專利名稱：一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，即以電磁傳播與偏微分方程求解等技術(shù)為支撐，以解決復雜電磁環(huán)境仿真問題，例如雷達預警、體系對抗、無線通信網(wǎng)絡優(yōu)化、GPS定位等方面的需求為目的的新的電磁環(huán)境仿真計算系統(tǒng)，屬于計算機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電子設備的廣泛應用，電磁環(huán)境仿真技術(shù)日益得到重視。電磁環(huán)境仿真對于多基地體制雷達研究、電子對抗、導航制導系統(tǒng)可靠性分析、移動通信網(wǎng)絡合理規(guī)劃和優(yōu)化、微波中繼站選址、電子設備的電磁環(huán)境效應分析、電磁輻射污染監(jiān)測等具有重要意義。如何快速、準確地仿真大區(qū)域復雜電磁環(huán)境已經(jīng)成為當前研究的熱點之一。對于電磁環(huán)境仿真計算，目前人們已提出了多種方法，如基于實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的經(jīng)驗方法、確定性模型方法等，但是當涉及到大范圍的復雜電磁環(huán)境計算時，在現(xiàn)有的計算機發(fā)展水平下，拋物方程方法較其它確定性方法能獲得更好的計算結(jié)果。拋物方程(Parabolic Equation,以下簡稱PE)方法是近年來得到廣泛關(guān)注的電磁計算方法之一,相比其他諸多電磁計算方法，PE方法在遠距離大范圍的對流層電波傳播特性預測和電大尺寸目標的RCS計算上顯示了其它方法所不具備的獨特性能PE本身體現(xiàn)了電波折射與繞射效應，不用再計算電波傳播過程中各種傳播機制的區(qū)域與繁瑣的判據(jù)；對復雜地形與不均勻大氣折射特性的處理簡潔而精確，計算大區(qū)域場強衰減特性時，與其他方法相比計算精度高并且速度快。從目前國內(nèi)外相關(guān)研究來看，基于二維標量PE方法的相關(guān)研究與應用已日趨成熟，三維拋物方程方法的理論研究和應用在電磁場計算精度要求較高的情況下需求迫切。作為大范圍電磁環(huán)境三維仿真的有效方法之一，三維PE方法的計算時空復雜度仍然很大。結(jié)合對計算電磁學有著巨大推動作用的高性能計算技術(shù)，建立具有更高并行度的高效電磁仿真模型，研究仿真過程中的并行計算算法，是提高仿真計算效率的行之有效方法。但是，在處理復雜電磁環(huán)境仿真時，由于需要一些復雜的海量數(shù)據(jù)存儲，初始場的計算，復雜地形和大氣結(jié)構(gòu)的處理等操作，并行計算很難獲得較好的效果。針對三維拋物方程模型大區(qū)域仿真的計算時間復雜度不可接受的問題，尋找一種復雜度較低的三維復雜電磁環(huán)境仿真的方法變得越來越迫切，我們引入了準三維拋物方程并行仿真方法，該方法將三維空間劃分成互不相關(guān)的二維切片，然后采用粗粒度的并行計算快速完成了計算。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對三維電磁環(huán)境仿真方法效率低、計算范圍小等問題，提供了一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，由于采用的切片法能將復雜的三維計算問題簡化成二維計算問題，使計算復雜度大大降低，計算范圍有了更大程度的擴展，同時由于引入了并行計算，使計算過程的效率大大提高，最終獲得的數(shù)據(jù)精度能很好的滿足實際運用的需求。本發(fā)明提出一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，解決了諸如雷達預警、體系對抗、無線通信網(wǎng)絡優(yōu)化、GPS定位等復雜環(huán)境中電磁場三維分布方面的需求。本方法的基本思想是將三維空間剖分成一個個單獨的二維剖面的方法，并利用二維拋物方程法進行剖面內(nèi)的電磁傳播仿真。準三維方法是以發(fā)射機為圓心，按一定角度將三維空間剖分成一個個單獨的二維剖面，并利用二維拋物方程法進行剖面內(nèi)的電磁傳播仿真。從準三維法仿真模型的結(jié)構(gòu)上來看，各計算過程中各剖面之間沒有耦合，假設并行機的計算能力無限，每個剖面都有一個處理器和相應獨占的內(nèi)存來計算，那么理論上準三維剖面中的每個剖面都可以同時在一定時間內(nèi)完成求解計算，所以其理想情況下的并行加速比為處理器的個數(shù)，也就是并行效率100%。該系統(tǒng)主要包括四個步驟選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分步驟，從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場步驟，對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分步驟，粗粒度并行方法對各切片計算過程進行加速步驟。

選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分步驟是指把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行近似運算。由于直接進行三維計算時的計算量太大，采用二維切片方法進行近似計算可以大量減少計算量，并不會損失太多精度。其具體實現(xiàn)過程如下所示①二維切片剖分方法就是按一定角度將三維空間剖分成一個個單獨的二維剖面的方法切片角度的獲取方法是指用已知仿真精度和每個切片的半徑的比值可以很方便的得到切片間的角度；從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場步驟當切片的剖分完成后，首先需要根據(jù)天線理論從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建了準三維方法的初始場，其初始場是各剖面上啟動二維拋物方程計算所需的初始場，剖分依據(jù)的是自由空間中的場分量的遠場方向圖，其等效性僅限于三維標量拋物方程法和二維拋物方程法之間。在實現(xiàn)上，對傅里葉變換式可以先按采樣定理進行離散化，然后采用快速傅里葉變換進行數(shù)值求解，獲得離散的初始場；對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分步驟準三維方法的初始場剖分完成后，就需要開始計算電磁在復雜環(huán)境中的傳播，這時首先考慮到不規(guī)則的地形、多樣的地貌因素對電磁傳播的影響，依然按照剖分方位角從二維的數(shù)字地圖描述的地形表面中采用合適的算法抽取出一維的地形起伏線，得到的每條地形起伏線即是二維仿真剖面中的下邊界；其次，在抽取地形起伏線時，需要考慮切片過程中每個切片的地形剖面的插值方法。為了在拋物方程法仿真中能隨意抽取地圖中的地形剖面，采用分塊內(nèi)插法中簡單而又有效的雙線性插值算法來計算數(shù)字地圖中非節(jié)點處的高程值。最后，還需要考慮電磁波在空中傳播會產(chǎn)生大氣折射效應，針對對流層大氣的大致球面分層特點，準三維方法將三維剖分成二維，即利用折射率在高度上的變化率是水平面上變化率的I至3個量級的特點，將大氣折射率n(x，y, z)剖分近似成n(x，z)。在進行二維計算時采用三段模式，這是一種精確的平均模式，是經(jīng)過對不同高度上的大氣結(jié)構(gòu)進行大量測量后所獲得的統(tǒng)計結(jié)果，一般在所有高度上都能與實測平均值吻合得很好。粗粒度并行方法對各切片計算過程進行加速步驟為了加速上述所有切片的計算，這個步驟主要是將劃分好的二維切片按照一定的規(guī)則映射到集群的節(jié)點上，在每個節(jié)點內(nèi)部完成各個切片的初始場、邊界條件、不規(guī)則大氣和地形、三對角方程的求解等。由于每個切片的計算量差別不大，所以每個切片與機群中的節(jié)點進行簡單的一對一的映射，這樣大大減少了算法的總的執(zhí)行時間。本發(fā)明的優(yōu)點I.把三維電磁環(huán)境空間進行了二維劃分，從而避開了直接進行三維計算時的高復雜度的計算。2.由于劃分后的切片之間相互獨立，采用粗粒的并行方法能獲得較好的加速比。


圖I切片方法實現(xiàn)的基本模塊組織圖；
圖2準三維切片方法示意圖；圖3初始場的剖分示意圖；圖4地形的剖分示意圖；圖OTEM地圖上雙線性插值法抽取的不規(guī)則地形；圖6并行計算結(jié)構(gòu)示意圖；圖7某個切片上的電磁衰減值示意圖；圖8準三維方法的三維可視化效果圖；圖9準三維方法的并行時間和加速比示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。本發(fā)明是一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，如圖I所示。主要包括四個步驟選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分步驟，從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場步驟，對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分步驟，粗粒度并行方法對各切片計算過程進行加速步驟。(I)選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分步驟由于直接進行三維計算時的計算量太大，采用二維切片方法進行近似計算可以大量減少計算量，并不會損失太多精度，這就稱之為準三維方法。這種方法將三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行近似運算的方法，較直接三維電磁計算過程中的復雜度大大降低。其具體的切片方法如下所示①將三維空間進行二維切片的步驟。對于大范圍的電磁環(huán)境仿真，三維拋物方程法目前仍存在著處理邊界條件和三維大氣結(jié)構(gòu)復雜，計算量大，仿真時間過長的問題。而二維拋物方程法卻能高效地預測仿真在對流層大氣二維空間面內(nèi)的電磁傳播問題。切片法是將三維電磁傳播空間以發(fā)射機為軸心，按照一定的角度剖分成一個個的二維面，在每個面內(nèi)再用二維拋物方程法來并行計算電磁傳播，得到組合的三維仿真可視效果，其切片方法如圖2所示。這樣通過近似，避免了三維拋物方程方法中的復雜運算，通過二維拋物方程法的計算，將大大提高仿真效率。同時，在實現(xiàn)中采用并行計算技術(shù)，將可以方便的得到其并行化實現(xiàn)，獲得高并行效率，支持大區(qū)域仿真。②需要根據(jù)最終的仿真精度來確定切片間的角度。在準三維方法中，仿真精度體現(xiàn)在兩切片在離發(fā)射機最遠時的對應網(wǎng)格的距離，這個距離可以用發(fā)射角度和發(fā)射半徑的乘積表示，用這種方法可以很容易的得到相鄰兩切片間的角度。在已知仿真精度h和每個切片的半徑r的情況下，切片間的角度a可以用以下公式獲得a = h/r。(2)從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場步驟首先拋物方程法的一般求解過程是步進迭代過程，對場源建模相當于獲得迭代計算的初始場值問題，根據(jù)天線理論從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建了準三維方法的初始場。對于準三維方法，其初始場是各剖面上啟動二維拋物方程計算所需的初始場，剖分方法如圖3所示，天線方向圖是角度0和O的二維函數(shù)，從三維標量拋物方程出發(fā)，通過三維的天線方向圖等效出各個輻射角度上的二維輻射初始場。因為上述剖分依據(jù)的是自由空間中的場分量的遠場方向圖，其等效性僅限于三維標量拋物方程法和二維拋物方程法之間，即在實際傳播環(huán)境中應用時，準三維法忽略了極化效應和各分量的耦合。在實現(xiàn)上，對傅里葉變換式可以先按采樣定理進行離散化，然后采用快速傅里葉變換進行數(shù)值求解，獲得離散的初始場。(3)對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分步驟這個過程主要考慮的是復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的剖分過程。具體如下所示①地理環(huán)境建模主要應該考慮到不規(guī)則的地形、多樣的地貌因素對電磁傳播的影響，尤其是不規(guī)則的地形起伏對于電波的反射、繞射等傳播機制有重要影響。經(jīng)過對場源方向圖的剖分，依據(jù)準三維方法，依然按照剖分方位角從二維的數(shù)字地圖描述的地形表面中采用合適的算法抽取出一維的地形起伏線，如圖4所示，每條地形起伏線即是二維仿真剖面中的下邊界?？紤]切片過程中每個切片的插值方法，雖然讀取數(shù)字地圖數(shù)據(jù)的商業(yè)軟件已有很多，但為了在拋物方程法仿真中能隨意抽取地圖中的地形剖面，本文在對USGS DEM數(shù)據(jù)存儲格式的分析基礎(chǔ)上，編制了數(shù)據(jù)抽取程序。按內(nèi)插點的分布范圍，可將常用的內(nèi)插算法分為整體內(nèi)插，分塊內(nèi)插和逐點內(nèi)插三類，這里采用分塊內(nèi)插法中簡單而又有效的雙線性插值算法來計算數(shù)字地圖中非節(jié)點處的高程值，其差值方法如圖5所示。②電磁波在空中傳播會產(chǎn)生大氣結(jié)構(gòu)剖分方法。目前三維拋物方程法仍無法有效處理三維大氣結(jié)構(gòu)。針對對流層大氣的大致球面分層特點，準三維方法將三維剖分成二維，即利用折射率在高度上的變化率是水平面上變化率的I至3個量級的特點，將折射率n(x, y, z)剖分近似成n(x, z),其中x, y, z表示三維空間中的坐標。三段模式是一種精確的平均模式，是經(jīng)過對不同高度上的大氣結(jié)構(gòu)進行大量測量后所獲得的統(tǒng)計結(jié)果，一般在所有高度上都能與實測平均值吻合得很好，僅在折射率n較大(如n> 380)時偏差較大。利用三種模式中的任一個，可以方便地對標準拋物方程中的折射率n進行處理。(4)粗粒度并行方法對各切片計算過程進行加速步驟通過準三維方法的上述前三個步驟的順次執(zhí)行過程，將三維空間剖分成了一個個單獨的二維切面，這樣就可以利用二維拋物方程法進行剖面內(nèi)的電磁傳播仿真。在對其進行并行計算過程中，由于每個二維切面獨立，相互之間沒有耦合關(guān)系，所以可以將每個切片分配到機群的不同節(jié)點上，節(jié)點之間不需要通信，能實現(xiàn)高效率的粗粒度并行。其映射方法如圖6所示，從圖中看出，每個切片與機群中的節(jié)點進行簡單的一對一的映射，因為準三維方法中各切片間無耦合，與三維拋物方程并行求解過程相較，并行度高。在并行機上計算無需通信，也避免了復雜并行算法的設計和實現(xiàn)。然后采用MPI (消息傳遞接口)并行程序?qū)崿F(xiàn)，并行編程模型簡單，在并行機上容易實現(xiàn)，某個切片上的電磁衰減值如圖7所示，準三、維方法的三維可視化效果如圖8所示，準三維方法的并行時間和加速比如圖9所示。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，該方法包括四個步驟 步驟I)選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分，這樣就能在每個剖面內(nèi)再用復雜度低的二維拋物方程法來計算電磁傳播； 步驟2)在步驟I的二維切片法剖分完成后，就需要根據(jù)天線理論從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場； 步驟3)在步驟2初始場構(gòu)建的基礎(chǔ)上，接下來對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分； 步驟4)在步驟3準三維剖分完成的基礎(chǔ)上，采用粗粒度并行方法對各剖分后的剖面各切片計算過程進行加速。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所說的方法，其特征在于步驟I)提出的選取一定的剖分角度把三維空間中的電磁分布用二維切片方法進行剖分，具體實現(xiàn)過程如下 準三維切片剖分方法就是以天線發(fā)射機為中心，按照已知的仿真精度和每個切片的半徑，選取一定的剖分角度，將三維空間剖分成一些獨立的二維剖面，這樣就把求解復雜的三維電磁環(huán)境仿真問題簡化成二維仿真問題。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所說的方法，其特征在于步驟2)提出的根據(jù)天線理論從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場，具體實現(xiàn)過程如下； 根據(jù)天線理論從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建了準三維方法的初始場，首先對傅里葉變換式可以先按采樣定理進行離散化，然后采用快速傅里葉變換進行數(shù)值求解，最終獲得離散的初始場。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所說的方法，其特征在于步驟3)提出的對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分，具體實現(xiàn)過程如下； 首先考慮到不規(guī)則的地形、多樣的地貌因素對電磁傳播的影響，依然按照剖分方位角從二維的數(shù)字地圖描述的地形表面中采用合適的算法抽取出一維的地形起伏線，得到的每條地形起伏線即是二維仿真剖面中的下邊界；其次，在抽取地形起伏線時，雙線性插值算法對切片過程中每個切片的地形剖面進行插值；最后，還需要考慮電磁波在空中傳播會產(chǎn)生大氣折射效應，針對對流層大氣的大致球面分層特點，利用折射率在高度上的變化率是水平面上變化率的I至3個量級的特點，將大氣折射率n(x, y, z)剖分近似成n(x, z),其中x, y, z表示三維空間中的坐標。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所說的方法，其特征在于步驟4)所采用的粗粒度并行方法對各切片計算過程進行加速，具體實現(xiàn)過程如下 二維切片的并行計算方法是把發(fā)射機為中心劃分好的獨立切片按照一定的規(guī)則映射到集群的節(jié)點上，在每個節(jié)點內(nèi)部完成各個切片的初始場、邊界條件、不規(guī)則大氣和地形、三對角方程的求解等，由于在各個切片的計算過程中不需要彼此通信，所以實現(xiàn)了粗粒度的并行。
全文摘要
一種基于拋物方程的準三維電磁環(huán)境模型構(gòu)建與并行方法，該方法主要采用切片法，即以天線發(fā)射機為中心，按照一定角度將三維空間剖分成單獨的二維切片，這樣就把求解復雜的三維電磁環(huán)境仿真問題簡化成了二維仿真問題，接下來從天線方向圖出發(fā)構(gòu)建準三維方法的初始場，并對復雜地理環(huán)境和大氣結(jié)構(gòu)的復雜環(huán)境進行準三維剖分，然后將剖分后的二維切片采用粗粒度的并行計算方法對求解過程進行了加速，最終高效地求解了三維空間中電磁場分布，并且沒有損失太多的精度。本發(fā)明不需要進行實際的測量就可以得到空間中的電磁場分布，相比直接的三維計算方法，其計算復雜度大大減少，計算范圍有了較大程度的擴展，計算效率大大提高，為實際運用的需求提供了有力依據(jù)。
文檔編號G06F17/50GK102722618SQ20121018233
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者劉登坤, 呂彥東, 吳迎年, 張霖, 沈月偉, 穆蘭, 陶飛 申請人:北京航空航天大學