场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法及系统与流程

本发明涉及复杂线缆响应水平仿真，特别是场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法及系统。

背景技术：

1、传输线理论自20世纪50年代发展以来，以agwaral等为代表的学者先后对不同环境下传输线的耦合规律进行了探究，以传输线电路为基础，发明并发展了电报方程，同时推动了以电磁散射理论为基础，利用三维麦克斯韦方程从电场方向求解传输线响应的方法。

2、目前的线缆响应水平仿真计算方法主要分为场的方法和路的方法。其中场的方法较为典型的有fdtd(时域有限差分法)、tlm(传输线矩阵法)、fitd(有限积分法)以及mom(矩量法)等几种，这些算法的基本原理均是基于三维maxwell方程，利用总场或散射场计算传输线周围的总场，再用环路积分法计算电缆外皮感应电流，对地沿线积分获得感应电压，电磁散射模型可以同时求出传输线上任意一点上的电流电压波形。

3、其中tlm算法是从传输线理论出发，推导出集总元件的离散模型，同时对时间和空间进行离散化的分析波传输问题的方法，将此电路模型代替原型，模型与原型中的各个物理量之间存在一一对应地关系，只要对模型中的物理量进行分析便可以定量地分析原型中的物理现象。避免了求解复杂的方程组，而自身的物理特性也决定了该方法具有收敛性、稳定性与无奇异解。

4、但是基于传输线内部的微小结构，对于地面环境复杂的场线耦合模型的网格构建比较繁琐，计算速度相对较慢，而且对于无限大地面的近似建模也没有统一的方法。

5、路的方法主要是指依据传输线模型，从电路的角度按照一维问题计算场线耦合问题。该模型以外部电磁场为激励源，把屏蔽电缆的外皮和有耗大地作为外回路，屏蔽层和芯线作为内回路，屏蔽电缆的转移阻抗和转移导纳把两条回路联系起来，利用两条回路各自的阻抗和导纳在频域或时域内计算电缆屏蔽层和芯线上的感应电流电压，这些数值可以通过快速傅里叶变换和反变换在时域和频域内相互转换。

6、相比场的方法，采用传输线方程的路的方法计算速度更快，但是很难对传输线周围的复杂环境进行仿真分析。

7、综上所述，为了获得相对准确的结果的同时，可以最大限度地缩短运算时间，本专利采用tlm算法与spice模型相结合的场路协同算法对复杂环境中线缆耦合响应水平进行仿真计算。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题是：如何进行场路协同算法对复杂环境中线缆耦合响应水平进行仿真的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法，包括，建立线缆以及周围环境的三维模型，建立线缆的spice模型，确定线缆端口接线形式；定义激励输入形式及参数，设置特定的边界条件减小反射，模拟无限大地面；初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，确定仿真频率上限；进行网格剖分，确认线缆内部结构的剖分满足计算要求的最小网格尺寸，求解线缆的耦合响应水平。

4、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述三维模型包括，选择一个四芯控制屏蔽电缆作为线缆模型，线缆周围的环境包括水泥盖板、支撑的钢筋和金属封边，组件的形状、尺寸和位置应根据实际情况建模。

5、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述建立线缆的spice模型表示为：

6、

7、

8、

9、

10、其中，r为线缆的电阻，ρ为材料的电阻率，a为线缆的横截面积，l为线缆的电感，μ0为真空的磁导率，μr为线缆的相对磁导率，d为线缆的外径，d为线缆的内径，c为线缆的电容，ε0为真空的电容率，εr为线缆的相对电容率，g为线缆的电感；所述确定线缆端口接线形式包括，基于屏蔽控制电缆的使用情况，对端口进行末端阻抗的配置。

11、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述定义激励输入形式及参数包括，波形以双指数函数表示为：

12、e(t)＝ke0(e-αt-e-βt)

13、其中，e(t)为双指数函数，e0为峰值场强，k为修正系数，α为表示脉冲前沿的参数，β为表示脉冲前沿和后沿的参数；使用双指数函数计算电场e(t)的峰值时间、总能量、有效值及频域特性；所述峰值时间包括，对e(t)求导，并设置为零找到峰值，表示为：

14、

15、所述总能量表示为：

16、

17、所述有效值表示为：

18、

19、所述频域特性表示为：

20、e(f)＝f{e(t)}

21、其中，w为总能量，erms为有效值，t为时间范围，e(f)为频率特征，f{·}为傅里叶变换。

22、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述边界条件表示为：

23、

24、其中，e为电场矢量，ex为e在x方向上的分量，ey为e在y方向上的分量，ez为e在z方向上的分量，为电场的散度，c为光速；构建约束条件表示为：

25、

26、w(t)＝∫b|e(t)|2ds

27、δw(t)＝w(t)-w(t-δt)

28、其中，δt为时间步长，δx为x方向上的空间步长，δy为y方向上的空间步长，δz为z方向上的空间步长，w(t)为边界上的能量，b为外部边界，ds为边界上的微小面积，δw(t)为能量变化率；若在连续5个时间步长内，能量变化率δw(t)都小于能量阈值，则边界条件合格；若在5个连续的时间步长内，能量变化率δw(t)的任何一个大于能量阈值，则边界条件不合格，增加计算域，检查源的位置，重新设置边界条件，重新进行检测。

29、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述仿真频率上限表示为：

30、

31、其中，fmax为仿真频率上限，λmin为最小波长，lmax为线缆的最大电感，cmax为线缆的最大电容。

32、作为本发明所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的一种优选方案，其中：所述最小网格尺寸表示为：

33、

34、其中，δl为最小网格尺寸，n为离散因子；所述线缆的耦合响应水平包括，使用场路协同求解器运行仿真，收集仿真结果，包括线缆两端的电压和电流响应，分析结果，确定线缆的耦合响应水平。

35、本发明的另外一个目的是提供场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的系统，其能通过仿真系统，解决了场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真问题。

36、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真系统，包括，建模模块、激励定义模块、边界条件模块、求解器初始化模块、网格剖分模块及分析模块；所述建模模块负责建立线缆及其周围环境的三维模型，选择特定的线缆模型和考虑线缆周围的环境；所述激励定义模块定义激励输入形式；所述边界条件模块设置特定的边界条件以减小反射，模拟无限大地面，检查边界条件的合格性；所述求解器初始化模块初始化求解器参数，设定求解器为场路协同求解形式，并确定仿真频率上限；所述网格剖分模块进行网格剖分，确保线缆内部结构的剖分满足计算要求的最小网格尺寸；所述分析模块分析收集到的数据，确定线缆的耦合响应水平。

37、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的步骤。

38、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法的步骤。

39、本发明有益效果为本发明提供的场路协同理论有损地面复杂线缆响应水平仿真方法可以将地理环境对线缆耦合响应水平的影响考虑到计算过程中，使计算结果更贴合实际；本发明基于有限的建模空间，通过设置边界条件，模拟了无限大地面，减弱了模型边界带来的反射对响应水平的影响；对比场的计算方法，本发明在计算速度上有所提高；对比路的计算方法，本发明可以通过三维建模，计算复杂环境以及复杂走向线缆的耦合响应水平，使用范围更广。