本科毕业设计（论文）开题报告
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课题名称 |
均匀介质中电场强度仿真器设计 |
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目录：
一、选题意义与可行性分析
二、国内外研究现状
三、研究的基本内容与拟解决的主要问题
四、总体研究思路(方法与技术路线)
五、预期研究成果
六、研究工作计划
参考文献
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答 辩
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均匀介质中电场强度仿真器设计
开题报告
一、 选题意义与可行性分析
1.1选题背景
在现代科学技术和人类生活中，处处可遇到电磁场，电动机、变压器、移动通信、收音机以及WIFI等无不与磁现象有关。而电磁波的辐射与传播规律，更是一切无线电活动的基础[1]。电磁场与电磁波还是多种学科的交叉点，它不仅是微波、天线、电磁兼容的理论基础，而且各种现代通信方式，如光纤通信、移动通信、卫星通信[2]，以及电视、雷达等各种专门学科，都是以电磁波携带信息的方式来实现的。
由于电磁场与电磁波是众多学科的理论基础，从而成为相关专业课程建设的一个非常重要的环节。在教学中，根据工程实际问题，借助软件选用合适的求解器、模拟实际环境进行仿真设计、利用形象直观的后处理分析图来辅助教学，有助于加深对新知识的理解，培养学习兴趣和解决实际工程问题的能力。然而，实际上电磁场与电磁波却很难让人熟练利用，因为①它的理论性较强，涉及许多高等数学方面的计算，特别是需要应用矢量分析和微分方程，致使电磁场问题的求解十分复杂; ②理论模型抽象，各种电磁场与电磁波现象都具有复杂的空间分布，而电磁场与电磁波又都具有不可见和不可触摸的特性，只能进行抽象的想象或通过仪器进行数据测量； ③电磁波是动态的，电磁波是电磁场相互激发的结果，它在空间的传播每时每刻的位置和状态都在发生变化，可以通过麦克斯韦方程和边界条件来定量描述[3]。传统的电磁场与电磁波课堂理论教学方式偏重理论教学，而忽视实验教学，大部分学校没有开设该课程的实验教学，学生学过该门课程后感到学过的理论知识不知用在何处，所以采用具有丰富的计算功能和科学计算数据的可视化能力[4]的MATLAB进行建模是非常有必要的，它可以将数据以多种图形形式加以表现，将理论与仿真有效的结合在一起。
1.2选题意义
“电磁场与电磁波”是电子与通信类专业本科生必修的一门专业基础课，课程涵盖的内容是电子与通信类专业本科阶段所应具备的知识结构的重要组成部分。目前，对电磁场的各项研究都已趋向成熟，只是它看不到、摸不着，理论十分抽象、数学计算繁杂，不易掌握。MATLAB由于其强大的功能、简单易学的编程语言和可视化的仿真环境，为电磁场的仿真提供了条件。借助MATLAB模拟和实现结构的可视化，把抽象概念变为清晰，对复杂公式进行计算和绘图，动态直观的描述电磁场的分布，帮助理解和掌握电磁场的规律[5]。本文利用MATLAB对均匀介质中的电场强度进行仿真，将抽象的电磁场形象化。并动态模拟空间中电场强度的变化情况，真正做到理论实践合二为一，强化我们对电场知识的理解和应用。此外，生活中常常会发现电场的存在，例如冬季脱毛衣发生的爆烈声，接触门的把手有触电感觉，这些都是因摩擦而产生的静电现象。在电力使用中，只要有电压存在，电线或电器设备周围就会有电场等，电与磁是大自然一直存在的现象，人类很早就开始使用电磁场给生活带来一些便利[6]，可见研究电场是很有必要的。
1.3可行性分析
如今三维电磁场已经遍布在我们周围，然而很多时候我们都浑然不知。身边的电场多为非均匀介质中的，本课题着眼于对均匀介质中的各类电场情况进行仿真，利用MATLAB将三维电场进行可视化处理。 科学计算可视化是将错综复杂的海量数据转化为有组织结构的空间几何形状、颜色、纹理、动画等视觉信号并展示出来[7]。MATLAB可以充分应用到对复杂物理环境和系统动态过程的模拟展示中，例如在计算流体力学、医学成像、地质勘探、气象等多个涉及电磁场的领域。本文以均匀介质环境下的电场强度三维可视化作为研究目标，研究的主要内容包括电场强度数据的可视化、系统动态可视化以及电场空间环境可视化[8]。借助MATLAB仿真软件技术，对电场环境、电场移动现象进行视觉再现，可以为相关研究人员、指挥决策人员提供直观快捷的数据依据。电磁场可视化是一个综合性技术，需要充分考虑电磁场模拟数据类型的多样性、磁场物理环境复杂性等特点。在实现电场强度计算的基础上，结合实际应用，将电磁场可视化数据集及其相应的操作以“对象”的形式加以抽象，构造了基于MATLAB的均匀介质中电场强度数据可视化模型[9]。另一方面,在针对MATLAB实现三维电磁场环境模拟可视化问题上，可以采用MATLAB的GUI模块来实现，并结合电磁场理论知识，实现实时动态模拟。进一步,在针对介质的模拟方面，结合生活实际性，采用几种常见介质，建立模型。最后，对带电体所处的空间环境进行可视化，可以有效地分析带电体所处空间位置对电磁场变化的影响。通过对带电体所处的三维空间环境进行可视化，增加了系统的沉浸感,在虚拟现实的环境下，全面展现空间的电场分布等情况，能更好地帮助相关人员把握电磁场的本质规律等。
二、 国内外研究现状
2.1国内研究现状
国内研究现状：在五六十年代，中华人民共和国成立以后，电磁场理论的研究工作受到了国家领导的高度重视，与国防尖端科学技术紧密结合，主要为军事通信、雷达科技、电子对抗和卫星技术等军事应用服务。由于当时数学理论和计算技术的条件限制，只能对一些及其简单的问题进行麦克斯韦方程组的精确求解，而对于复杂实际工程技术中的电磁场边值问题，只能从其特殊要求出发，进行近似求解[10]。后来，通过许多电磁工作者的不断努力，到六十年代中，我国的电磁理论和应用水平近乎接近当时的国际水平。然而，此时国际上由于计算技术的应用电磁场理论有了飞速发展，学科之间的界限被打破，新的研究领域和方法不断涌现，到70年代末，有大大落后于国际水平，紧接着在华裔科学家回国讲学、第一批访问学者学成归国的新兴力量推进下，延续至今我国的电磁场理论研究又回到了国际水平。
2.2国外研究现状
在国外，电磁场理论的早期发展也是和无线电通信、雷达的发展分不开的,它也主要应用于军事领域，而现在电磁场的应用已经遍及地学、生命科学、医学、空间科学、材料科学和信息科学等几乎所有的技术科学领域，这些工程技术领域对电磁理论提出了各种新要求：如电子战中隐身与反隐身技术的发展，提出了各种复合材料和新型材料表而的电磁散射问题，在电磁波用于地物勘探以及医学应用中都遇到了类似的问题，这些问题统称为复杂介质中的电磁场问题。又如遥感技术的发展，特别是微波遥感的发展，对电磁场理论提出了更为复杂的要求，从外层空间经过电离层、大气层到地表（地表存在着各种极复杂的几何形状和各种不同电磁特性的物体），而电磁波还能透入地表深入到一定深度的地下并从地下反射回来,最后通过同样的复杂途径返回到空间的接收器。研究这类复杂环境中的电磁场问题，不仅要研究散射问题更要研究其逆散射问题。以上这些较为复杂的电磁场问题 ，在国外都已经有所研究。作为物理学的一个重要研究领域，特别是作为获取信息的最重要的手段和远距离传输的几乎唯一的工具，电磁场理论在今后信息社会中的应用领域将会越来越宽广，他的发展尽管受到了国际上军事应用萎缩的影响，但它的研究仍旧没有停歇[11]。
三、 研究的基本内容与拟解决的主要问题
3.1研究的基本内容
3.1.1研究主要的电磁场模型，理解相关电磁场理论知识。
常见的电磁场模型有以下几大类：粒子速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、质谱仪、回旋加速器[12] 。学习和掌握这些模型可以巩固电磁场理论知识[13] 。
3.1.2熟悉程序设计语言，并对均匀介质中电场强度的算法进行程序编写，完成MATLAB仿真。
MATLAB是一个集数值计算、符号分析、图象显示、文字处理于一体的大型集成化软件] 。它最初由美国的Cleve Moler博士所研制。其目的是为线性代数等课程中的矩阵运算提供一种方便可行的实验手段.经过十几年的市场竞争和发展，MATLAB已发展成为在自动控制、生物医学工程、信号分析处理、语言处理、图像信号处理、雷达工程、统计分析、计算机技术、金融界和数学界等各行各业中都有极其广泛应用的数学软件。
归纳起来，MATLAB具有以下几个特点[14]：易学、适用范围广、功能强、开放性强、网络资源丰富。
3.2拟解决的主要问题
以MATLAB为主要工具，搭建仿真模型，设计一个均匀介质中电场强度的仿真器，能够显示带电体三维空间中各处产生的电场强度并标明其场强方向[15]，其中三维空间的模拟和均匀介质种类的切换是难点。
四、 总体研究思路(方法与技术路线)
4.1知识储备
在知识准备比较完善之后，主要考虑的问题是场强计算和仿真绘图。
图1 知识储备图
4.1.1场强计算
点电荷形成的电场：E=kq/r^2 ，k为一常数 q 为此电荷的电量 r为到此电荷的距离 可看出：随r的增大，点电荷形成的场强逐渐减小，（不与r成正比，只与r^2成正比）[16]；
均匀带电球体形成的电场：规则物体的场强可以集中在其质心上加以计算[17]，由于空间比较大，可参照点电荷的计算公式。
均匀带点平板形成的电场：平板形成的电场是垂直其版面的，忽略侧面电场，只需要考虑垂直面。
4.1.2 MATLAB程序编写
用MATLAB中的编程功能，进行程序编写：①画出界面文本框；②绘制带电球体；③设置按钮；④计算场强，用箭头画出方向；⑤显示出场强大小。其中，MATLAB中有很多函数可以直接调用，只需加以简单的修改，难点在于用户点击界面上设定的各类按钮时，能够调用出对应的代码，并在图上显示出来。此外，当用户在空间任意一处点击鼠标时，要正确识别鼠标所在位置，并作出相应反应。
图2 MATLAB绘图流程
4.2界面设定
利用MATLAB中的GUI进行空间设计，界面上只要分为四大块，一个显示三维空间；一个放置一些按钮，用于介质种类切换和带电体种类选择；还有一个设置功能键，如：旋转、计算等；最后一块用于数据显示，主要是告诉用户对应位置的电场强度大小，方向会在仿真图上用箭头表示。总体框架如图3。
图3 界面框架
4.3绘图
在MATLAB中，用函数绘出各类带电体，主要是：①点电荷；②球；③平板。其中球体的绘图效果如图4所示。
图4 三维球体
五、预期研究成果
本课题借助MATLAB软件选用合适的方法、模拟均匀介质环境进行场强仿真设计、利用形象直观的后处理分析图来辅助研究，完成电场的可视化处理。即通过高级语言编写可视化仿真软件,对电磁场进行分析、图形化描述，模拟电磁场的产生、运动。
六、研究工作计划
参考文献
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