[发明专利]一种确定电磁波传播特性的方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于多级修正洛伦兹模型确定电磁波传播特性的方法及系统。该方法包括：获取电磁波的电通量密度、电极化和电场强度；根据电通量密度、电极化和电场强度之间的本构关系采用辅助微分方程方法，得到电场强度与磁场强度计算公式；根据电场强度与磁场强度计算公式制定高效的色散媒质FLOD‑FDTD方案，得到色散媒质中的电场强度、磁场强度和电极化强度；根据电场强度、磁场强度和电极化强度，得到多级修正洛伦兹模型；将多级修正洛伦兹模型等效为不同色散模型，得到电磁波的传播特性。本发明能够高效、精确模拟复杂色散材料的电磁特性。

技术领域

本发明涉及电磁波传播特性研究领域，特别是涉及一种基于多级修正洛伦兹模型确定电磁波传播特性的方法及系统。

背景技术

色散媒质的电磁特性在隐身材料、生物电磁、探地雷达、人体医疗等领域有着广泛应用，且自然界的大多数电磁材料属于色散媒质，因此色散媒质有广阔的应用前景，其研究和应用价值也得到越来越多的关注。由于缺乏复杂材料结构和属性的解析求解方法，相关材料器件的建模和仿真主要依赖于采用离散化各种成分材料的空间构型的数值方法。其中，时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法以其计算简单、直观、易于实现且单次仿真可以模拟宽频的电磁响应等特点，被广泛应用于分析复杂媒质的电磁特性问题。然而，传统显式FDTD方法受Courant–Friedrichs–Lewytime(CFL)条件的限制，即空间网格尺寸会严格限制时间步长所允许取值的范围，特别是对于一些需要精细网格剖分的色散媒质结构，时间步长的取值范围将会进一步的缩减，这极大的影响了FDTD方法的数值计算效率。为了克服CFL条件的限制，一些无条件稳定的FDTD方法，如ADI-FDTD，LOD-FDTD方法被提出来，并成功应用于模拟电磁波与色散媒质的相互作用过程。由于时间步长不再受CLF条件的限制，在采用较大的时间步长的情况下，无条件稳定FDTD方法的仿真效率得以提高。LOD-FDTD方法的每一个子迭代步骤都可以有效的简化为局部的一维更新方程。因此，相较于ADI-FDTD方法，LOD-FDTD方法具有较高的计算效率。然而，这两种方法仍包含复杂的数值计算过程，特别是对于色散媒质的仿真，需要添加更多的辅助变量和其他时刻的电磁分量来处理复杂的频散介电函数，其计算过程的复杂度将进一步加大。最近，一种简单、有效的无条件稳定的Fundamental LOD-FDTD(FLOD-FDTD)方法被提出来用于数值离散麦克斯韦方程。虽然FLOD-FDTD方法与其他隐式方法(ADI-FDTD，LOD-FDTD)享有类似的数值特性，但该方法可实现右手边矩阵算子自由matrix-operator-free right-hand side(RHS)。因此，计算复杂度相较于传统隐式方法较低，具有较高的数值计算效率，同时也具有complying divergence的特性。然而，据所知，该方法并没有对色散媒质的仿真研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多级修正洛伦兹模型确定电磁波传播特性的方法及系统，能够高效、精确模拟复杂色散材料的电磁特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多级修正洛伦兹模型确定电磁波传播特性的方法包括：

获取电磁波的电通量密度、电极化和电场强度；

根据所述电通量密度、电极化和电场强度之间的本构关系采用辅助微分方程方法，得到电场强度与磁场强度计算公式；

根据所述电场强度与磁场强度计算公式制定高效的色散媒质FLOD-FDTD方案，得到色散媒质中的电场强度、磁场强度和电极化强度；

根据所述电场强度、磁场强度和电极化强度，得到多级修正洛伦兹模型；

将所述多级修正洛伦兹模型等效为不同色散模型，得到电磁波的传播特性。

可选地，所述根据所述电通量密度、电极化和电场强度之间的本构关系采用辅助微分方程方法，得到电场强度与磁场强度计算公式，具体包括：