的电磁场与源之间的数学关系。3.根据权利要求1所述单层迭代算法(3)，其特征在于：所述单层迭代算法(3)根据测量磁场幅度来实现对完整磁场三维分量的重建。采用测点方位为栅格形式的磁场幅度数据作为单层迭代算法(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁海文，刘承鑫，吕建勋，王章玮，许海，周虎，臧宏，张祥东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：