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专利号: 2019102593697
申请人: 安徽大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种随机混合显隐式时域有限差分方法,其特征在于:该方法包括下列顺序的步骤:(1)定义随机电磁参数,根据实验数据确定其均值、标准差的统计规律;

(2)对麦克斯韦方程进行线性期望运算,采用泰勒级数展开方法进行展开化简,得到电场和磁场期望的迭代求解公式;

(3)对麦克斯韦方程进行方差运算,采用泰勒级数展开方法进行展开化简,得到电场和磁场方差的迭代求解公式;

(4)输入随机电磁参数的均值和标准差,迭代求解麦克斯韦方程中电场和磁场的期望和标准差;

(5)对电场和磁场的期望和方差等电磁响应进行后处理,得到宽带的电磁散射特性。

2.根据权利要求1所述的随机混合显隐式时域有限差分方法,其特征在于:所述步骤(1)具体是指:设定g为包含多个随机变量x1,x2,x3,…,xn的函数,上述随机变量的平均值分别对应为随机变量x1,、x2、x3、x4分别一一对应为电场分量Em(m=x,y,z)、磁场分量Hm(m=x,y,z)、相对介电常数εr、电导率σ,采用数理统计的方法,获得上述随机变量的离散型随机分布,计算得到不确定性电磁参数的均值、标准差的统计规律。

3.根据权利要求1所述的随机混合显隐式时域有限差分方法,其特征在于:所述步骤(2)具体是指:对函数g进行线性期望运算,M表示期望运算符,采用泰勒级数展开方法进行展开化简并忽略高阶项可得:其中,g为包含多个随机变量x1,x2,x3,…,xn的函数,上述随机变量的平均值分别对应为对麦克斯韦方程在随机显隐式时域有限差分方法即HIE‑FDTD下的离散方程进行线性期望运算,利用式(1)求得电场和磁场期望的迭代表达式,以Ex和Hy分量为例:其中,ε0是自由空间的介电常数,μ为磁导率,Δt是时间步长,n是时间的索引,如 表示电场Ex分量在时刻t=n·Δt的场值, 和μσ分别表示εr和σ的均值。

4.根据权利要求2所述的随机混合显隐式时域有限差分方法,其特征在于,所述步骤(3)具体是指:对麦克斯韦方程的离散公式进行方差运算可得:

其中,g为包含多个随机变量x1,x2,x3,…,xn的函数,上述随机变量的平均值分别对应为2

σ表示方差运算符;

采用泰勒级数展开方法进行展开化简并忽略高阶项可得:以Ex为例进行说明,其在HIE‑FDTD的离散公式为:利用以下两个恒等式来展开上式:

2 2 2

σ{αX}=ασ{X}(7)

其中,α是常数;Cov(X,Y)是协方差,展开为Cov(X,Y)=ρXYσ{X}σ{Y};ρXY是X和Y之间的相关系数;σ表示标准差运算符;

式(6)的左侧展开为:

使用式(5)对式(9)第二项的平方进行展开得:其中,ρXY为相关系数,表征了变量之间的相关性大小,例如: 表示σ和εr的相关系数,ρσ,E表示σ和E的相关系数, 表示εr和E的相关系数;

对上式进行化简、省略高阶项并进行开平方运算后可得出式(9)的开平方表达式:同理可对式(6)的右侧进行展开化简,从而得到Ex分量标准差的表达式;由于该算法为隐式算法,设置HIE‑FDTD方法的稳定性条件与y方向无关;在更新Ex和Hz的过程中,求解场分量 需要用到 的值,而求解场分量 需要用到 的值;因此将 的表达式代入 的表达式从而消去未知量,最终获得电场Ex分量标准差的最终表达式:其中:

是空间步长,ρσ,H表示σ和H的相关系数, 表示εr和H的相关系数。

5.根据权利要求1所述的随机混合显隐式时域有限差分方法,其特征在于:所述步骤(4)具体是指:将随机电磁参数的均值和标准差代入麦克斯韦方程的离散表达式,设置激励源和目标模型,利用电场和磁场及其边界条件的期望和标准差表达式迭代求解目标的电磁散射特性。