本發(fā)明涉及一種電流分布和近場電磁分布三維可視化方法，更具體的說，尤其涉及一種基于精細仿真的電流分布和近場電磁分布三維可視化方法。

背景技術：

電磁場數(shù)值仿真是建立在電磁場理論基礎上，以高性能計算機技術為工具，來解決復雜電磁場與微波工程問題的。隨著計算機硬件和軟件的飛速發(fā)展，各種電磁場數(shù)值計算方法經(jīng)過長時間的發(fā)展已經(jīng)可以成功解決大批工程問題，電磁場數(shù)值仿真被廣泛應用于微波與毫米波通信、雷達、精確制導、電磁兼容、醫(yī)療診斷、導航和地質(zhì)勘探等電磁領域，成為設備電磁特性分析與設計的現(xiàn)代化必要手段，具有巨大的實用價值。

近年來，隨著現(xiàn)代電磁工程問題的復雜化，經(jīng)常會遇到一些計算量巨大的問題，如飛機、軍艦等復雜電大尺寸平臺附近天線的電磁散射特性分析，大型陣列天線的分析和綜合以及電大平臺的電磁兼容問題等，這些問題對電磁仿真計算提出更精確、更高效的迫切需求，往往需要上萬核乃至幾十萬核并行規(guī)模的大規(guī)模并行的精細電磁仿真計算，傳統(tǒng)的FEKO、HFSS等商業(yè)軟件受到并行核數(shù)的限制已無法滿足大規(guī)模并行仿真計算的需求。精細電磁仿真可以對天線和微波系統(tǒng)等電磁問題進行精確仿真。

精細電磁仿真完成以后，需要對產(chǎn)生的仿真結果數(shù)據(jù)進行研究分析來獲知仿真的一系列結果，直觀地圖形化展示近場的電磁分布圖和電流分布云圖等。精細電磁仿真工程一般在超級計算機上進行計算，會產(chǎn)生大量、復雜的數(shù)據(jù)，如果直接研究這些數(shù)據(jù)，不僅費時，而且容易產(chǎn)生偏差。隨著計算機性能的提高，求解問題的規(guī)模不斷加大，復雜度不斷提高，需要處理和計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量都在增加，計算結果的分析和解釋越來越困難，嚴重影響了科學計算可視化的效率和質(zhì)量。

電磁近場的物理意義是在物體附近設置一個面，考察面上的電磁場特性，仿真計算的結果涉及到電場磁場參數(shù)x、y、z三個方向的分量，每個分量包含實部、虛部，還有幅度、相位、db值和絕對值等物理量信息。電流分布是指物體表面的電流分布情況，仿真計算的結果涉及到電流磁流參數(shù)的實部、虛部，也有幅度、相位、db值和歸一化等信息。因此，構造顯示圖形時，必須準確快速地讀取結果文件中的相關數(shù)據(jù)。。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種基于精細仿真的電流分布和近場電磁分布三維可視化方法。

本發(fā)明的基于精細仿真的電流分布和近場電磁分布三維可視化方法，其特別之處在于，通過以下步驟來實現(xiàn)：

a).判斷數(shù)據(jù)類型，判斷待處理的數(shù)據(jù)是電流場數(shù)據(jù)還是電磁場數(shù)據(jù)，如果是電磁場數(shù)據(jù)，則執(zhí)行步驟b)；如果是電流場數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟d)；

b).首先從電磁場數(shù)據(jù)中獲取頻率值、電磁場名稱及其含有的點數(shù)，并將每個點所對應的電場強度存儲為如下格式：Ex實部、Ex虛部、Ey實部、Ey虛部、Ez實部、Ez虛部，磁場強度存儲為如下格式：Hx實部、Hx虛部、Hy實部、Hy虛部、Hz實部、Hz虛部；

復數(shù)Ex實部+iEx虛部、Ey實部+iEy虛部、Ez實部+iEz虛部分別表示電磁場的電場強度在x、y、z方向上的分量，復數(shù)Hx實部+iHx虛部、Hy實部+iHy虛部、Hz實部+iHz虛部分別表示電磁場的磁場強度在x、y、z方向上的分量；執(zhí)行步驟c)；

c).統(tǒng)計電磁場數(shù)據(jù)中所包含的點數(shù)、三角形數(shù)，將數(shù)據(jù)中所有點按照p1、p2、…、pn1的形式進行編號，n1為電磁場含有點的數(shù)目，并將每個點對應的三個坐標分量存儲為(x,y,z)的形式；將所有三角形按照t1、t2、…、tn2的形式進行編號，n2為電磁場所含有的三角形數(shù)，并存儲每個三角形涉及的三個點的序號；執(zhí)行步驟f)；

d).首先從電流場數(shù)據(jù)中獲取頻率值及其含有的點數(shù)，并將每個點所對應的電流密度存儲為如下格式：ex實部、ex虛部、ey實部、ey虛部、ey實部、ey虛部，復數(shù)ex實部+iex虛部、ey實部+iey虛部、ey實部+iey虛部分別表示電流場的電流密度在x、y、z方向上的分量；執(zhí)行步驟e)；

e).統(tǒng)計電流場數(shù)據(jù)中所包含的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)，將所有點按照P1、P2、…、Pn3的形式進行編號，并將每個點對應的三個坐標分量存儲為(x,y,z)的形式；將所有線按照L1、L2、…、Ln4的形式進行編號，并存儲每個線所涉及的兩個點的序號；將所有三角形按照T1、T2、…、Tn5的形式進行編號，并存儲每個三角形涉及的三個點的序號；將所有四邊形按照T1、T2、…、Tn6的形式進行編號，并存儲每個四角形涉及的四個點的序號；n3、n4、n5、n6分別為電流場中所含有的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)；執(zhí)行步驟f)；

f).復數(shù)分量的幅度、相位角的計算，將電磁場或電流場中點的復數(shù)分量統(tǒng)一表示為Z＝Re+iIm的復數(shù)表達形式，Re表示復數(shù)的實部，Im表示虛部，將復數(shù)分量的實部和虛部帶入公式(1)求取對應的夾角jm：

jm＝arctan(Im/Re)*57.2957795 (1)

然后根據(jù)公式(2)求取相應復數(shù)分量的相位角：

相位角的單位為度；

然后通過公式(3)求取相應復數(shù)分量的幅度：

g).幅度、相位角的可視化顯示，如果待可視化的數(shù)據(jù)為電磁場，則執(zhí)行步驟g-1)；如果待可視化的數(shù)據(jù)為電流場，則執(zhí)行步驟g-2)；

g-1).根據(jù)點的坐標將電磁場的所有點在空間中顯示出來，根據(jù)公式(4)、公式(5)分別求取電場強度的大?。?/p>

采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|E|、|Ex|、|Ey|、|Ez|的大小，以實現(xiàn)電場強度數(shù)值|E|、|Ex|、|Ey|、|Ez|在立體空間的分別可視化；采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|H|、|Hx|、|Hy|、|Hz|的大小，以實現(xiàn)磁場強度數(shù)值|H|、|Hx|、|Hy|、|Hz|在立體空間的分別可視化；

g-2).根據(jù)點的坐標將電流場的所有點在空間中顯示出來，根據(jù)公式(6)求取電流場的大?。?/p>

采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|e|、|ex|、|ey|、|ez|的大小，以實現(xiàn)電流密度數(shù)值|e|、|ex|、|ey|、|ez|在立體空間的分別可視化；

g).頻域至時域的轉(zhuǎn)化，將電場強度、磁場強度、電流密度所包含的3個復數(shù)分量分別定義為X、Y、Z，則其可通過公式(7)進行表示：

式中，分別表示x、y、z方向上的單位向量；

然后，利用計算公式(8)進行轉(zhuǎn)換：

令ωt＝θ，公式(8)轉(zhuǎn)化為如公式(9)的表達形式：

電場強度、磁場強度、電流密度的大小通過公式(10)進行求?。?/p>

令ωt＝θ＝0,10,20，…，360，每一個θ對應一幀數(shù)據(jù)，這樣即可動態(tài)展示4個時域結果J_x(t)、J_y(t)、J_z(t)、J(t)。

本發(fā)明的有益效果是：通過精細電磁數(shù)值仿真后處理顯示，可以形象地顯示電磁場中電場強度的大小|E|及其三個方向上的分量|Ex|、|Ey|、|Ez|在空間內(nèi)的變化情況，可顯示電磁場中電磁強度大小|H|及其三個方向上的分量|Hx|、|Hy|、|Hz|在空間內(nèi)的變化情況；對于電流場來說，可以顯示電流密度大小|e|及其三個方向的分量|ex|、|ey|、|ez|在空間內(nèi)的變化情況。同時還可動態(tài)展示電磁場和電流場的動態(tài)結果。

設計人員可以在不用加工實物的情況下檢驗設計的合理性，并可以分析其電磁兼容問題；可降低產(chǎn)品設計成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。同時可降低對研發(fā)人員專業(yè)技能的要求，使得天線與微波系統(tǒng)的設計更加簡單化、大眾化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中電磁場的頻率、名稱、點數(shù)及點的電場和磁場強度的存儲形式；

圖2為本發(fā)明中電磁場的點數(shù)、三角形數(shù)及點的坐標的存儲形式；

圖3為本發(fā)明中電磁場的三角形的存儲形式；

圖4為本發(fā)明中電流場的頻率、點數(shù)及電流密度的存儲形式；

圖5為本發(fā)明中電流場的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)及點的坐標的存儲形式；

圖6為本發(fā)明中電流場的三角形的存儲形式。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的基于精細仿真的電流分布和近場電磁分布三維可視化方法，通過以下步驟來實現(xiàn)：

a).判斷數(shù)據(jù)類型，判斷待處理的數(shù)據(jù)是電流場數(shù)據(jù)還是電磁場數(shù)據(jù)，如果是電磁場數(shù)據(jù)，則執(zhí)行步驟b)；如果是電流場數(shù)據(jù)，執(zhí)行步驟d)；

b).首先從電磁場數(shù)據(jù)中獲取頻率值、電磁場名稱及其含有的點數(shù)，并將每個點所對應的電場強度存儲為如下格式：Ex實部、Ex虛部、Ey實部、Ey虛部、Ez實部、Ez虛部，磁場強度存儲為如下格式：Hx實部、Hx虛部、Hy實部、Hy虛部、Hz實部、Hz虛部；

復數(shù)Ex實部+iEx虛部、Ey實部+iEy虛部、Ez實部+iEz虛部分別表示電磁場的電場強度在x、y、z方向上的分量，復數(shù)Hx實部+iHx虛部、Hy實部+iHy虛部、Hz實部+iHz虛部分別表示電磁場的磁場強度在x、y、z方向上的分量；執(zhí)行步驟c)；

如圖1所示，給出了本發(fā)明中電磁場的頻率、名稱、點數(shù)及點的電場和磁場強度的存儲形式，所示的第一行數(shù)據(jù)8000.000為頻率，第二行中的near1電磁場名稱、4276為電磁場所包含的點數(shù)，第三行的0.3218716971E-03、0.5891410262E-03、-0.1465537402E-02、-0.1925838724E-02、0.5001709048E+00、0.1244888338E+00分別為科學計數(shù)法表示的第1個點的Ex實部、Ex虛部、Ey實部、Ey虛部、Ez實部、Ez虛部；第四行的-0.1441311550E-03、0.2616475876E-03、0.1323058472E-02 0.4121834747E-03、0.3766323009E-05、0.5852417167E-05分別為科學計數(shù)法表示的Hx實部、Hx虛部、Hy實部、Hy虛部、Hz實部、Hz虛部。后面依次為第2點、第3點、第4點、第5點的電場強度和磁場強度數(shù)據(jù)，后續(xù)的點沒有給出。

c).統(tǒng)計電磁場數(shù)據(jù)中所包含的點數(shù)、三角形數(shù)，將數(shù)據(jù)中所有點按照p1、p2、…、pn1的形式進行編號，n1為電磁場含有點的數(shù)目，并將每個點對應的三個坐標分量存儲為(x,y,z)的形式；將所有三角形按照t1、t2、…、tn2的形式進行編號，n2為電磁場所含有的三角形數(shù)，并存儲每個三角形涉及的三個點的序號；執(zhí)行步驟f)；

如圖2所示，給出了本發(fā)明中電磁場的點數(shù)、三角形數(shù)及點的坐標的存儲形式，第一行的4267為電磁場所包含的點數(shù)，8187位三角形數(shù)；第二行的1為點數(shù)編號，-0.137556757、-0.2、0為第1個點的的坐標，第三行為第2個點的編號及其坐標，依次類推，圖2中至給出了前30個點的坐標，后續(xù)點的坐標沒有給出。

如圖3所示，給出了本發(fā)明中電磁場的三角形的存儲形式，第一列為三角形的編號，其依次編號為1、2、…、8187，第一行中的2000、2018、1953為編號為1的三角形所涉及的3個點的編號。

d).首先從電流場數(shù)據(jù)中獲取頻率值及其含有的點數(shù)，并將每個點所對應的電流密度存儲為如下格式：ex實部、ex虛部、ey實部、ey虛部、ey實部、ey虛部，復數(shù)ex實部+iex虛部、ey實部+iey虛部、ey實部+iey虛部分別表示電流場的電流密度在x、y、z方向上的分量；執(zhí)行步驟e)；

如圖4所示，給出了本發(fā)明中電流場的頻率、點數(shù)及電流密度的存儲形式；第一行的8000.000為頻率，4342為電流場所含有的點數(shù)，第二行的0.13283302E+00、-0.13872743E+00、-0.57846857E-02、-0.35265610E-01、0.63445792E-0、-0.62157389E-01表示第1個點的電流密度的ex實部、ex虛部、ey實部、ey虛部、ey實部、ey虛部，第三行表示第二個點的電流密度，以此類推。

e).統(tǒng)計電流場數(shù)據(jù)中所包含的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)，將所有點按照P1、P2、…、Pn3的形式進行編號，并將每個點對應的三個坐標分量存儲為(x,y,z)的形式；將所有線按照L1、L2、…、Ln4的形式進行編號，并存儲每個線所涉及的兩個點的序號；將所有三角形按照T1、T2、…、Tn5的形式進行編號，并存儲每個三角形涉及的三個點的序號；將所有四邊形按照T1、T2、…、Tn6的形式進行編號，并存儲每個四角形涉及的四個點的序號；n3、n4、n5、n6分別為電流場中所含有的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)；執(zhí)行步驟f)；

如圖5所示，給出了本發(fā)明中電流場的點數(shù)、線數(shù)、三角形數(shù)、四邊形數(shù)及點的坐標的存儲形式，第一行中4342為點數(shù)，0為線數(shù)，8446為三角形數(shù)，0位四邊形數(shù)。第二行中的1為點的編號，后面的1.396077961000000E-002、1.906514836000000E-003、1.864936505000000E-002為科學計數(shù)法表示的編號為1的點的坐標，第三行為編號為2的點及其坐標。

如圖6所示，給出了本發(fā)明中電流場的三角形的存儲形式，第一行中，1為三角形的編號，后面的22、256、221為編號為1的三角形所涉及的三個點的編號；第二行中，2為三角形的編號，221、23、22為編號為2的三角形所涉及的三個點的編號，依次類推。

f).復數(shù)分量的幅度、相位角的計算，將電磁場或電流場中點的復數(shù)分量統(tǒng)一表示為Z＝Re+iIm的復數(shù)表達形式，Re表示復數(shù)的實部，Im表示虛部，將復數(shù)分量的實部和虛部帶入公式(1)求取對應的夾角jm：

jm＝arctan(Im/Re)*57.2957795 (1)

然后根據(jù)公式(2)求取相應復數(shù)分量的相位角：

相位角的單位為度；

然后通過公式(3)求取相應復數(shù)分量的幅度：

g).幅度、相位角的可視化顯示，如果待可視化的數(shù)據(jù)為電磁場，則執(zhí)行步驟g-1)；如果待可視化的數(shù)據(jù)為電流場，則執(zhí)行步驟g-2)；

g-1).根據(jù)點的坐標將電磁場的所有點在空間中顯示出來，根據(jù)公式(4)、公式(5)分別求取電場強度的大?。?/p>

采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|E|、|Ex|、|Ey|、|Ez|的大小，以實現(xiàn)電場強度數(shù)值|E|、|Ex|、|Ey|、|Ez|在立體空間的分別可視化；采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|H|、|Hx|、|Hy|、|Hz|的大小，以實現(xiàn)磁場強度數(shù)值|H|、|Hx|、|Hy|、|Hz|在立體空間的分別可視化；

在電場強度顯示的過程中，|E|、|Ex|、|Ey|、|Ez|為單獨顯示，即在一次顯示過程中，用不同的顏色表示|E|的大小，并將其在立體空間中顯示出來；根據(jù)選擇需求用不同的顏色表示|Ex|的大小，將其顯示出來。同樣地，對|Ey|、|Ez|、|H|、|Hx|、|Hy|、|Hz|進行單獨顯示。

g-2).根據(jù)點的坐標將電流場的所有點在空間中顯示出來，根據(jù)公式(6)求取電流場的大小：

采用不同的顏色來表示物理數(shù)值|e|、|ex|、|ey|、|ez|的大小，以實現(xiàn)電流密度數(shù)值|e|、|ex|、|ey|、|ez|在立體空間的分別可視化；

g).頻域至時域的轉(zhuǎn)化，將電場強度、磁場強度、電流密度所包含的3個復數(shù)分量分別定義為X、Y、Z，則其可通過公式(7)進行表示：

式中，分別表示x、y、z方向上的單位向量；

然后，利用計算公式(8)進行轉(zhuǎn)換：

令ωt＝θ，公式(8)轉(zhuǎn)化為如公式(9)的表達形式：

電場強度、磁場強度、電流密度的大小通過公式(10)進行求?。?/p>

令ωt＝θ＝0,10,20，…，360，每一個θ對應一幀數(shù)據(jù)，這樣即可動態(tài)展示4個時域結果J_x(t)、J_y(t)、J_z(t)、J(t)。