瞬变电磁频-时转换混合优化算法研究
瞬变电磁法的探测深度问题.do
１犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 狅 犿 狌 狋 犲 狉犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犜 犲 犾 犲 犮 狅 犿犿 狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犈 狀 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犑 犻 犪 狀 狊 狌犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 犣 犺 犲 狀 犻 犪 狀 １ ２ ０ １ ３， 犆 犺 犻 狀 犪 犳犆 狆 犵 犵， 犵 狔， 犼 犵２ ２犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犪 狀 犱犐 狀 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犈 狀 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犡 犻 ′ 犪 狀犑 犻 犪 狅 狋 狅 狀 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 犡 犻 ′ 犪 狀７ １ ０ ０ ４ ９， 犆 犺 犻 狀 犪 犳犈 犳 犵 犵， 犵犝 狔， ３犡 犻 ′ 犪 狀犅 狉 犪 狀 犮 犺， 犆 犺 犻 狀 犪犆 狅 犪 犾犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲， 犡 犻 ′ 犪 狀７ １ ０ ０ ５ ４， 犆 犺 犻 狀 犪
１ 引 言
电法 勘 探 的 探 测 深 度 问 题 ， 一直是地球物理勘 探的研究内容 之 一 ．其 重 要 性 是 不 言 而 喻 的 ， 因为 无论是施工设计还 是 资 料 解 释 ， 都需要估算所用的 方法 、 装置和仪器等能否达到目的层 ， 以完成地质任 对于野外作业 中 观 测 到 的 不 同 极 距 、 不 同 频 率、 务； 不同采样时间的数 据 ， 需要确定它们包含了哪一深 度范围内 的 地 质 信 息 ， 以 便 给 出 正 确 的 解 释 结 果． 由于对深度的估算 如 此 重 要 ， 故在电法和电磁法勘 探每一种方法的发 展 过 程 中 ， 都伴随着对探测深度 直流电法作为发展最早 、 最成 熟的 方 的研究 ．例如 ， 法之一 ， 早在１ ９ ７ １ 年， Ｒ ｏ ａ ｒ ａ ｏ就发表 了 有 ｙ和 Ａ ｐ ｐ ．此 后 经 过 包括温 Ｂ ｈ ａ ｔ ｔ ａ ｃ ｈ ａ ｒ ａ和 Ｓ ｅ ｎ（ １ ９ ８ １）对 轴 向 电 极 （ ｙ ［ ２］ 施 仑 贝 尔、 两 极、 轴 向 偶 极）装 置 ， 纳、 Ｂ ａ ｒ ｋ ｅ ｒ
高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用
高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用刘阳;周海京;郑宇腾;陈晓洁;王卫杰;鲍献丰;李瀚宇【摘要】基于高性能计算的电磁数值模拟在目标电磁散射特性分析中发挥着越来越重要的作用.由于任一种数值方法都有一定的适用范围,不能高效处理所有问题,因此,有必要发展和集成多种数值方法,形成能够为不同类型问题的雷达散射截面(radar cross section,RCS)计算提供高效解决途径的软件系统.文中在并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架之上,充分考虑数值方法的可扩展性以及物理个性的可分离性,通过基于机理、数据的混合可计算建模和接口设计,以及算法的模块化开发,发展了多种用于RCS计算的数值方法,并将其集成到高性能电磁数值模拟软件系统JEMS中.数值算例表明了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力,并在大规模并行计算方面具有显著优势.%The electromagnetic numerical simulation based on high performance computing gains more and more attention in analyzing the electromagnetic scattering characteristics of targets to meet the engineering increasing requirements. Since each method has its own advantages and disadvantages, and there is no one method which can deal with all problems, it is necessary to develop multi approach for integrating the software system, which can provide efficient means to analyze the electromagnetic scattering characteristics of different targets. Considering scalability of algorithms and separability of physical characteristics, based on parallel adaptive structured/unstructured mesh applications infrastructure, several numerical methods are developed and integrated into the electromagnetic numerical simulation software system, JEMS, with studying computable modeling, interface design andmodularized realization of algorithms. Some numerical examples illustrate JEMS has the capability in efficient solving the radar cross sections of different targets, and has advantages in large-scale parallel computing.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)001【总页数】9页(P3-11)【关键词】电磁散射;雷达散射截面;高性能计算;数值方法;并行支撑框架【作者】刘阳;周海京;郑宇腾;陈晓洁;王卫杰;鲍献丰;李瀚宇【作者单位】北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京100088;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094【正文语种】中文【中图分类】O441引言目标电磁散射特性在雷达技术、目标识别、隐身与反隐身技术等应用中都有重要意义[1-4]. 电子技术的不断发展使它在军事和民用领域的应用日益拓展,以致目标电磁散射特性的数据获取与分析评估一直备受瞩目,建立在计算电磁学基础上的数值模拟技术为其提供了强有力的研究手段. 同时,各应用领域不断提高的实际工程需求,也为目标电磁散射特性的数值模拟提出了许多具有挑战性的问题,如超电大尺寸、复杂结构(包括深腔、缝隙、尖劈等)、复杂材质(非线性、各向异性、色散、时变媒质等)、宽频谱等[5-7]. 这些问题的求解不仅需要从数值算法设计的角度提高计算效率和精度,还需要从计算资源和并行技术的角度来增强对大规模计算的支撑. 近年来,计算机集群技术和并行计算技术的进步,促进电磁场问题的并行计算技术蓬勃发展,使基于高性能计算的电磁场数值模拟在实际工程应用中发挥着越来越重要的作用[8-10]. 许多商业软件,如CST、FEKO、HFSS等均提供并行版本,国内外很多科研团队也都针对不同的数值方法发展了各自的并行程序,有的甚至已形成了较为成熟的软件,如美国伊利诺伊大学的W. C. Chew教授的团队[8]、美国俄亥俄大学的J. F. Lee教授的团队[9],国内电子科技大学聂在平教授的团队[10]、北京理工大学盛新庆教授团队[11]、西安电子科技大学张玉教授的团队[12]等.由北京应用物理与计算数学研究所研制的并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架(JASMIN/JAUMIN/JCOGIN)是针对科学计算中的结构/非结构网格应用,将高性能的数据结构进行了封装、并屏蔽了大规模并行和网格自适应的计算技术,能够支撑物理建模、数值方法、高性能算法的创新研究,可有效缩短基于现代高性能计算机的并行计算应用程序的研制时间[13]. 在该框架基础上,我们发展了高性能计算软件系统JEMS(J electro magnetic solver),用于多种电磁场问题的高效数值模拟. 本文将主要介绍JEMS中可用于目标电磁散射特性计算方面的内容,从各种数值算法及适用问题展开阐述,并通过介绍JEMS中针对不同类型问题的雷达散射截面计算的数值方法的研究进展和一系列数值算例,展示了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力,及其在大规模并行计算方面具有的优势.1 电磁散射的数值计算方法雷达散射截面[5](radar cross-section, RCS)是度量目标对电磁波散射能力的一个重要量化指标. RCS的定义为单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍. 快速和精确获取目标的RCS成为衡量用于目标电磁散射特性研究数值方法有效性的关键.用于RCS计算的方法大致分为三类. 一类是解析方法,如Mie级数方法. 这类方法效率高且可得到问题的准确解,便于分析问题的物理本质,但适用范围太窄,不能满足复杂目标的分析需求.另一类是高频近似方法,如物理光学(physical optics, PO)、几何光学(geometrical optics, GO)、几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, GTD)和物理绕射理论(physical theory of diffraction, PTD)等[14-16]. 高频近似方法计算速度快且对存储需求不高,特别在对电大尺寸目标的RCS计算中具有明显优势,能满足一定的工程需要. 然而对目标隐身与识别等应用,特别是含复杂结构或复杂材质的工程问题来说,该类方法的精度不够或无法求解.第三类是全波方法. 这类方法是目前计算电磁学的主流研究方向,如矩量法(method of moments, MoM)及其加速算法、有限元方法(finite element method, FEM)、时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)等[17-18],多用于处理电小或电中尺寸问题. 这类方法能够处理复杂目标,且给出较精确的数值解. MoM是基于积分方程的数值方法,积分方程中格林函数的使用,使无穷远处的辐射条件能够自然满足,场在数值网格中的传播过程得到精确描述,因此该方法的数值色散误差很小. 此外,MoM未知量数目较少且阻抗矩阵条件数较好. 然而,生成的阻抗矩阵是稠密的,造成矩阵元素的计算和存储以及矩阵方程的求解成为影响MoM求解能力的关键因素. 因此,其快速算法成为MoM重要的研究方向,如基于快速傅里叶变换的方法(CG-FFT、IE-FFT、AIM等)[19-20]、基于低秩矩阵压缩的纯代数方法(ACA、MLMDA等)[21-22]和基于快速多极子的方法(MLFMA)[23],有效解决了MoM的上述问题,使其在RCS计算中得到广泛使用. FEM[24]和FDTD[25]均是基于微分方程的方法. 这类方法通常算法简单,易于编程实现和程序并行化. 而且,FEM通用性强,可以处理复杂材质和结构,生成的矩阵具有稀疏性,但矩阵条件数较差. FDTD 方法是计算电磁学中被广泛使用的时域方法,具有宽频带瞬变电磁场分析计算的能力,适用于对宽带RCS的计算需求. 然而,这类方法在求解开的或无限大区域的问题时,需要辅以截断边界. 由于这类方法的未知量分布在整个传播空间,且为了保证所需的计算精度,在处理大尺寸和复杂结构时,往往需要较大的截断区域和精细的网格,从而造成巨大的未知量数目,导致其对计算机资源需求很大. 偏微分方程的局域性还造成这类方法中电磁场在数值网格的传播过程中形成较大的色散误差,导致其计算精度较差. 由于每种数值方法各具优点和劣势,因此将多种数值方法有效结合,取长补短发挥各自的优势,更好地高效求解RCS成为目前的研究热点之一．如全波方法之间的一种混合,即有限元边界积分(finite element boundary integral, FEBI)方法,它是有限元方法和积分方程方法的结合,能够有效消除FEM的截断误差,实现计算区域的最小化,同时具有处理复杂结构和材质的能力,其很强的实用性使其得到了深入发展. 此外,FEM和MoM的许多研究成果都能够应用到FEBI中[26]. 虽然在近几十年全波方法得到了系统的发展,各种快速算法、并行技术、矩阵求解加速技术等不断拓展了全波方法的求解能力,但是仍然有许多实际工程问题是全波方法无法有效或独立解决的. 因此,全波方法与高频方法的混合技术不可避免也成为一个备受关注的发展方向[5,27],包括MoM与PO、MoM与PTD、FEM与PO等,这类混合虽然由于高频近似方法的使用在一定程度上损失了计算精度,但是,它们不仅能够刻画电大目标上电小复杂结构,而且实现了较高的计算效率和较低的内存需求,在解决一些实际工程问题中成为能够折中考虑精度和效率的有效方法.综上所述,各种数值方法都有一定的适用范围,可以高效地求解一些问题. 然而,至今还未有哪种方法可以高效地处理所有问题,因此,有必要发展和集成用于RCS计算的多种数值方法,形成能够为不同类型问题的RCS计算提供高效解决途径的软件系统.2 电磁数值模拟软件系统JEMS目前,国防和高端商用领域迫切需要解决的复杂电磁工程问题,常常具有超电大尺寸、多尺度、多介质或复杂介质、多物理等特性. 基于高效能计算环境和并行支撑软件框架,我们将多种数值方法有机集成,发展了JEMS软件系统,用于电磁场问题的高效数值模拟. JEMS软件系统的设计,充分考虑了保持计算方法的持续可扩展性,并基于机理、数据的混合可计算建模及接口设计,保持物理个性的可分离性及可扩展性. 此外,由于并行支撑软件框架支持基于分布式内存和共享式内存的高性能计算,因此在该框架上发展的JEMS软件系统也支持上述两种高性能计算模式.JEMS软件系统的数值模拟能力并不仅限于目标散射特性分析,因而,本文在简单地整体回顾JEMS软件系统之后,将着重介绍JEMS中针对不同类型问题的RCS计算的解决方案和一系列数值算例,展示JEMS在大规模并行计算方面的优势.2.1 JEMS软件系统简介JEMS软件系统是基于并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架(JASMIN/JAUMIN/JCOGIN)以算法模块联合研究的形式,与国内优势高校合作,充分发挥国内优势高校的研究力量,将国内外许多最新成果持续融入到软件平台的设计和研制中.综合考虑电磁场问题物理问题的特性、所关注的具体物理量,以及不同物理层次所需的模拟软件算法的共性基础构架的不同,发展的JEMS软件系统的软件体系如图1所示. 该软件系统的总体目标是通过突破在并行支撑框架上高效并行实现电磁脉冲源模拟、区域级/场景电磁模拟、电大多尺度结构全波电磁模拟以及多物理电磁计算等关键技术,在高性能计算环境中构建能力型电磁数值模拟软件系统,为具有明确应用牵引的高价值目标提供基于高性能计算的复杂电磁系统分析、优化及评估解决方案,为国内重大电磁工程问题快速定制高端专用计算平台[28].图1 电磁数值模拟软件系统JEMS体系图Fig.1 System diagram of electromagnetic numerical simulation software system JEMS用于目标电磁散射特性分析的多种数值方法属于平台级全波电磁模拟软件. 该软件包括时域和频域两部分内容,时域部分发展了基于HPA-adaptive模式的时域多算法求解技术,频域部分则采用基于非重叠区域分解的多种频域全波方法的混合集成技术,此外还发展了并行网格剖分技术、基于耦合波方法的电大馈线系统的快速计算技术以及电磁场/电路协同计算技术. 为典型的平台级目标(如飞行器等)构建了精确建模和电磁模拟能力,可实现目标近场和远场的多种电磁特性仿真数据. 此外,JEMS还包括电磁脉冲源模拟软件、区域级电磁模拟软件,以及器件级多物理电磁模拟软件.由于不同数值方法所需要的输入数据形式迥异,如网格数据、模型参数等,JEMS目前对基于不同数值方法发展的求解器的输入数据未做统一. 然而,JEMS中多种数值方法所需的网格数据均可由前处理引擎SuperMesh产生.2.2 用于RCS计算的不同数值方法的研究进展实际应用中需要进行电磁散射特性分析的目标从电尺寸、结构复杂度、材质以及频谱范围等方面都不尽相同,为从精度和效率两方面满足不同应用需求,JEMS软件系统提供多种算法供实际计算选择,包括MLFMA、FEM、PTD、FEBI-MLFMA-PO 以及FDTD等. 下面将逐一对其特点和适用范围进行介绍.2.2.1 多层快速多极子方法JEMS中的平台级频域全波电磁模拟软件JEMS-FD提供了基于组合场积分方程的MLFMA. 特别地,该方法通过高阶奇异值提取技术保证了算法的数值精度和计算稳定性,并提供块对角、稀疏近似逆等预条件技术保证超电大含腔目标的求解稳定性,可满足电大尺寸金属目标对应千万自由度矩阵方程的RCS高效求解. 算例1和算例2分别是使用JEMS中MLFMA对不同频率下F117隐身战机和含腔超电大目标的电磁散射特性分析.算例1 F117隐身战机不同频率下的电磁散射特性分析．模型如图2所示,入射平面波频率为1.5 GHz,入射方向沿机头正入射且采用垂直极化,模型电尺寸为88.8λ×60λ×10.6λ,λ为波长. 表面剖分的三角形网格数目97.6万,未知量数目146.5万,使用16个CPU核并行计算,计算时间为2.27 h,内存需求为7.9 GB,该频率下F117隐身战机的双站RCS如图3所示,与商业软件FEKO的结果吻合很好.当入射平面波频率为5.0 GHz时,模型电尺寸为310.8λ×210λ×37.1λ. 表面剖分的三角形网格数目为996.8万,未知量数目 1 495.2万,使用10个CPU核并行计算,计算时间约5.5 h,内存需求约为84.3 GB,图4给出该频率下F117隐身战机的双站RCS的模拟结果.图2 F117隐身战机模型Fig.2 F117 model图3 频率1.5 GHz时F117的双站RCSFig.3 Bistatic RCS of F117model(frequency=1.5 GHz)图4 频率5 GHz时F117的双站RCSFig.4 Bistatic RCS of F117model(frequency=5 GHz)算例2 含腔超电大目标的电磁散射特性分析. 模型如图5所示,入射平面波频率为0.9 GHz,入射方向沿机头正入射且采用垂直极化,模型电尺寸为66λ×48λ×20λ. 网格剖分的未知量数目约118万,计算时间13 181 s,内存需求为6.7 GB,此含腔超电大目标的双站RCS如图6所示.图5 含腔超电大目标模型Fig.5 Model for the electrical large target with a cavity图6 频率0.9 GHz时含腔超电大目标的双站RCSFig.6 Bistatic RCS of the electrical large target with a cavity(frequency=0.9 GHz)2.2.2 有限元方法在频域全波方法中,还发展了针对复杂多尺度、多材料(包括介质、金属、吸波材料、频变材料、各项异性材料等)结构的FEM,可支持多种激励源(如平面波、高斯波束、点源、波导激励源、电压/电流源等),采用非结构网格并行自适应加密技术和区域分解求解技术,具有数万CPU核的并行扩展能力,可实现对数亿网格规模复杂目标的RCS分析. 算例3和算例4分别是使用JEMS中FEM分析频率选择表面和舰船模型的电磁散射特性.算例3 频率选择表面的电磁散射特性分析. 模型如图7所示含1 000个单元. 入射平面波频率0.3 GHz,入射方向沿-Z轴(即垂直于频率选择表面),极化方向沿+X轴. 模型电尺寸为数十个波长,四面体网格数目为414万,采用8个CPU核并行,区域分解迭代步数为8. 如图8中所示,JEMS中FEM获得的该模型的双站RCS计算结果与商业软件HFSS的一致.图7 频率选择表面的模型Fig.7 Model for frequency selective surface图8 频率0.3 GHz时频率选择表面的双站RCSFig.8 Bistatic RCS of the frequency selective surface(frequency=0.3 GHz)算例4 舰船模型的电磁散射特性分析. 模型如图9所示,尺寸为130.8 m×20m×23.1 m. 入射平面波频率为1 GHz,入射方向的俯仰角为45°,方位角为0°,且为水平极化. 四面体网格规模约为3亿,在天河-2超级计算机上启动400个进程,共计9 600CPU核完成自适应计算. 图10是舰船模型在频率1 GHz时的双站RCS.图9 舰船模型Fig.9 The ship model图10 频率1 GHz时舰船的双站RCSFig.10 Bistatic RCS of theship(frequency=1 GHz)2.2.3 物理绕射理论目标的电尺寸越大,其表面散射场的局部效应越明显,可利用高频方法的局部性原理来求解其散射场. JEMS中提供了PTD方法,通过考虑边缘的绕射电流达到对PO方法的修正,以提高其计算精度. 另外,采用深度缓冲器(z-buffer)算法判断遮挡,区分物体表面的照射和非照射区域,从而实现对超电大尺寸金属和多层涂覆目标的RCS计算. 算例5和算例6是采用JEMS中PTD对金属舰船模型以及涂覆介质材料的舰船模型的电磁散射特性分析.算例5 舰船模型的电磁特性分析. 仍然考虑算例4中的舰船模型. 入射平面波的频率为0.3 GHz,且采用垂直极化,当入射方向的俯仰角为90°,方位角从0°扫描到360°时,JEMS中PTD计算的舰船模型的单站RCS与商业软件CST中的SBR方法的结果如图11所示,二者吻合得较好.图11 频率0.3 GHz时舰船的单站RCSFig.11 Monostatic RCS of theship(frequency=0.3 GHz)算例6 涂覆舰船模型的电磁特性分析. 仍采用算例4中的舰船模型,表面共涂覆三层介质,表1中给出其相对介电常数、相对磁导率,以及厚度等参数. 入射平面波频率为3 GHz,入射方向的俯仰角为90°,方位角从0°扫描到360°. 图12是CST软件的PO方法与JEMS中PTD方法的计算结果对比.表1 涂层介质材料的参数Tab.1 Material parameters for dielectric coats层号相对介电常数相对磁导率涂层厚度/mm 11514.412-j12.3531.02 2151-j5.2421.77 34.254-j2.3311.96图12 频率3 GHz时涂覆舰船的单站RCSFig.12 Monostatic RCS of the coated ship(frequency=3 GHz)2.2.4 全波与高频混合方法最近,针对含金属/介质混合局部结构的电大尺寸问题的RCS分析,JEMS还研发了迭代型全波与高频混合方法FEBI-MLFMA-PO,充分利用FEBI处理复杂结构和材质的能力,以及PO方法处理电大平滑目标的高效性. 通过MLFMA实现对全波算法部分的加速,并采用自适应交叉近似方法提高全波与高频区域相互作用子矩阵的计算效率. 全波与高频区域的耦合子矩阵为稠密阵,采用自适应交叉近似方法可有效降低计算复杂度和内存需求,该算法主要包括求一行或一列的最大值、计算矩阵元素以及每步的误差．在JEMS中,将整个计算区域划分成多个块,求一行或一列中最大值转化为并行求出每一块中最大值,再通过比较块的最大值找出一行或一列的最大值;矩阵元素则是在每一块上并行计算;每步的误差则是先通过每块上计算所属部分的值,而后通过归约计算得到总的每步误差. 在保证一定精度的前提下,有效减少了未知量数目,降低了计算复杂度. 算例7是使用JEMS中FEBI-MLFMA-PO方法分析观察室内含介质体的舰船电磁散射特性.算例7 观察室内含介质体的舰船电磁散射特性分析. 模型如图13,观察室内介质体的相对介电常数为1.5,尺寸3 m×2.5 m×2.0 m．入射平面波频率为50 MHz,入射方向的俯仰角为45°,方位角为0°,且为水平极化. 网格剖分40 109个四面体,以及9 956个三角形(如果全部使用FEBI,则网格剖分含40 109个四面体,以及58 778个三角形),有效减少了未知量数目. 图14给出了利用JEMS中的FEBI-MLFMA-PO,商业软件FEKO中的全波方法MLFMA和混合方法MoM-PO三种方法的计算结果比较．可以看出,在前向和后向附近,与FEKO的MoM-PO混合方法相比,JEMS 中的FEBI-MLFMA-PO的结果与FEKO全波方法MLFMA的结果吻合更好.图13 观察室内含介质体的舰船模型Fig.13 Ship model with a cabin having dielectric object图14 观察室内含介质体的舰船的双站RCSFig.14 Bistatic RCS of the ship witha cabin having dielectric object2.2.5 时域有限差分方法此外,考虑到一些工程问题中对宽带RCS的计算需求,JEMS中的平台级时域全波电磁模拟软件JEMS-TD提供FDTD方法计算宽带RCS的功能. 应用FDTD计算瞬态近场,再由时域近远场外推公式得到特定频率的远场信息,为提高计算效率和精度,特别开发了混合阶和非均匀网格技术. 算例8给出JEMS中FDTD计算的整机模型的RCS.算例8 整机电磁散射特性分析. 整机尺寸为35 m×38 m×12 m,机身为全金属半硬壳式结构,包括四段机身结构、有机玻璃机头罩、起落架及发动机等结构. 入射波频率为1 GHz,沿机头正入射,且采用垂直极化. 利用FDTD计算该飞机模型的水平面和垂直面的双站RCS,六面体网格剖分规模约300亿,使用10 800个CPU核,计算结果如图15～16,并与CST中SBR进行了对比.图15 水平面上飞机的双站RCSFig.15 Bistatic RCS of airplane on horizontal plane图16 垂直面上飞机的双站RCSFig.16 Bistatic RCS of airplane on vertical plane3 结论本文从工程应用中目标电磁散射特性分析遇到的许多难题引出发展基于高性能计算的电磁数值方法的重要性. 首先回顾了用于RCS计算的三类方法,通过分析每种数值方法的利弊,阐明了它们具有不同的适用范围.由于没有一种数值方法能够同时解决所有问题,为从精度和效率两方面满足不同应用需求,需通过发展不同算法供实际计算选择. 本文着重介绍了以这种思路为指导的基于并行支撑框架JASMIN/JAUMIN/JCOGIN的高性能计算软件系统JEMS. JEMS本身的功能很多,这里只介绍其中针对不同类型问题的雷达散射截面计算的数值方法的研究进展,并通过一些相关算例展示出JEMS具有分析多种类型目标电磁散射特性方面的能力以及其在大规模并行计算方面的优势. 实际上,JEMS的研发团队持续通过算法模块形式,将国内外计算电磁学的最新成果融入到软件系统当中,期待通过不断丰富算法功能、优化算法效率为国内重大电磁工程问题提供基于高性能计算的复杂电磁系统分析、优化及评估解决方案.参考文献【相关文献】[1] 黄培康, 殷红成, 许小剑. 雷达目标特性[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.[2] 庄钊文, 袁乃昌, 莫锦军, 等. 军用目标雷达散射截面预估与测量[M]. 北京: 科学出版社, 2007.[3] 保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.[4] 阮颖铮. 雷达散射截面与隐身技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998.[5] 聂在平, 方大纲. 目标与环境电磁散射特性建模——理论、方法与实现[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.[6] 桑建华. 飞行器隐身技术[M]. 北京:航空工业出版社, 2013.[7] 艾俊强, 周莉, 杨青真. S弯隐身喷管[M]. 北京: 国防工业出版社, 2017.[8] SONG J M, LU C C, CHEW W C, et al. Fast illinois solver code (FISC) [J]. IEEE antennas and propagation magazine, 1998, 40(3): 27-34.[9] PENG Z, LIM K H, LEE J F. Non-conformal domain decomposition method for solving large multi-scale electromagnetic scattering problem[J]. Proceedings of the IEEE, 2013, 101(12): 298-319.[10] 胡俊, 聂在平, 王军, 等. 三维电大尺寸目标电磁散射求解的多层快速多极子方法[J]. 电波科学学报, 2004, 19(5): 509-514.HU J, NIE Z P, WANG J, et al. Multilevel fast multipole algorithm for solving scattering from 3-D electrically large object[J]. Chinese journal of radio science, 2004, 19(5): 509-514. (in Chinese)[11] 潘小敏, 盛新庆. 电特大复杂目标电磁特性的高效精确并行计算[J]. 电波科学学报, 2008, 23(5): 888-891.PAN X M, SHENG X Q. Efficient and accurate parallel computation of electromagnetic scattering by extremely large targets[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(5): 888-891.(in Chinese)[12] ZHANG Y, ZHAO X W, DONORO D G, et al. Parallelized hybrid method with higher-order MoM and Po for analysis of phased array antennas on electrically large platforms[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010, 58(2): 4110-4115.[13] MO Z Y, ZHANG A Q, CAO X L, et al. JASMIN: A software infrastructure for large scale parallel adaptive structured mesh application[J]. Frontiers of computer science in China, 2010, 4(4): 480-488.[14] KLINE M, KAY I. Electromagnetic theory and geometrical optics[M]. New York: Wiley Inter-science, 1965.[15] KELLER J B. A geometrical theory of diffraction[M]. New York: Mc Graw-hill Book Co.,。
管道磁聚焦瞬变电磁技术设计与实现
管道磁聚焦瞬变电磁技术设计与实现杨勇;王观军;柳言国【摘要】为克服瞬变电磁法检测埋地管道时局部腐蚀分辨率低、抗干扰能力差的缺点,利用磁信号聚焦技术对其进行改进.首先,给出矩形载流线圈磁场空间分布的计算公式;并利用改进的遗传算法对线圈阵列进行了设计.根据实际检测需求,设计了一种由三线圈组成的阵列.仿真结果表明阵列60％以上能量聚集于半径0.5 m的圆形区域内.阵列激励磁场测量结果表明,其聚集斑半径小于0.7 m,与传统瞬变电磁检测仪相比极大提高了管道局部腐蚀分辨率.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)027【总页数】4页(P54-57)【关键词】磁聚焦;瞬变电磁;设计;实现【作者】杨勇;王观军;柳言国【作者单位】中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心,东营257000;中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心,东营257000;中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心,东营257000【正文语种】中文【中图分类】TE832.9自2002年开始，胜利油田技术检测中心开始利用瞬变电磁(transient electro-magnetic method，TEM)技术检测埋地金属管道的剩余平均壁厚，其检测原理如图1所示[1]。
尽管瞬变电磁技术在现场检测、评价埋地金属管道剩余壁厚方面获得了成功，并且现在为了提高工作效率、提高管道检测覆盖率，已经完成了全覆盖瞬变电磁检测技术的研制工作。
但是在实际应用中发现，该技术存在的问题主要有以下几个方面：图1 瞬变电磁法管道检测原理示意图Fig.1 The schematic of transient electromagnetic method(1)随着油田集输管道铺设里程的增加，埋地金属管道的并行现象日益严重，但瞬变电磁技术只能检测单根埋地管道或可以视为单根(虽有并行现象，但间距大于3m以上)的管道；(2)利用传统瞬变电磁评价时，每个检测点的覆盖管段的范围大，无法对管道的局部腐蚀状态进行分析评价；(3)由于瞬变电磁技术利用的是电磁检测原理，因此极易受到城区高压线路工频噪声的干扰，当管道附近存在高压线路时利用该技术检测得到的数据失真，无法反映管道实际腐蚀情况。
瞬变电磁法数据提取纯异常方法技术
瞬变电磁法数据提取纯异常方法技术雷达【摘要】在瞬变电磁法数据处理中,借鉴小波分析的"自适应性"和"数学显微镜性质"的特点,提出了特殊的TEM数据二维小波变换处理方法和流程,并编制了可视化处理软件,其核心是利用计算出的异常Lipschiz指数α的正负变化区分正常场和异常场,从而有效地从TEM数据中提取纯异常.选取某铜镍矿上实测的TEM资料进行了处理,获得了令人满意的效果.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2004(028)004【总页数】3页(P320-322)【关键词】瞬变电磁法;小波变换;数据处理【作者】雷达【作者单位】中国地质大学,北京,100083;中国地质科学院,物化探所,勘查地球物理开放实验室,河北,廊坊,065000【正文语种】中文【中图分类】P631.3近些年，小波分析已深入应用于地球物理勘探中。
笔者曾用小波变换对长偏移瞬变电磁(LOTEM)数据进行过多分辨逼近法处理[1]，分解出粗分辨率和相应的细节信号，从而提取了地电断层的信息；宋守根就高维电磁法地质特征进行了描述，提出了用Lipschiz指数α，区分正常场和异常场[2]；魏昭志利用小波变换具有良好的时—频定位功能，根据信号与噪声的奇异性不同来估计波达时间[3]；程俊根据地震道的奇异性特性，给出了利用小波变换模极大值检测地震道信号奇异点的计算方法和对实际地震资料进行处理的一种有效途径[4]。
利用小波变换具有良好的时—频局部化性质检测信号奇异性的方法，更加突出了信号处理的局部特征，所以达到了提高地震资料分辨率的目的。
瞬变电磁法(TEM)观测纯异常信息，频率成分丰富，能分辨地层电性各向异性等特点，已成功用于矿产、地质工程勘查。
由于瞬变电磁法二维的复杂性，至今还没有二维解析表达式，目前的瞬变电磁法定量解释还局限于单点一维反演。
为此，有必要将原始的二次感应场分离成区域成分(正常背境场)与异常成分(异常场)，以便用简化的二维解析进行纯异常反演。
半航空瞬变电磁技术指标
半航空瞬变电磁技术指标近年来，半航空瞬变电磁技术在电力系统保护和故障检测领域得到了广泛的应用和研究。
本文将对半航空瞬变电磁技术的一些重要指标进行介绍和分析，以期更好地理解和应用该技术。
一、半航空瞬变电磁技术的概述半航空瞬变电磁技术是一种基于电磁波传播原理的故障检测和保护技术。
它通过检测电力系统中的瞬时电磁波，分析波形和特征参数，实现故障的定位和判断。
与传统的电力系统保护技术相比，半航空瞬变电磁技术具有响应速度快、定位准确等优点。
二、技术指标的介绍1. 响应时间：半航空瞬变电磁技术的响应时间是指从故障发生到系统检测到故障并做出相应保护动作的时间间隔。
响应时间越短，系统对故障的保护能力越强。
因此，降低响应时间是提高半航空瞬变电磁技术的重要目标之一。
2. 定位精度：半航空瞬变电磁技术的定位精度是指系统对故障位置的准确度。
定位精度越高，系统对故障的定位能力越强。
半航空瞬变电磁技术通过分析电磁波的传播特性和波形，可以实现对故障位置的准确定位。
3. 适用范围：半航空瞬变电磁技术的适用范围是指该技术在不同电力系统中的适用性。
由于不同电力系统的结构和工作条件不同，半航空瞬变电磁技术在应用时需要考虑不同系统的特点和要求。
4. 抗干扰能力：半航空瞬变电磁技术的抗干扰能力是指该技术对外部干扰信号的抵抗能力。
电力系统中存在各种干扰信号，如电弧光、雷电等，这些干扰信号可能会影响半航空瞬变电磁技术的正常工作。
因此，提高技术的抗干扰能力是保证技术可靠性的重要手段。
三、技术指标的分析半航空瞬变电磁技术的响应时间和定位精度是该技术的重要指标，它们直接影响系统的保护性能。
在实际应用中，可以通过优化算法和硬件设计，来降低响应时间和提高定位精度。
同时，针对不同的电力系统，可以选择合适的传感器和信号处理技术，以提高系统的适用范围。
在提高抗干扰能力方面，可以采用滤波器和抗干扰算法等措施来减小干扰信号对系统的影响。
此外，对于一些特殊情况，如雷电等强干扰环境，可以考虑增加防护措施，以提高系统的抗干扰能力。
矿井瞬变电磁培训课件
随着人工智能和自动化技术的快速发展，矿井瞬变电磁法逐渐实现智能化、自动化。通过 引入机器学习和深度学习等技术，实现数据自动处理、异常自动识别等功能，提高探测效 率和准确性。
技术难题及解决方案
复杂地质条件下的探测精度问题
在复杂地质条件下，如断层、裂隙等，矿井瞬变电磁法的探测精度会受到一定影响。为解决这一问题，可以研究针对特定地 质条件的探测技术，通过优化发射和接收装置，提高对复杂地质构造的识别能力。
矿井瞬变电磁法在煤矿中的应用案例二
案例名称
某矿井瞬变电磁法在探测断层方面的应用
案例描述
某矿井在开采过程中，遇到断层，导致矿井内大量涌水和瓦斯，严重威胁了矿工 的生命安全和矿井的安全生产。通过采用瞬变电磁法进行探测，成功找到了断层 的位置和大小，为采取有效的防治措施提供了科学依据。
矿井瞬变电磁法在煤矿中的应用案例三
随着探测技术的不断进步，矿井瞬变电磁法逐渐向高精度、高分辨率和高效率方向发展。 通过改进探测技术和数据处理方法，提高对地下复杂地质构造的识别能力和矿产资源的探 测精度。
多参数、多方法综合应用
矿井瞬变电磁法正逐渐与其他地球物理方法（如地震、电法等）相结合，形成多参数、多 方法综合应用的技术体系。通过数据共享和交叉分析，提高对地下地质构造和矿产资源的 认识。
它属于时间域电磁法，通过发送和接收脉冲磁场，探测地下 导电性目标体。
矿井瞬变电磁法的工作原理
矿井瞬变电磁法通过发送线圈发送一个短暂的脉冲磁场，该磁场在地下导电性目 标体上产生感应电流。
当脉冲磁场关闭后，感应电流会逐渐减小，同时产生一个与原磁场相反的感应磁 场。这个感应磁场可以被接收线圈接收并记录下来。
通过分析接收到的感应磁场数据，可以推断地下导电性目标体的位置、形状和大 小等信息。
井中瞬变电磁全区视电阻率解释方法研究
井中瞬变电磁全区视电阻率解释方法研究孟庆鑫;潘和平;马火林【摘要】针对井中瞬变电磁全区视电阻率定义求解和解释方法开展研究.依据均质全空间瞬变电磁场解析式计算不同采样时间或装置条件下感应电压响应,认识到响应值在电阻率取值范围的全区间或部分区间内保持单调性.根据"牛顿-下降"最优化原理,给出一种井中瞬变电磁全区视电阻率求解方法,通过均质全空间瞬变电磁场响应试算结果与介质真电阻率对比验证该方法的精度和适用性.建立典型径向及垂向分层地电介质模型,通过时域有限差分法模拟计算瞬态场感应电压响应,并进行全区视电阻率换算分析.结果表明:视电阻率是不同时刻电磁场作用范围内所有电性体的综合反映,由全时段视电阻率结果识别全空间介质的径向及垂向电性情况具有一定可行性,各时道的视电阻率值可作为推断地电结构等信息的依据.%The all-time apparent resistivity calculation and interpretation method for magnetic source TEM ( transient electro-magnetic method) in borehole was investigated. The induced electric voltage responses were calculated for different sampling time or different device conditions by using the homogeneous whole space transient electromagnetic field formula, and the computations showed that the TEM response remained monotonicity in resistivity value range or part of the range. According to the "Newton-Downhill" principle of optimization, a borehole TEM all-time apparent resistivity calculation method is pres-ented. Compared with the all-time apparent resistivity results of uniform whole space transient electromagnetic response from real resistivity of the medium, the method is proved to be accurate and applicable. Radial-layered and vertical-layered geoe-lectric models are built, on which the transient electromagnetic field responses are calculated using finite difference time do-main method and are then converted to apparent resistivity. The results show that:the apparent resistivity is an integral of all electrical target characteristics of electromagnetic field at different times; the radial and vertical electrical characteristics of the whole space medium are recognized by apparent resistivity results of full time channels;and the all-time apparent resistiv-ity results of different periods can be used as a basis for inferring geoelectric structure information.【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(039)006【总页数】8页(P72-79)【关键词】全区视电阻率;井中瞬变电磁法;磁源;牛顿-下降法;径向分层模型【作者】孟庆鑫;潘和平;马火林【作者单位】石家庄经济学院,河北石家庄050031;中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P631.8井中瞬变电磁法（TEM）属于地下物探方法，在油气测井、工程水文勘查、矿产勘探等领域有着良好的应用前景，受到广泛关注。