一种基于斜细导线FDTD模型的SREMP复合电磁模拟器的仿真方法

本申请涉及电磁模拟器建模，尤其涉及一种基于斜细导线fdtd模型的sremp复合电磁模拟器的仿真方法。

背景技术：

1、fdtd(finite-differencetime-domain，时域有限差分法)是电磁领域中一种常见的数值计算方法，该方法通过将麦克斯韦方程组中的电场和磁场在空间和时间上离散取样，在差分迭代过程中对电磁结果进行计算。sremp是指地面或靠近地面的区域发生核反应后释放的伽马射线在核爆”源区“激励出的源区电磁脉冲。sremp后期准静态环境中会产生很强的电磁场，其中电场的上升时间为几十到几百纳秒，半波宽为几毫秒，峰值为100kv/m。磁场的上升时间为几十到几百微秒，半波宽为一百微秒到几毫秒，峰值为8ka/m。sremp会在电力线或传输线上感应出非常高的电流，从而沿着这些金属线缆从爆炸区域向远距离发送极大的能量，这将严重影响电力、通信和其他关键基础设施的正常工作,因而研究地面核爆炸源区电磁脉冲的仿真已成为工程防护设计时需要考虑的问题之一。

2、基于fdtd方法，sremp电磁场环境的实现可以通过建立相应的有界波电场模拟器或螺线圈结构的磁场模拟器。但在传统的方法中，fdtd有限差分公式中电感l计算域为矩形，而平均电场计算取自胞内电感单一计算域，并且在构建模拟器时使用多段弯折的沿fdtd空间yee网格的直导线进行近似逼近实际的斜导线，如图1所示的斜导线与直导线的建模对比，然其仿真精度有限。如何提高sremp复合电磁模拟器的仿真精度有待解决。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基于斜细导线fdtd模型的sremp复合电磁模拟器的仿真方法，其技术目的是提高sremp复合电磁模拟器的仿真精度。

2、本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种基于斜细导线fdtd模型的sremp复合电磁模拟器的仿真方法，包括：

4、对待搭建的sremp复合电磁模拟器的结构参数进行设计；其中，所述结构参数包括基于线栅结构的有界波电场模拟器和基于螺线圈结构的磁场模拟器的结构参数；

5、根据所述结构参数对斜细导线fdtd模型进行构建；其中，所述斜细导线fdtd模型基于斜细导线模型构建；

6、根据所述斜细导线fdtd模型对sremp复合电磁模拟器进行搭建；

7、对采样参数进行设置，对sremp复合电磁模拟器进行fdtd仿真，获取需要的采样参数，并根据采样参数对结构参数进行优化，直至得到最优结构参数，实现仿真；其中，采样参数包括采样电流、采样电压、采样电场和采样磁场。

8、进一步地，所述斜细导线fdtd模型通过fdtd场路耦合的方式进行构建，将三维空间中电场-磁场构成的“场”与一维线缆中电流-电荷构成的“路”相互耦合，则斜细导线模型的i-q微分方程表示为：

9、

10、其中，

11、

12、获取i-q微分方程在fdtd的有限差分，即斜细导线fdtd模型表示为：

13、

14、其中，i表示导线上的节点电流，q表示导线上的节点电荷，c、σ、ε和μ分别表示导线周围介质的速度、电导率、介电常数和磁导率，r表示单位长度导线电阻，ξ表示导线上的位置，ξ的方向表示导线径向方向，<eξ>表示导线上多点采样计算的平均电场，l表示圆形计算域的胞内电感，n表示第n个时刻，k表示第k个i或q节点；μ0表示真空磁导率，δx表示胞内电感计算域直径，a表示斜细导线的半径；eξn表示电流节点周围yee元胞三线性插值的结果，n表示采样点的个数。

15、进一步地，所述sremp复合电磁模拟器包括基于线栅结构的有界波电场模拟器和基于螺线圈结构的磁场模拟器；

16、基于线栅结构的有界波电场模拟器包括基于斜细导线fdtd模型构建的前过渡段、工作区平行段、后过渡段以及底部的线栅结构回路，以及基于常规fdtd模型搭建的双指数脉冲电压源和终端负载模型；

17、基于螺线圈结构的磁场模拟器包括基于斜细导线fdtd模型构建的螺线圈线缆结构，以及基于常规fdtd模型搭建的双指数脉冲电流源。

18、本申请的有益效果在于：本申请所述的基于斜细导线fdtd模型的sremp复合电磁模拟器的仿真方法，通过对整个圆形计算区域的电场来平均近似胞内电感，并利用一个圆形区域来更好地模拟平均电场，进而在进行平均电场计算时，取以导线为中心按同心圆分布在胞内电感的计算区域中的采样点，这样可以考虑到多个跨过yee元胞对任意一点电场造成微小差异的影响，使得计算更加精确。在sremp模型构建方面，传统算法在处理直径很小的斜细导线时，由于阶梯化近似导致模拟精度较低。当然，可以通过增加离散网络密度的途径来改善模拟精度，但这无疑会增大内存需求和运行时间，造成计算资源浪费。利用斜细导线fdtd模型构建sremp复合电磁模拟器可以方便快捷的处理不沿网格边界的导线，避免使用多段弯折的沿fdtd空间yee网格的直导线。因而可以高效处理任意取向导线，使得建模更具包容性和灵活性，并且通过实验对sremp复合电磁模拟器仿真结果证明此方法合理可靠。

技术特征：

1.一种基于斜细导线fdtd模型的sremp复合电磁模拟器的仿真方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述斜细导线fdtd模型通过fdtd场路耦合的方式进行构建，将三维空间中电场-磁场构成的“场”与一维线缆中电流-电荷构成的“路”相互耦合，则斜细导线模型的i-q微分方程表示为：

3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述sremp复合电磁模拟器包括基于线栅结构的有界波电场模拟器和基于螺线圈结构的磁场模拟器；

技术总结本发明公开了一种基于斜细导线FDTD模型的SREMP复合电磁模拟器的仿真方法，涉及电磁模拟器建模技术领域，解决了SREMP复合电磁模拟器仿真精度不高的技术问题，其技术方案要点通过对整个圆形计算区域的电场来平均近似胞内电感，并利用一个圆形区域来更好地模拟平均电场，进而在进行平均电场计算时，取以导线为中心按同心圆分布在胞内电感的计算区域中的采样点，这样可以考虑到多个跨过Yee元胞对任意一点电场造成微小差异的影响，使得计算更加精确。利用斜细导线FDTD模型构建SREMP复合电磁模拟器可以方便快捷的处理不沿网格边界的导线，避免使用多段弯折的沿FDTD空间Yee网格的直导线。因而可以高效处理任意取向导线，使得建模更具包容性和灵活性，并且通过实验对SREMP复合电磁模拟器仿真结果证明此方法合理可靠。技术研发人员：黄正宇,郑毅茹,张予聪,陈超,段海岩受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5