[发明专利]电大物体电磁辐射和散射的计算机核外计算方法

说明书

技术领域：

本发明涉及电磁学技术领域，特别是一种电大物体电磁辐射和散射的计算机核外计算方法。

背景技术：

矩量法作为求解电磁场数值问题的经典方法，在计算电大物体电磁辐射和散射时，由于计算未知量的增多，需要处理大规模的稠密矩阵，从而耗费大量计算机物理内存。目前对电大物体电磁辐射和散射的计算，采用高、低频方法相结合的混合方法，减少了求解问题的未知量，但一致性几何绕射理论，其精度较低；利用多层快速多极子(MLFMA)加速迭代求解过程中的矩阵矢量相乘计算，MLFMA的运用，将计算量降为O(N log N)，存储量降为O(N)(其中N未知量个数)，提高了求解实际电大问题的能力。针对矩量法分析复杂平台天线特性计算量过大、耗时过长的问题，基于MPI并行环境，设计一种高效的适用于共轭梯度方法求解的棋盘状并行矩阵填充算法，加快了问题求解速度。采用并行时域有限差分(FDTD)方法分析电大平台天线辐射特性，避免了扫频带来的复杂度，减少了计算时间，但计算精度较矩量法低。

以上计算方法，或者通过改进算法来减少计算未知量，但降低了计算精度；或者通过并行计算来扩充内存，但都是基于物理内存的核内求解方法，计算机物理内存仍然有限。

发明内容：

本发明提出了一种电大物体电磁辐射和散射的计算机核外计算方法。该方法基于计算机核外技术，利用硬盘存储器代替内存储器存储数据，在计算电大物体电磁辐射和散射时解决了内存不足的问题且不损失计算精度。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种电大物体电磁辐射和散射核外计算方法，基于电磁场数值方法中的矩量法进行计算，包括以下基本步骤：

(1)根据物体表面上切向电场连续条件和理想导体边界条件，得到电场积分方程；

(2)对物体表面采用三角形剖分，物体表面未知电流采用RWG基函数展开；

(3)采用伽略金法，得到矩阵方程：ZI＝V，其中Z、I、V分别为阻抗矩阵、电流矩阵和电压矩阵，采用硬盘存储器分块存储阻抗矩阵Z；

(4)采用核外分块高斯消元求解矩阵方程ZI＝V，得到物体表面电流；

(5)由物体表面电流，计算出物体的电磁辐射、散射方向图。

步骤(3)中所述的采用硬盘存储器分块存储阻抗矩阵Z是指，存储阻抗矩阵Z的元素数据时，为避免单个数据文件过大，将矩阵按列进行分块，各块数据分别写入一个文件；把文件的空间分区成多个同样大小的模块，这些模块会自动按顺序编号，读写文件时，先赋值文件读写位置，然后进行读写；直接访问文件可以任意到文件的任何一个地方来读写。

步骤(4)中所述的采用核外分块高斯消元求解矩阵方程ZI＝V是指，首先将阻抗矩阵第一分块元素读入内存存储到数组Z(j，k)中，按列进行消元的同时，将各列最大主元行编号和乘积因子存储到数组Max(k)和Each_k(j，k)中，消元结束后写入硬盘，然后再对下一分块重复以上操作，直到最后一块处理完毕。

对于平台天线，物体表面未知电流采用RWG基函数展开，线上未知电流采用脉冲基函数展开，线面连接区域未知电流采用Costa基函数展开。

本发明的有益效果：

1、实现了利用硬盘代替内存的目的，解决了由于计算量大导致内存不足的问题；

2、采用按块集中读写，极大地的缩短了数据对硬盘操作的时间，从而提高了计算效率；

3、本发明方法计算结果与通常采用的核内方法计算结果完全吻合，说明没有损失任何计算精度；

4、在单台计算机上即可完成对电大平台天线辐射特性、电大目标散射特性的计算，节约了成本，且具有较高的计算效率。

附图说明：

图1为高斯消元过程示意图；

图2为分块高斯消元过程示意图，其中b1、b2、b3分别表示分块1、分块2、分块3，step1、step2、step3分别表示第1步、第2步、第3步；

图3为金属立方体模型剖分后示意图；

图4为金属立方体模型XOY面归一化散射方向图；

图5为车载平台天线模型示意图，其中a为单极子天线；

图6为车载平台天线归一化辐射方向图；

图7为简易导弹模型剖分后示意图；

图8为简易导弹模型XOZ面归一化散射方向图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一、理论分析

入射电场为根据物体表面上切向电场连续条件和理想导体边界条件，可得到电场积分方程(EFIE)：