一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法与流程

1.本发明涉及飞行器隐身设计技术领域，更具体地说，它涉及一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法。


背景技术：

2.先进气动布局及其设计技术依然是实现未来作战飞机高隐身、高机动、宽速域、远航程等技术指标的关键环节。未来先进作战飞机气动布局的重要发展方向为扁平化、高度融合，对气动隐身一体化设计技术提出了新的挑战。
3.然而，传统设计手段存在以下问题：
4.1)电大尺寸的电磁散射设计导致的庞大计算量。电大尺寸飞行器的隐身优化设计，带来设计变量空间维度较大，从而导致优化搜索量倍增；电磁计算网格规模庞大的问题，导致计算资源倍增。
5.2)精细化/高可信度隐身设计需求导致的庞大计算量与内存资源需求。现有飞行器气动外形隐身设计研究中多采用几何光学法(go)、物理光学法(po)、几何绕射理论(gtd)、物理绕射理论(pdt)等高频近似算法，虽然计算速度快，所需内存小，但高频方法的理论模型粗糙，近似过程中会忽略一些关键部件间的重要电磁耦合关系，在处理电大尺寸和细节上电小尺寸并存的复杂结构时精度较低。
6.高维度设计变量、高可信度优化设计需求带来的优化算法、计算资源挑战。传统梯度寻优算法计算量正比于设计变量个数，进化算法所需种群规模与设计变量呈指数关系增长，导致计算量与资源需求呈指数增长；在高维度设计变量问题中仍存在一定的短板，因此，隐身设计中必须解决以上问题，发展高效的梯度计算方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的是基于解决上述技术问题，是提供一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，本发明的方法能够实现电磁伴随方程的构造，且在梯度校核结果中表明，本发明的方法计算效率高，精度完全满足设计需要。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，具体包括以下步骤：
9.s1、推导出电磁伴随方程：其中，为雷达散射截面关于感应电流的导数，然后在电磁伴随方程的基础上，基于多层快速多极子算法开展电磁伴随方程构造和梯度计算；且在最细层进行电磁伴随方程近场矢量乘计算，并在伴随计算中采取按列分配的方式；
10.s2、多极聚合过程，伴随计算中配置因子为内向波，平移操作时将其与相乘；而在正计算的多极聚合过程中为外向波，平移操作
时将其与相乘；
11.s3、多极转移过程，在伴随计算中转移因子采用正计算中采用即伴随计算与正计算转移方向相反；
12.s4、多极配置过程，伴随计算中多极配置中使用将聚合量从父组中心转移到子组中心，在正计算中使用进行转移计算；
13.s5、部分场展开过程，正计算使用的转移因子为伴随计算采用的转移因子为在伴随程序中，采用与正计算方向相反的分量即可得到在mlfma算法的并行实现中，细层采用按组并行策略，粗层采用按平面波并行的策略；在伴随计算中，在正计算并行策略的基础上对各进程存储的平面波方向进行调整；
14.s6、根据步骤s1至步骤s5，完成基于快速多极子伴随方程的构造，然后采用迭代方法求解得伴随变量，并进一步获取梯度，即得隐身梯度。
15.进一步地，步骤s1中，多层快速多极子算法采用迭代法对离散方程进行求解，所述电磁伴随方程求解的核心为计算z
t
i，具体计算分为近场矢量乘和远场矢量乘两部分。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过构建基于mlfma算法的电磁伴随方程，进一步通过近场矢量乘和远场矢量乘两部分变分处理，以及雷达散射面积的变分，在近场并行计算中将基函数分配到不同进程进行计算和存储，并在伴随计算中采取按列分配的方式，伴随计算远相互作用矢量乘的需要在相乘的过程中交换场、源点的位置，从而实现电磁伴随方程的构造；并且，本发明的方法中的梯度校核结果表明，本发明的方法计算效率高，所计算的隐身梯度精度较高，完全满足飞行器隐身设计需求。
附图说明
17.图1是本发明实施例中的流程图；
18.图2是本发明实施例中的飞行器隐身性能梯度研究对象示意图；
19.图3是本发明实施例中的测试算例精度对比数据图。
具体实施方式
20.以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明(参数含义可见计算电磁学相关文章)。
21.实施例：一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
22.s1、推导出电磁伴随方程：其中，为雷达散射截面关于感应电流的导数，然后在电磁伴随方程的基础上，基于多层快速多极子算法开展电磁伴随方程构造和梯度计算；且在最细层进行电磁伴随方程近场矢量乘计算，并在伴随计算中采取按列分配的方式；
23.s2、多极聚合过程，伴随计算中配置因子为内向波，平移操作时将其与相乘；而在正计算的多极聚合过程中为外向波，平移操作时将其与相乘；
24.s3、多极转移过程，在伴随计算中转移因子采用正计算中采用即伴随计算与正计算转移方向相反；
25.s4、多极配置过程，伴随计算中多极配置中使用将聚合量从父组中心转移到子组中心，在正计算中使用进行转移计算；
26.s5、部分场展开过程，正计算使用的转移因子为伴随计算采用的转移因子为在伴随程序中，采用与正计算方向相反的分量即可得到在mlfma算法的并行实现中，细层采用按组并行策略，粗层采用按平面波并行的策略；在伴随计算中，在正计算并行策略的基础上对各进程存储的平面波方向进行调整；
27.s6、根据步骤s1至步骤s5，完成基于快速多极子伴随方程的构造，然后采用迭代方法求解得伴随变量，并进一步获取梯度，即得隐身梯度。
28.其中，步骤s1中，多层快速多极子算法采用迭代法对离散方程进行求解，所述电磁伴随方程求解的核心为计算z
t
i，具体计算分为近场矢量乘和远场矢量乘两部分。
29.在本发明的上述实施例中，本发明通过构建基于mlfma算法的电磁伴随方程，进一步通过近场矢量乘和远场矢量乘两部分变分处理，以及雷达散射面积的变分，在近场并行计算中将基函数分配到不同进程进行计算和存储，并在伴随计算中采取按列分配的方式，伴随计算远相互作用矢量乘的需要在相乘的过程中交换场、源点的位置，从而实现电磁伴随方程的构造；并且，本发明的方法中的梯度校核结果表明，本发明的方法计算效率高，所计算的隐身梯度精度较高，完全满足飞行器隐身设计需求。
30.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明的实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用以解释权利要求的内容。


技术特征：
1.一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，其特征是：具体包括以下步骤：s1、推导出电磁伴随方程：其中，为雷达散射截面关于感应电流的导数，然后在电磁伴随方程的基础上，基于多层快速多极子算法开展电磁伴随方程构造和梯度计算；且在最细层进行电磁伴随方程近场矢量乘计算，并在伴随计算中采取按列分配的方式；s2、多极聚合过程，伴随计算中配置因子为内向波，平移操作时将其与相乘；而在正计算的多极聚合过程中为外向波，平移操作时将其与相乘；s3、多极转移过程，在伴随计算中转移因子采用正计算中采用即伴随计算与正计算转移方向相反；s4、多极配置过程，伴随计算中多极配置中使用将聚合量从父组中心转移到子组中心，在正计算中使用进行转移计算；s5、部分场展开过程，正计算使用的转移因子为伴随计算采用的转移因子为在伴随程序中，采用与正计算方向相反的分量即可得到在mlfma算法的并行实现中，细层采用按组并行策略，粗层采用按平面波并行的策略；在伴随计算中，在正计算并行策略的基础上对各进程存储的平面波方向进行调整；s6、根据步骤s1至步骤s5，完成基于快速多极子伴随方程的构造，然后采用迭代方法求解得伴随变量，并进一步获取梯度，即得隐身梯度。2.根据权利要求1所述的一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，其特征是：步骤s1中，多层快速多极子算法采用迭代法对离散方程进行求解，所述电磁伴随方程求解的核心为计算z
t
i，具体计算分为近场矢量乘和远场矢量乘两部分。

技术总结
本发明公开了一种适用于隐身灵敏度计算的电磁变分方法，涉及飞行器隐身设计技术领域，其技术方案要点是：通过构建基于MLFMA算法的电磁伴随方程，进一步通过近场矢量乘和远场矢量乘两部分变分处理，以及雷达散射面积的变分，在近场并行计算中将基函数分配到不同进程进行计算和存储，在伴随计算中采取按列分配的方式，伴随计算远相互作用矢量乘的需要在相乘的过程中交换场、源点的位置，实现了电磁伴随方程的构造，梯度校核结果表明，本发明的方法计算效率高，精度完全满足设计需要。精度完全满足设计需要。精度完全满足设计需要。


技术研发人员：黄江涛 刘刚 周琳 陈宪 陈其盛 余龙舟 何成军 钟世东 陈立立 王崯瞩 杜昕
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所
技术研发日：2021.08.31
技术公布日：2022/1/11