一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法、装置及相关组件

摘要

本发明公开了一种系统结合的ADI‑FDTD仿真方法、装置及相关组件，该方法包括：分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；设置对应的初始条件和边界条件；利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；获取初始化后的局部微结构，并进行细网格剖分；获取非均匀网格区域，对所述3D几何模型进行剖分重构；利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；通过系统结合的ADI‑FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量。本发明可以快速获取电磁散射的频域场信息，提高对局部微结构在较低频问题上的仿真精度。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波时域有限差分法技术领域，特别涉及一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法、装置及相关组件。

背景技术

当前，传统FDTD(时域有限差分法)迭代受到Courant-Friedrichs-Lewy(CFL，一种参数因子)条件的限制，虽然FDTD方法可以采用非均匀网格技术来增加局部区域的网格密度，从而提高了计算精度，但由于CFL上限的存在，在非均匀FDTD(NU-FDTD)方法中，对于精细网格区域的计算效率并没有显著提高，并且时间间隔的减小反而导致计算效率的明显下降。

为了克服CFL的限制，在1999年，交替方向隐式(ADI)格式得以应用并改进了传统FDTD方法，该方法全称为交替方向隐式FDTD(ADI-FDTD)方法。通过系统矩阵的迭代理论，2019年重新建立起一套系统结合的ADI-FDTD方法来进一步加速时域电磁计算的过程。为了更好地对时域计算电磁方法的深入发展和研究突破，如何在系统结合的ADI-FDTD方法上构建起对应的非均匀网格建模的仿真方法，从而实现在保证足够空间采样率的前提下，可以有效地求解局部微结构的三维电磁传播问题，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法、装置及相关组件，旨在提高对于三维电磁散射的仿真精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法，包括：

对待仿真材料分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；

基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；

基于所述3D几何模型设置对应的初始条件和边界条件；

结合所述初始条件和边界条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；

获取初始化后的局部微结构，并对所述局部微结构进行细网格剖分；

获取粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域，根据所述非均匀网格区域对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型；

利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；

通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。

第二方面，本发明实施例提供了一种系统结合的ADI-FDTD仿真装置，其包括：

模型建立单元，用于对待仿真材料分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；

属性赋予单元，用于基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；

条件设置单元，用于基于所述3D几何模型设置对应的初始条件和边界条件；

初始化单元，用于结合所述初始条件和边界条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；

第一剖分单元，用于获取初始化后的局部微结构，并对所述局部微结构进行细网格剖分；

第二剖分单元，用于获取粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域，根据所述非均匀网格区域对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型；

分布获取单元，用于利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；

仿真实现单元，用于通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的系统结合的ADI-FDTD仿真方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的系统结合的ADI-FDTD仿真方法。

本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法、装置及相关组件，该方法包括：对待仿真材料分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；基于所述3D几何模型设置对应的初始条件和边界条件；结合所述初始条件和边界条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；获取初始化后的局部微结构，并对所述局部微结构进行细网格剖分；获取粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域，根据所述非均匀网格区域对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型；利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。本发明实施例通过建立3D几何模型，并利用粗网格区域、细网格区域和非均匀网格区域对所述3D几何模型进行相应的处理，可以快速获取电磁散射的频域场信息，从而提高对局部微结构在较低频问题上的仿真精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法中非均匀网格区域的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法中平面电磁波的斜入射条件下的局部微结构模型图；

图3b为图3a所述的局部微结构模型图的非均匀网格剖分图；

图4a和图4b为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法中平面电磁波的斜入射条件下的局部微结构模型的频域电场强度E

图5为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真装置的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真方法的流程示意图，具体包括：步骤S101～S108。

S101、对待仿真材料分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；

S102、基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；

S103、基于所述3D几何模型设置对应的初始条件和边界条件；

S104、结合所述初始条件和边界条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；

S105、获取初始化后的局部微结构，并对所述局部微结构进行细网格剖分；

S106、获取粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域，根据所述非均匀网格区域对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型；

S107、利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；

S108、通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。

本实施例中，在对待仿真材料进行仿真时，首先确定待仿真材料的局部微结构，并对所述局部微结构构建电磁参数分布模型和3D几何模型，并赋予相应的电磁材料属性以及初始条件和边界条件。再结合图2，利用粗网格间隔对构建的3D几何模型的背景单元进行初始化，进而确定局部微结构的目标体，并对局部微结构的目标体实现细网格剖分。根据粗网格和细网格的过渡区域，即所述非均匀网格区域，构建非均匀网格建模的剖分方案，从而重构时域电磁计算中的3D几何模型。然后利用平面电磁波斜入射重构后的3D几何模型，通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一个时间步的时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。

本实施例可实现快速电磁散射的频域场信息，并且能够对局部微结构在较低频问题上进行精准仿真。

在一实施例中，所述电磁材料属性包括介电常数属性、电导率属性和磁导率属性。

本实施例中，在基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予电磁材料属性时，具体的，可以对3D几何模型赋予介电常数属性、磁导率属性和电导率属性等等。当然，为了丰富所述3D几何模型，还可以对其赋予更多的电磁参数分布模型，比如磁场强度和磁化率等等。

在一实施例中，所述步骤S103包括：

基于所述初始条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化剖分；

将所述边界条件作为剖分后的3D几何模型的计算截断边界。

本实施例中，所述初始条件用于在建立所述3D几何模型的过程，所述边界条件则是用于作为后续计算过程中的截断边界。

在一实施例中，所述步骤S106包括：

分别设置粗网格区域的网格间隔和细网格区域的网格间隔为Δw

设置非均匀网格区域的网格间隔为：Δw

其中，t为非均匀网格区域中的数字标符，L为随指数变化的基底，标量Δw

统计所述非均匀网格区域上的所有网格之和，并作为所述非均匀网格区域的长度L

按照下式对所述非均匀网格区域中的所有数据进行几何级数求和：

基于几何级数求和的计算结果，获取所述非均匀网格区域的基底L：

联合所述非均匀网格区域的长度L

基于所述非均匀网格区域的剖分数对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型。

本实施例中，为了避免几何建模中的数值突变，采用逐步平滑的方法实现粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域建模的过渡区。具体来说，根据所述粗网格区域的网格间隔Δw

在一实施例中，所述步骤S107包括：

将所述平面电磁波作为激励源，对剖分后的3D几何模型进行辐射计算；

所述平面电磁波在剖分后的3D几何模型产生电磁吸收和电磁散射现象，以此获取所述三维时间域电磁场量的分布情况。

本实施例中，在利用平面电磁波斜入射至剖分后的3D几何模型时，将所述平面电磁波作为激励源，对剖分后的3D几何模型进行辐射计算，平面电磁波电磁波在3D几何模型上会产生电磁吸收和电磁散射等现象，如此，便可以在进行辐射计算的过程中获得相应的三维时间域电磁场量的分布情况。

在一实施例中，所述步骤S108包括：

将离散化3D几何模型导入至系统结合的ADI-FDTD仿真方法的模拟计算过程；

利用所述模拟计算过程对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算。

本实施例中，根据所述非均匀网格区域对3D几何模型进行剖分重构后，得到的3D几何模型为离散化3D几何模型，将该离散化3D几何模型导入到ADI-FDTD的计算过程中，便可以直接利用模拟计算过程对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算。

在一实施例中，所述利用所述模拟计算过程对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算，包括：

设置离散化3D几何模型对应的三维空间下的非均匀网格区域为Δx(i)、Δy(j)、Δz(k)；

按照下式计算得到所述模拟计算过程的第n个时间步在三维空间中y轴方向上表示：

式中，E

按照下式计算得到三对角矩阵的参数：

利用所述三对角矩阵对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算。

本实施例中，系统结合的NU-ADI-FDTD(即非均匀的ADI-FDTD)方法的第n个时间步(从第n个时间步到第n+1/2个时间步)如上表示，而第n个时间步到第n+1个时间步(从第n+1/2个时间步到第n+1个时间步)可以如下表示：

式中，E

三对角矩阵参数为：

进一步的，第n+1/2个时间步到第n+1个时间步为：

式中，E

三对角矩阵参数为：

根据系统结合的NU-ADI-FDTD方法的迭代过程便可实现高效的时域电磁计算。

在一具体实施例中，结合图3a和图3b，图3a所示的具有多个立方体的局部微结构，其入射角θ

表1

另外，与传统NU-FDTD(非均匀有限差分时间域)方法相比，本发明实施例可以将最大频率f

表2

图5为本发明实施例提供的一种系统结合的ADI-FDTD仿真装置500的示意性框图，该装置500包括：

模型建立单元501，用于对待仿真材料分别建立局部微结构的电磁参数分布模型和3D几何模型；

属性赋予单元502，用于基于所述电磁参数分布模型对所述3D几何模型赋予对应的电磁材料属性；

条件设置单元503，用于基于所述3D几何模型设置对应的初始条件和边界条件；

初始化单元504，用于结合所述初始条件和边界条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化；

第一剖分单元505，用于获取初始化后的局部微结构，并对所述局部微结构进行细网格剖分；

第二剖分单元506，用于获取粗网格区域和细网格区域之间的非均匀网格区域，根据所述非均匀网格区域对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型；

分布获取单元507，用于利用平面电磁波斜入射至离散化3D几何模型，获取三维时间域电磁场量的分布情况；

仿真实现单元508，用于通过系统结合的ADI-FDTD方法的模拟计算，记录每一时间步的三维时间域电磁场量，并通过离散傅立叶变换得到频率域的电磁场量，实现仿真过程。

在一实施例中，所述电磁材料属性包括介电常数属性、电导率属性和磁导率属性。

在一实施例中，所述初始化单元504包括：

初始化剖分单元，用于基于所述初始条件，利用粗网格间隔对所述3D几何模型进行初始化剖分；

截断边界设置单元，用于将所述边界条件作为剖分后的3D几何模型的计算截断边界。

在一实施例中，所述第二剖分单元506包括：

第一网格间隔设置单元，用于分别设置粗网格区域的网格间隔和细网格区域的网格间隔为Δw

第一网格间隔设置单元，用于设置非均匀网格区域的网格间隔为：Δw

其中，t为非均匀网格区域中的数字标符，L为随指数变化的基底，标量Δw

网格统计单元，用于统计所述非均匀网格区域上的所有网格之和，并作为所述非均匀网格区域的长度L

求和单元，用于按照下式对所述非均匀网格区域中的所有数据进行几何级数求和：

基底获取单元，用于基于几何级数求和的计算结果，获取所述非均匀网格区域的基底L：

剖分数获取单元，用于联合所述非均匀网格区域的长度L

模型重构单元，用于基于所述非均匀网格区域的剖分数对所述3D几何模型进行剖分重构，从而建立得到离散化3D几何模型。

在一实施例中，所述分布获取单元507包括：

辐射计算单元，用于将所述平面电磁波作为激励源，对剖分后的3D几何模型进行辐射计算；

现象产生单元，用于所述平面电磁波在剖分后的3D几何模型产生电磁吸收和电磁散射现象，以此获取所述三维时间域电磁场量的分布情况。

在一实施例中，所述仿真实现单元508包括：

导入单元，用于将离散化3D几何模型导入至系统结合的ADI-FDTD仿真方法的模拟计算过程；

第一时域电磁散射计算，用于利用所述模拟计算过程对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算。

在一实施例中，所述第一时域电磁散射计算单元包括：

三维空间设置单元，用于设置离散化3D几何模型对应的三维空间下的非均匀网格区域为Δx(i)、Δy(j)、Δz(k)；

时间步计算单元，用于按照下式计算得到所述模拟计算过程的第n个时间步在三维空间中y轴方向上表示：

式中，E

参数计算单元，用于按照下式计算得到三对角矩阵的参数：

第二时域电磁散射计算单元，用于利用所述三对角矩阵对离散化3D几何模型进行时域电磁散射计算。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，可以包括存储器和处理器，存储器中存有计算机程序，处理器调用存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然计算机设备还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。