一種粒子發射模擬的電磁求解方法

2023-05-12 13:06:26

專利名稱：一種粒子發射模擬的電磁求解方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁求解方法，特別是一種通過模擬發射電磁粒子進行電磁分布態勢計算的方法，用於大範圍區域的電磁計算求解及電磁態勢可視化。
背景技術：
不論是在軍事領域，還是民用領域，電磁都發揮著重大的作用，對於大範圍區域， 利用專門的設備進行接收或探測將是一個浩大的不可能實現的工程，因此通過計算的手段將電磁的分布態勢計算出來具有重大意義。射線跟蹤方法(Ray Tracing)是一種比較常見的電磁計算方法，射線跟蹤方法分為正向跟蹤與反向跟蹤兩種。正向跟蹤是指射線跟蹤由發射源出發，向周圍空間等角度間隔發射出大量的射線，然後跟蹤每一條射線的直射、反射和繞射，並在待測點處用接收球判定到達的射線，將這些射線進行疊加，從而得到該點處的電磁場強度。但是接收球的定義可能會帶來較大的誤差，定義小了會漏掉應該統計的射線，定義大了會造成過大估計，這樣造成了正向算法預測的可靠性低。反向跟蹤與正向跟蹤相似，區別在於反向跟蹤從待測點發出射線，然後測得到達發射源的射線，根據傳播路徑的可逆性得知發射源到達待測點的射線。反向跟蹤算法比正向跟蹤算法精確度高，可是正向算法根據一次發射的射線束就可計算出整個空間中的態勢分布，反向算法一次只能算出一點的情況，因此反向跟蹤算法計算量較大。在三維可視化中，常使用粒子方法來模擬一些雲、霧、火焰等模糊現象，通過大量粒子的運動變化來實現逼真的視覺效果。本文結合粒子方法對正向射線跟蹤方法進行改進，構建電磁粒子模型，計算電磁在空間的分布態勢。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術中由於定義接受球導致的預測誤差大的不足，提供一種粒子發射模擬的電磁求解方法，該方法通過模擬發射電磁粒子進行電磁分布態勢計算。不僅在進行電磁態勢可視化時，可以根據粒子的位置屬性直接對其進行繪製渲染得出電磁分布態勢，而且粒子的運動與電磁空間衰減的擴散一致，粒子運動導致的疏密程度的變化本身就表徵了擴散導致的電磁場強度的變化，因此省去了電磁擴散因子的計笪
o本發明的技術解決方案為一種粒子發射模擬的電磁求解方法，其特徵在於通過模擬發射電磁粒子進行電磁分布態勢計算，其具體步驟如下步驟a :從發射源處發射粒子，初始化每個粒子的初始狀態，將發射的新粒子加入到粒子列表中；步驟b :更新粒子列表中粒子的下一時刻的屬性；步驟c :判斷粒子是否位於地面以下，若位於地面下，說明應該經過反射或繞射， 根據粒子是否位於地形尖劈邊緣附近判斷是繞射還是反射；
步驟d :若粒子應該進行反射，根據電磁波的反射定律更正此粒子的實際位置，並根據反射係數來求得粒子的反射消亡概率，通過此概率判定粒子是否消亡；若粒子應該進行繞射，同反射類似，根據電磁波的繞射定律更正此粒子的實際位置，並根據繞射係數來求得粒子的繞射消亡概率，通過此概率判定粒子是否消亡；步驟e :判斷粒子是否位於邊界區域外，剔除邊界外粒子，剔除反射和繞射中消亡的粒子；步驟f:若列表中的粒子數目未到達穩定，即計算的空間區域內粒子還未達到平衡狀態，重複步驟a至e ;步驟g:若列表中的粒子數目到達穩定，將空間區域進行網格劃分，統計每個網格內的粒子數目，並輸出到文件中。本發明的原理是通過模擬發射的電磁粒子進行電磁分布態勢計算，用場源處間隔發射的粒子來模擬電磁傳播，粒子的疏密程度表示電磁能量，粒子的反射、繞射遵循電磁波的反射與繞射定律，根據反射係數和繞射係數計算粒子的消亡概率，刪除消亡的粒子，使粒子在空間的疏密分布符合電磁場強度的分布規律。本發明與現有技術相比的優點在於本發明使用粒子代替射線來跟蹤算法中的射線，每個粒子代表的能量是一定的，粒子運動與空間衰減的擴散一致，因此粒子運動本身就表徵了擴散導致的電磁場強度的變化。現有的正向射線跟蹤算法採用接收球的方法，定義接收球半徑，統計疊加進入接收球的射線，接收球的定義可能會帶來較大的誤差。假設無限大的自由空間中，只考慮直射的情況，接收球半徑等於兩條射線在該點附近的間距，一個接收球只能接收到一條射線，若接收球半徑略大於此間距，可能出現一個接收球接收到兩條射線的情況，若略小於此間距，又可能出現某接收球未接收到射線的情況，誤差會很大。如果宏觀觀察電磁態勢，可直接使用粒子系統，以粒子進行渲染模擬實現可視化；如果需要精確求得電磁能量，可根據需要的解析度對整個空間進行劃分，統計每個網格內的粒子數量， 除以該網格的體積，即可得出該點的電磁坡印廷矢量平均值。而且此方法計算可並行度很高，可以大大提高計算速度，並且特別適用於在計算同時繪製渲染，進行電磁態勢可視化觀察。


圖I為本發明使用的粒子發射模擬的電磁求解方法流程圖；圖2為粒子運動時根據粒子間距離求解粒子速度的示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明的具體實施方法如下I、從發射源發射粒子，將發射的新粒子加入到粒子列表中。粒子在各個方向的發射密度主要取決於天線的方向圖因子/⑷,的，6和0為球坐標系中點的角度坐標分量。以發射源為頂點，向各個方向進行空間等間隔切分，給定0的取樣間隔A 0，爐的取樣間隔Ap，一般來說AS = 。切分後的各角度為9 j = i A 9 i = 1,2, 3... int (Ji / A 9 )(I)
權利要求
1.一種粒子發射模擬的電磁求解方法，其特徵在於包括以下步驟步驟a :從發射源處發射粒子，初始化每個粒子的初始狀態，將發射的新粒子加入到粒子列表中；步驟b :更新粒子列表中粒子的下一時刻的屬性；步驟c :判斷粒子是否位於地面以下，若位於地面下，說明應該經過反射或繞射，根據粒子是否位於地形尖劈邊緣附近判斷是繞射還是反射；步驟d :若粒子應該進行反射，根據電磁波的反射定律更正此粒子的實際位置，並根據反射係數來求得粒子的反射消亡概率，通過此概率判定粒子是否消亡；若粒子應該進行繞射，同反射類似，根據電磁波的繞射定律更正此粒子的實際位置，並根據繞射係數來求得粒子的繞射消亡概率，通過此概率判定粒子是否消亡；步驟e :判斷粒子是否位於邊界區域外，剔除邊界外粒子，剔除反射和繞射中消亡的粒子;步驟f :若列表中的粒子數目未到達穩定，即計算的空間區域內粒子還未達到平衡狀態,重複步驟a至e ；步驟g:若列表中的粒子數目到達穩定，將空間區域進行網格劃分，統計每個網格內的粒子數目，並輸出到文件中。
2.根據權利要求I所述的粒子發射模擬的電磁求解方法，其特徵在於所述的步驟a 中，粒子發射的初始位置定義為Am)，其中R0為定義的粒子發射的初始位置與場源的距離，為定值，假定場源位於原點+亨 P = W-TiiCDu年*⑵2 Tlj為以發射源為頂點向各個方向進行空間等間隔切分後的角度，給定e的取樣間隔A 0，爐的取樣間隔A爐，其中A沒=A爐9j = i A 9 i = l,2,3... int (Ji / A 9 )(3)(Pj = jAg) 7 = 1,2,3 int(2^- / Ag))(4)i與j均為正整數，int (Ji/A 0 )表示對Ji / A 0取整數；IVij 為定義在{矽，爐)|#+ A0/2],(p Gicpj -Acp/2,(Pj +A爐/2]}範圍內一次發射的粒子數；叫與rij均為正整數，riin-表示Iii與rij的乘積；n「-歷 N'(5)DUj=m^N2(6)N1N2為給定的此範圍內一次發射的粒子數最大值，N1N2為N1與N2的乘積，N1與N2均為給定常數，若M = #，則N1 = N2，並且Iii = n」，/隊妁為球坐標系中隨0和小角度變化的函數，被稱為天線的方向圖因子，/max@，妁為函數最大值。
3.根據權利要求I所述的粒子發射模擬的電磁求解方法，其特徵在於所述的步驟b中，對粒子的速度!>更新具體模型如下離散的粒子運動速度為
4.根據權利要求I所述的粒子發射模擬的電磁求解方法，其特徵在於所述的步驟d 中，反射或繞射後一部分粒子產生消亡，等價於發生反射或繞射存活下來的粒子的相鄰粒子發射間隔角度發生改變，更改後的粒子發射間隔S'為5' = S R(9)或6r = 8D(10)6為更改前相鄰粒子發射間隔角度，R為電磁波的反射係數，D為繞射係數。
全文摘要
本發明涉及一種粒子發射模擬的電磁求解方法，將電磁傳播用粒子的運動來模擬，粒子的疏密程度表示電磁能量。每個粒子具有位置、速度、移動總距離、間隔角度、壽命、是否死亡等屬性，粒子遵循電磁的反射與繞射定律。這樣，對粒子繪製渲染就可實現可視化；也可根據需要的解析度對空間進行劃分，統計網格內的粒子數量，求解出該點的電磁能量；另外粒子運動表徵了輻射的擴散，省去了擴散因子的計算。本發明具有精度高、方法簡便直觀、可並行度高的特點，可應用於各種電磁計算求解及可視化系統。
文檔編號G01R29/08GK102608437SQ20121010501
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者任磊, 張霖, 穆蘭, 陶飛 申請人:北京航空航天大學