103217-1第27卷第10期强激光与粒子束V o l .27,N o .10 2015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S O c t .,2015J E M S -F D T D 软件在运输机电磁特性仿真中的应用*鲍献丰1,2, 李瀚宇2,3, 周海京2,3(1.中物院高性能数值模拟软件中心,北京100088;2.中国工程物理研究院复杂电磁环境重点实验室,四川绵阳621900; 3.北京应用物理与计算数学研究所,北京100094) 摘 要: 复杂电磁环境的研究包括多方面内容,其中飞行器的电磁环境效应研究受到了较多的关注㊂随着计算机技术的飞速发展,利用数值模拟技术获得飞行器电磁特性已经成为飞行器电磁环境效应研究的一个重要手段㊂我们将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件J E M S -F D T D 应用于运输机整机电磁特性仿真,计算并分析了飞机的电磁耦合散射特性,获得了飞行器在电磁脉冲照射下的时域/频域㊁近场/远场等电磁信息㊂计算中为保证精度采用了非均匀以及高阶F D T D 计算技术㊂关键词: 数值模拟; 时域有限差分方法; 并行计算; 非均匀; 高阶方法中图分类号: T N 248.6 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103217随着电子信息技术的高速发展,复杂电磁环境对民用无线电通信及战场信息化装备产生了巨大影响㊂复杂电磁环境的研究包括多方面内容,其中飞行器的电磁环境效应研究受到了较多的关注[1-5]㊂在分析飞行器的电磁环境效应(如高强辐射场环境㊁雷电环境等)时,需要知道飞行器在辐射源照射时飞行器内㊁外的电磁近场分布或表面电流分布等电磁特性㊂获取目标电磁特性的途径主要有两种:实测和仿真计算[6-7]㊂实测结果虽然可信程度高,但费用高昂,而且受诸多实际条件的限制,很难得到完备的目标特性数据㊂伴随着计算机技术的飞速发展,计算机资源及其功能也越来越强大,使得对复杂的飞行器电磁特性分析通过计算机进行数值模拟成为可能㊂由于飞行器电尺寸一般较大,目前主流的数值分析方法主要是射线方法(几何光学㊁物理光学)㊁积分方程方法(如多层快速多极子)等频域算法㊂频域方法每次计算只能获得单个频点的响应,对于宽带问题处理能力较差㊂时域方法一次计算可以获得整个频带内的响应,但其计算资源消耗较大㊂J E M S -F D T D 是一款自主研发的通用三维时域全波电磁模拟并行应用软件,它基于J A S M I N 框架构建,具备大规模并行计算能力[8-10]㊂该软件强大的并行计算能力使得其可以在该类问题上得到较好的应用㊂相比目前商业软件一般只能计算频率在百MH z 量级以下的问题,J E M S -F D T D 的计算能力可以接近10G H z ㊂本文介绍了J E M S -F D T D 软件在运输机整机电磁特性仿真中的应用,计算并分析了飞机的电磁耦合散射特性,获得了运输机在电磁脉冲照射下的时域/频域㊁近场/远场等电磁信息㊂1 数值模拟方法J E M S -F D T D 软件使用经典的时域有限差分法(F D T D )[11]以及高阶F D T D [12-13]和非均匀F D T D [14]混合方法,在结构网格上求解M a x w e l l 方程组㊂J E M S -F D T D 软件主要针对典型的电大尺寸平台级电磁辐射㊁传输㊁耦合㊁散射等问题,通过精确建模及全波电磁模拟,获取时域近场和远场电磁信息㊂真实的平台级目标通常具有几何结构复杂㊁关键部件尺寸差别大㊁存在多种媒质等特点,经典F D T D 方法在全空间采用相同网格的方法大大增加了计算开销㊂J E M S -F D T D 软件具有非均匀网格剖分及计算功能,采用非均匀网格剖分可以更好地描述目标特性,保证重点区域高分辨率的同时,可以显著减少计算开销㊂非均匀F D T D 方法的电磁场分量空间排布沿用Y e e 元胞的电网格排列方式,即电场分量位于网格棱边中心,磁场分量位于网格面心㊂对于非均匀F D T D 方法中的电磁场递推,因为磁场总是位于网格中心,因此其递推公式同经典F D T D 方法㊂然而电场偏离了相邻磁场的中心位置,以z 分量为例,它的递推表达式应修正为E n +1z (i ,j ,k +1/2)=C A (m )E n z (i ,j ,k +1/2)+ C B (m )H n +1/2y (i +1/2,j ,k +1/2)-H n +1/2y (i -1/2,j ,k +1/2)h x éëêêi- H n +1/2x (i ,j +1/2,k +1/2)-H n +1/2x (i ,j -1/2,k +1/2)h y ùûúúj (1)*收稿日期:2015-05-27; 修订日期:2015-06-15基金项目:国家重点基础研究发展计划(2013C B 328904);国家自然科学基金项目(61431014);中国工程物理研究院复杂电磁环境重点实验室基金项目(2015E 01-1)作者简介:鲍献丰(1986 ),男,硕士,从事时域有限差分方法研究;b o b b a o 0925@163.c o m ㊂103217-2 式中:C A ,C B 等参数同经典F D T D 方法;h x i =(Δx i +Δx i -1)/2;h y j =(Δy j +Δy j -1)/2㊂当Δx i =Δx i -1,Δy j =Δy j-1时上式退化为经典F D T D 方法的电场递推公式㊂经典F D T D 方法由于采用中心差分格式,对于电大目标的仿真,具有数值色散特性差等缺点,J E M S -F D T D 软件具有高阶F D T D 计算功能㊂在时间上沿用中心差分格式,而在空间上采用高阶精度的离散格式,大大提升了对电大目标的计算精度㊂一阶偏导数2M 阶精度的近似中心差分公式∂f ∂x |x =x 0=1Δx ðM -1l =0α(l )[f (x 0+l +1/2)-f (x 0-l -1/2)](2)式中:α(l)为展开系数,常用的几阶系数如表1所示㊂表1 展开系数T a b l e 1 S t r e t c h i n g f a c t o r 2M α(0)α(1)α(2)α(3)2100049/8-1/2400675/64-25/3843/640081225/1024-245/307249/5120-5/7168 通常我们对时间差分采用2阶差分公式,对空间离散差分采用2M 阶差分公式,以E z 分量为例,高阶F D T D (2,2M )的差分公式如下E n +1z (i ,j ,k +1/2)=C A (m )E n z (i ,j ,k +1/2) +C B (m )ðM -1l =0α(l )H n +1/2y (i +l +1/2,j ,k +1/2)-H n +1/2y (i -l -1/2,j ,k +1/2)Δx éëêê- H n +1/2x (i ,j +l +1/2,k +1/2)-H n +1/2x (i ,j -l -1/2,k +1/2)Δùûúúy(3) 将相应系数代入差分公式可得相应场分量的迭代公式,其他分量类似得到㊂通过以上几种F D T D 方法的混合使用,J E M S -F D T D 软件具备了对真实电大复杂目标进行高精度时域全波电磁模拟的能力㊂2 运输机电磁特性仿真应用J E M S -F D T D 软件对运-8型运输机的电磁特性进行全波电磁模拟和分析㊂运-8飞机是我国在前苏联安-12军用战术运输机的基础上自行研制的运输机,也是目前我国最大的四发涡轮螺旋桨㊁中程中型多用途运输机[15]㊂该机可用于空降㊁空投㊁空运㊁抢险及救生等多种用途㊂至今,运-8系列飞机已发展到20余种专业机型,不仅装备了中国人民解放军陆㊁海㊁空三军部队,满足了国内邮政航空㊁民航市场的需求,而且还出口到海外多个国家,为我国国民经济的发展和国防建设做出了巨大贡献㊂运-8基型的机体为全金属半硬壳结构,采用平直梯形悬臂式上单翼,双梁箱式结构,低阻层流翼型㊂机身为全金属半硬壳式结构,分前㊁中㊁后㊁尾四段㊂前段前半部是驾驶舱,后半部为押运舱㊂有机玻璃机头罩便于领航员观察㊂机身整个前段为密封舱㊂中段为货舱,地板下有前㊁后副油箱舱㊂后段的前部是货舱大门,后部与尾翼相连㊂尾段也为密封舱㊂前三点起落架,有两个机轮㊂主起落架为四轮小车式,分左㊁右两组,各有4F i g .1 V i e wo fY -8m o d e l 图1 运-8模型示意图轮㊂动力装置四台涡轮螺旋桨发动机㊂运-8电子设备包括短波和超短波指挥电台㊁无线电罗盘㊁无线电高度表㊁航行雷达㊁多普勒雷达和自动驾驶仪等,这些设备确保了运-8在复杂气象条件下昼夜安全飞行[15]㊂运-8飞机模型几何尺寸为35m ˑ38m ˑ12m ,其C A D 模型如图1所示㊂计算采用的整机模型具有四段机身结构㊁有机玻璃机头罩㊁起落架㊁发动机等主要结构㊂入射脉冲为0.5~1.5G H z 平面脉冲电磁波,垂直极化,沿飞机头部正入射㊂根据上述参数,计算时采用5~强激光与粒子束103217-310mm 空间步长,网格数约300亿,计算的物理时间为245n s ,为保证计算精度采用了高阶F D T D 方法㊂在国产大型计算机上使用10800C P U 核完成计算㊂J E M S -F D T D 软件一次仿真可以获得时域/频域㊁近场/远场的所有电磁信息,包括全计算空间的瞬态电磁场分布㊁中心频率电磁场分布㊁电场最大值分布㊁监测点时域波形㊁双站雷达散射截面等㊂图2㊁图3为不同水平面和垂直面上的电场最大值分布㊂F i g .2 M a x i m u me l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o no nh o r i z o n t a l s l i c e s 图2水平面电场最大值分布F i g .3 M a x i m u me l e c t r i c f i e l dd i s t r i b u t i o no nv e r t i c a l s l i c e s 图3 垂直面电场最大值分布由计算结果可以看出:机身内部电场耦合较强的区域主要集中在飞机头部;电磁波由驾驶舱及领航室的玻璃结构进入机身,经过多次反射,形成强耦合区域;在各舱段之间由于舱门结构的存在,对电磁波起到了一定的遮挡作用㊂3 结 论本文中,我们介绍了J E M S -F D T D 软件在运-8整机电磁特性仿真中的应用㊂计算采用非均匀以及高阶F D T D 方法,在国产大型计算机上使用10800C P U 核实现了对运-8整机在电磁脉冲照射下的时域全波电磁模拟,网格规模达300亿㊂由于时域方法的特性,通过一次仿真可以获得时域/频域㊁近场/远场的所有电磁信息㊂对运-8整机的电磁特性仿真表明J E M S -F D T D 软件具备了对真实电大尺寸㊁复杂目标的时域全波模拟能力㊂这些计算结果可以为飞行器的电磁环境效应研究提供重要依据㊂参考文献:[1] 刘尚合,孙国至.复杂电磁环境内涵及效应分析[J ].装备指挥技术学院学报,2008,19(1):1-5.(L i u S h a n g h e ,S u nG u o z h i .A n a l y s i s o f t h e c o n c e p t a n de f f e c t s o f c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t .J o u r n a l o f t h eA c a d e m y o f E q u i p m e n tC o mm a n d &T e c h n o l o g y ,2008,19(1):1-5)[2] B r i a n dL ,M a n n y R.E x t r e m eE M C :T h e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s p r o g r a mf o r a d v a n c e d t a c t i c a l f i g h t e r [C ]//I E E EI n t e r n a -t i o n a l S y m p o s i u mo nE l e c t r o m a g n e t i cC o m p a t i b i l i t y.2006:208-212.[3] R a s e kGA ,G a b r i s a kM.W i r e b u n d l e c u r r e n t s f o r h i g h i n t e n s i t y r a d i a t e d f i e l d s (H I R F )a n d i n d i r e c t e f f e c t s o f l i g h t n i n g (I E L )w i t h f o c u s o n b u l k c u r r e n t i n j e c t i o n (B C I )t e s t [C 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J E M S-F D T D i n c o m p l i c a t e d e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t s t u d y.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l e B e a m s,2014,26:073213)[11] Y e eKS.N u m e r i c a l s o l u t i o n o f i n i t i a l b o u n d a r y v a l u e p r o b l e m s i n v o l v i n g M a x w e l l's e q u a t i o n s i n i s o t r o p i cm e d i a[J].I E E ET r a n s o nA n t e n-n a sP r o p a g a t i o n,1966,17(5):302-307.[12] H e s t h a v e n J S.H i g h-o r d e r a c c u r a t em e t h o d s i n t i m e-d o m a i n c o m p u t a t i o n a l e l e c t r o-m a g n e t i c s:Ar e v i e w[J].A d v a n c e s i n I m a g i n g a n dE-l e c t r o nP h y s i c s,2003,127:59-123[13] Z h a oS.H i g h-o r d e rF D T D m e t h o d s f o r t r a n s v e r s ee l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m s i nd i s p e r s i v e i n h o m o g e n e o u sm e d i a[J].O p tL e t t,2011,36(16):3245-3247.[14]J i a n g H,A r a iH.A n a l y s i so f c o m p u t a t i o ne r r o r i na n t 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dP h y s i c s a n dC o m p u t a t i o n a lM a t h e m a t i c s,B e i j i n g100094,C h i n a)A b s t r a c t: R e s e a r c ho n t h e e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t e f f e c t o f a i r c r a f t h a s r e c e i v e d a t t e n t i o n i n s t u d y o f c o m p l e x e l e c t r o-m a g n e t i c e n v i r o n m e n t.W i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y,u s i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t oo b t a i n t h e e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f v e h i c l eh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tm e a n s t os t u d y a i r c r a f t e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t e f f e c t s. T h i s p a p e r d e m o n s t r a t e dam a s s i v e l y p a r a l l e l3D f u l l-w a v e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s i m u l a t i o n p r o g r a ms o f t w a r e J E M S-F D T Da n d i t s a p p l i c a t i o n t o e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i o n o f a t r a n s p o r t p l a n e,a n d o b t a i n e d t h e e l e c t r o m a g n e t i c i n f o r m a t i o n i n p u l s e i r r a d i a t i o n,s u c ha s t h e t i m e a n d f r e q u e n c y d o m a i n,a n dn e a r f i e l d/f a r f i e l da n de l e c t r o m a g n e t i cd i s t r i b u t i o n.I no r d e r t oe n s u r e t h e a c c u r a c y o f t h e c a l c u l a t i o n,an o n-u n i f o r ma n dh i g ho r d e rF D T Dc o m p u t i n g t e c h n o l o g y w a su s e d.K e y w o r d s:n u m e r i c a l s i m u l a t i o n; F D T D;p a r a l l e l c o m p u t a t i o n;n o n-u n i f o r m;h i g ho r d e rm e t h o d sP A C S:02.70.B f;03.50.D e;41.20.-q103217-4。
