基于电磁数值计算的几何模型细小结构消除转化方法

摘要

本发明涉及基于电磁数值计算的几何模型细小结构消除转化方法，步骤如下：步骤101：将模型中信息读入内存；步骤102：设变量i＝0；步骤103：从内存中读取模型中的第一个面片；步骤104：计算出该面片的顶点数n；步骤106：将面片的四条边读出并按长度排序；步骤107：判断a是否小于m；步骤108：令j＝j+1；步骤109：对短边的处理；步骤110：j是否小于n；步骤111：获取次短边的信息；步骤112：i是否小于num1；步骤113：从内存中读取模型中的下一个面片；步骤114：处理折面以及天线；步骤115：从内存中读取第一个面片；步骤116：判断该面的顶点数n；步骤117：从模型中删除该面片；步骤118：令i＝i+1；步骤119：判断i是否小于num1；步骤120：从内存中读取模型中的下一个面片。

说明书

技术领域

本发明属于计算机载体模型建模领域，基于电磁数值计算的几何模型细小 结构消除转化方法。

背景技术

车载、机载、舰载、船载和星载通信系统均可归结为载体通信系统。载体 以运载工具不同可分为陆基的车体、空基的机体、海基的舰(船)体、天基的 星体，载体为电磁学上的金属导体，其上安装的天线有短波天线、超短波天线、 超高频天线、全球通天线、卫星天线、微波天线、集群车载天线、无线接入天 线等。载体天线通信系统在抗震救灾、抗洪抢险、突发事件应急以及军事指挥 和作战方面有着广泛的应用，已成为重要的民用和军用装备。

载体天线通信系统的载体上安装有少则几部天线，多则十几部天线，这些 天线分布在较狭小的空间，天线之间往往存在严重的邻道干扰、谐波干扰、互 调干扰等，载体结构和天线位置也严重影响天线间的隔离度及天线的方向图， 这些电磁兼容方面的问题轻者会影响系统的性能，重者会导致通信的中断。采 用电磁兼容仿真设计和预测分析软件是解决这些问题的有效途径，并能缩短产 品研发周期、降低产品成本、优化产品设计。电磁兼容仿真设计和预测分析软 件的核心是电磁数值计算以及为数值计算提供离散数据的网格划分。现阶段主 要的电磁数值计算方法为有限元法、时域有限差分法、矩量法等。有限元法和 时域有限差分法是体求解方法，而对于载体天线结构，由于高频电流的趋肤效 应，感应电流分布在载体金属的表层，采用基于表面电流技术的矩量法进行求 解，其适应性要好于有限元法和时域有限差分法，而且矩量法的计算结果精度 比较高、可求解复杂形状目标的电磁计算，并可与快速多极子方法、快速傅里 叶变换、波形渐进预估技术、时域方法、有限元方法等相结合，以解决高频计 算、电大尺寸目标计算、宽频带计算、非均匀介质计算等，因而它获得了越来 越广泛的应用，成为计算电磁学中最为重要的方法。

对于载体天线结构中的鞭天线而言，由于其天线较细，可认为电流只沿轴 线分布；载体可用封闭的金属导体面近似。在求解这类问题时，需要在导线上 建立电场积分方程，在载体面上建立磁场积分方程，且在天线与载体面相连接 的区域，其积分域包括直线段和导体面，也要通过建立电场和磁场混合积分方 程来求解。求解这些积分方程可得到天线上的线电流和载体面的面电流，进而 可计算出天线的隔离度以及电场分布。目前求解这些积分方程的数值方法主要 是矩量法。矩量法求解的前提是载体面的网格划分和天线的网格划分，天线的 网格划分简单易行，而载体面的网格划分由于载体结构的复杂往往不能得到理 想的结果。

对于单元形状为三角形的网格划分方法而言，在符合数值计算要求的前提 下，划分结果中狭长三角形要尽量少，因为狭长三角形会使数值计算的结果发 生畸变，使计算结果与实际相差很远。目前，已经有不少成熟的网格划分方法 可以自动调整网格单元的质量，使划分结果尽量理想。但是在某些情况下，如 当载体中出现一些细小结构时，划分结果中就会不可避免得出现狭长三角形， 从而严重地影响计算结果的准确性。

为了得到更好的网格划分结果，人们往往追求更完善的网格划分方法，而 很少会从模型简化的角度去解决问题。在电磁仿真中，载体模型的建立是为了 利用计算机得到与实际相符合的仿真结果，以解决实际问题，这样既可以缩短 工作时间，又可以节约成本。而为了得到更加符合实际的计算结果而一味地追 求模型的精细，不但不能达到本来的目的，还会使结果发生更大的偏差。因此， 我们可以在适当的范围内对载体模型进行简化，从而解决网格划分中出现狭长 三角形的问题。

目前对于三维网格模型的划分方法有很多种。论文“基于多边形顶点法矢 量网络模型简化算法”(中国图像图形学报，第七卷第六期，2002年6月， 601-605，作者：周石琳等)中提出了一种基于多边形顶点法矢量网络模型简化 算法；论文“基于特征的三维模型简化算法研究”(系统仿真学报，第19卷 第11期，2007年6月，2434-2414，作者：李建军等)提出了一种半边折叠算 法；论文“一种基于区域分割的几何模型简化方法”(计算机学报，第29卷第 10期，2006年10月，1834-1842，作者：全红艳等)提出了先对模型进行区域 划分，然后各个区域按照三角形数目的比例进行简化的方法；论文“基于三角 形网格模型简化的研究”(计算机工程与科学，第32卷第12期，2010年，69-72， 作者：闫涛等)设计了一种基于三角网格删除的简化算法；论文“基于相似性 的点模型简化算法”(浙江大学学报(工学版)，第43卷第3期，2009年3月， 448-454，作者：王仁芳等)提出了一种基于相似性的曲率自适应点模型简化算 法。这些方法都是对于三维网格模型的简化方法但是其初衷都是在保持原模型 形状的前提下尽量减少模型的数据量，即减少网格数。而对于用于电磁计算的 网格模型的简化方法还有待研究。

目前，还没有专门针对用于电磁计算的网格模型提出的成熟的模型简化方 法。在实际仿真中，研究人员多是根据经验，针对某个模型提出简化方案，这 要求仿真软件的使用者既要非常了解软件中数值计算的方法原理，又要熟悉软 件的建模方法，而且在待仿真的模型较多时，模型简化的工作量就会变得非常 大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的模型中存在细小结构所引起的问题，提 供一种基于电磁数值计算的几何模型细小结构消除转化方法，通过计算机对模 型进行简化处理。根据天线工作频率的大小，自动识别并简化细小结构，增加 仿真结果的准确性，从而减少工作量，节约时间。

本发明的目的是这样实现的：基于电磁数值计算的几何模型细小结构消除 转化方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤101：将模型中信息读入内存，并计算出模型中的面片数num1和天线 数num2；

步骤102：设变量i＝0；

步骤103：从内存中读取模型中的第一个面片；

步骤104：计算出该面片的顶点数n，并设变量j＝0；

步骤105：i＝i+1；

步骤106：将面片的四条边读出并按长度排序，获取最短边及其边长a；

步骤107：判断a是否小于m(m＝kλ)，如果a小于m则转到步骤108；如果 a大于或等于m则转到步骤112；

步骤108：令j＝j+1；

步骤109：对短边的处理；

步骤110：j是否小于n，如果是，则转到步骤111；如果不是，则转到步 骤112；

步骤111：获取次短边的信息及其边长a并转到步骤107；

步骤112：i是否小于num1，如果是，则转到步骤113，如果不是，则转到 步骤114；

步骤113：从内存中读取模型中的下一个面片，转到步骤104；

步骤114：处理折面以及天线；

步骤115：从内存中读取模型文件中的第一个面片并令i＝0；

步骤116：判断该面的顶点数n是否小于3，如果是，则转到步骤117；如 果不是，则转到步骤119；

步骤117：从模型中删除该面片；

步骤118：令i＝i+1；

步骤119：判断i是否小于num1，如果是，则转到步骤120；如果不是，算 法结束；

步骤120：从内存中读取模型中的下一个面片，返回步骤116。

所述的步骤109对短边的处理；包括如下步骤：

步骤201：读取该短边的两个端点A与B的信息；

步骤202：找到模型中点A的相关面片；

步骤203：将相关面中与A点重合的顶点坐标值修改为B点的坐标值，处理 短边结束。

所述的找到模型中点A的相关面片是对所有以点A为顶点的面片。

所述的步骤114处理折面以及天线包括如下步骤：

步骤301：从内存中读取模型中的第一个面片并设i＝0；

步骤302：判断该面的顶点数n是否为4，如果是，则转到步骤303；如果 不是，则转到步骤305；

步骤303：判断面片的四个顶点是否共面，如果共面，则转到步骤305；如 果不共面，则转到步骤304。假设面片的四个顶点分别为A、B、C、D，可以组 成三个向量和如果则可确定A、B、C、D四点共 面，而在实际计算中，由于计算机中储存的数据所保留的有效数字位数是有限 的，计算后的结果会有误差，因此本发明实际用的四点共面的判断公式为：

$-1.0\times {10}^{-6}\le \overrightarrow{\mathrm{AB}}·(\overrightarrow{\mathrm{AC}}\times \overrightarrow{\mathrm{AD}})\le 1.0\times {10}^{-6}$

步骤304：用较短的对角线将该面片划分为两个三角形；

步骤305：判断i是否小于num1，如果是，则转到步骤306；如果不是，则 转到步骤307；

步骤306：从内存中读取下一个面片，转到步骤302；

步骤307：从内存中读取模型中的第一根天线并设i＝0；

步骤308：令i＝i+1；

步骤309：判断该天线是否落点在模型的表面上，如果是，则转到步骤313； 如果不是，则转到步骤310；

步骤310：找到与该天线所在直线相交且与其落点距离最近的面；

步骤311：将该天线所在直线与该面求交，求得的交点即为天线的新落点；

步骤312：新的落点与原来的落点相比坐标的增量为Δ，则天线原来的顶点 坐标加上Δ即为该天线新的顶点坐标；

步骤313：判断i是否小于num2，如果是，转到步骤314；如果不是，则对 折面以及天线的处理结束；

步骤314：从内存中读取下一根天线的信息，转到步骤308。

本发明对表面模型的细小结构进行简化处理，从而得到便于进行电磁计算 的模型，有如下优点：

(1)本发明对载体模型中的细小结构进行了简化处理，使对其进行网格划 分的结果更加理想，使电磁计算的结果更加准确；

(2)本发明对载体模型中细小结构的识别以及简化处理都是由程序自动完 成的，提高了工作的效率以及准确性。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是本发明处理短边的流程图；

图3是本发明处理折面及天线的流程图；

图4是本发明模拟的载体模型示例图；

图5是经过本发明简化后的载体模型示意图。

具体实施方式

本发明重点研究载体模型中细小结构的简化处理。本发明对载体模型的要 求是：载体模型必须为表面封闭的几何体，其表面由顶点对顶点的三角形或四 边形平面片围成，且三角形和四边形平面片的顶点顺序为逆时针方向。

以下结合附图对本发明的模型简化方法作进一步详细描述：

参照图1，本发明的模型简化包括如下步骤：

步骤101：将模型中信息读入内存，并计算出模型中的面片数num1和天线 数num2；

步骤102：设变量i＝0；

步骤103：从内存中读取模型中的第一个面片；

步骤104：计算出该面片的顶点数n，并设变量j＝0；

步骤105：i＝i+1；

步骤106：将面片的四条边读出并按长度排序，获取最短边及其边长a；

步骤107：判断a是否小于m(m＝kλ)，如果a小于m则转到步骤108；如果 a大于或等于m则转到步骤112；

步骤108：令j＝j+1；

步骤109：对短边的处理，参照图2，对短边的处理包括如下步骤：

步骤201：读取该短边的两个端点A与B的信息；

步骤202：找到模型中点A的相关面片(即所有以点A为顶点的面片)；

步骤203：将相关面中与A点重合的顶点坐标值修改为B点的坐标值，处理 短边结束。

步骤110：j是否小于n，如果是，则转到步骤111；如果不是，则转到步 骤112；

步骤111：获取次短边的信息及其边长a并转到步骤107；

步骤112：i是否小于num1，如果是，则转到步骤113，如果不是，则转到 步骤114；

步骤113：从内存中读取模型中的下一个面片，转到步骤104；

步骤114：处理折面以及天线，参照图3，处理折面以及天线包括如下步骤：

步骤301：从内存中读取模型中的第一个面片并设i＝0；

步骤302：判断该面的顶点数n是否为4，如果是，则转到步骤303；如果 不是，则转到步骤305；

步骤303：判断面片的四个顶点是否共面，如果共面，则转到步骤305；如 果不共面，则转到步骤304。假设面片的四个顶点分别为A、B、C、D，可以组 成三个向量和如果则可确定A、B、C、D四点共 面，而在实际计算中，由于计算机中储存的数据所保留的有效数字位数是有限 的，计算后的结果会有误差，因此本发明实际用的四点共面的判断公式为

$-1.0\times {10}^{-6}\le \overrightarrow{\mathrm{AB}}·(\overrightarrow{\mathrm{AC}}\times \overrightarrow{\mathrm{AD}})\le 1.0\times {10}^{-6}$

步骤304：用较短的对角线将该面片划分为两个三角形；

步骤305：判断i是否小于num1，如果是，则转到步骤306；如果不是，则 转到步骤307；

步骤306：从内存中读取下一个面片，转到步骤302；

步骤307：从内存中读取模型中的第一根天线并设i＝0；

步骤308：令i＝i+1；

步骤309：判断该天线是否落点在模型的表面上，如果是，则转到步骤313； 如果不是，则转到步骤310；

步骤310：找到与该天线所在直线相交且与其落点距离最近的面；

步骤311：将该天线所在直线与该面求交，求得的交点即为天线的新落点；

步骤312：新的落点与原来的落点相比坐标的增量为Δ，则天线原来的顶点 坐标加上Δ即为该天线新的顶点坐标；

步骤313：判断i是否小于num2，如果是，转到步骤314；如果不是，则对 折面以及天线的处理结束；

步骤314：从内存中读取下一根天线的信息，转到步骤308。

步骤115：从内存中读取模型文件中的第一个面片并令i＝0；

步骤116：判断该面的顶点数n是否小于3，如果是，则转到步骤117，如 果不是，则转到步骤119；

步骤117：从模型中删除该面片；

步骤118：令i＝i+1；

步骤119：判断i是否小于num1，如果是，则转到步骤120；如果不是，算 法结束；

步骤120：从内存中读取模型中的下一个面片，返回步骤116。

经过以上步骤对于拥有细小结构的载体模型的简化就完成了。

仿真实例

利用本发明对图4所示的载体模型进行简化处理，该模型包含两根天线， 结构a与结构b为两处细小结构。

在天线发射频率为100MHz即波长λ＝3米的条件下对该模型进行简化处理， 此时kλ为0.017379米。当读取到面片1时(如图4中结构a所示)，判断最短 边为边AB，长度为0.010米，小于kλ，因此要对其进行处理；首先找到A点的 相关面片，即面片1、面片2、面片3和面片4，将这四个面片上与A点坐标相 同的顶点的坐标值改为与B点相同，该边的处理结束；找到面片1的次短边即 边CD，其长度为0.010米，也小于kλ，应做同样的处理，而剩下的两个边长度 大于kλ，该面片处理结束；对于结构b处的细小结构做同样处理；然后判断模 型中是否有折面以及落点不在模型表面上的天线，发现天线I落点不在模型表 面，按照算法将其下移到模型表面；最后判断模型中是否有n＜3的面片，并将 其删除，简化结束。

图5为简化处理后的模型，可以看出两处细小结构都经过了处理，符合要 求。