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# OpticsFEM × LASPCEM（Design.em）接口规范
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| 项目 | 说明 |
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| 版本 | v0.1（草案） |
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| 日期 | 2026-06-02 |
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| 适用范围 | `laspcem-case` 五个 HFSS/LASPCEM 算例 → `opticsfem-master` 三维矢量 FEM |
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| 参考材料 | `C++代码后端-有限元接口.xmind`、`C++有限元程序接口及对应页面设计.pdf`、`二维有限元思维导图.xmind`、`opticsfem-master/Interface/FEM_Interface.*`、`测试数据集/*/case*.json` |
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## 1. 目标与原则
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### 1.1 目标
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在**不改造 LASPCEM 前端与网格导出**的前提下，复用其求解输入：
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- **`Design.em`**：物理模型、材料、边界、激励、频率（对应原「前端输入 JSON」角色）
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- **`Design.em.mesh`**：二阶 Nedelec 四面体网格（对应原「网格 .dat / mesh.json」角色）
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由 OpticsFEM 侧新增 **LASPCEM 适配层**，将上述文件转换为内部统一的 **OpticsFEM JSON + 网格文件**，再走现有或规划中的 3D 求解流程。
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### 1.2 设计原则（对齐既有思维导图 / PDF）
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| 原则 | 说明 |
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| 单一 API 入口 | 延续 `OpticsFEM_API::OpticsFEM_All(OpticsFEMData)`，对外仍为一个 DLL 接口 |
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| JSON 为内核语言 | 适配层输出符合 `Phy/Material/Mesh/Solver` 已实现的 JSON 字段；`.em` 不直接进入组装器 |
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| 前后端解耦 | 页面 / 脚本只提交「案例目录 + 输入模式」；`.em` 解析在 C++ 适配模块完成 |
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| 案例可回归 | 以 `laspcem-case` 五例为验收基线，逐例对比场分布或 S 参数（允许数值容差） |
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## 2. 现有 OpticsFEM 接口（基线）
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### 2.1 调用约定
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```cpp
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struct OpticsFEMData {
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double test1;
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double test2;
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char* data; // UTF-8 JSON 字符串，单行或紧凑格式
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};
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class OpticsFEM_API {
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public:
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static int OpticsFEM_All(OpticsFEMData data);
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int OpticsFEM_Test(OpticsFEMData data);
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};
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```
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### 2.2 `FemType` 路由（二维，已实现）
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| FemType | 问题类型 | 主要 JSON 依赖 |
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|---------|----------|----------------|
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| 0 | 本征模式 `EigenMode` | `NbrMode`, `searchValue`, `lambda0`, … |
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| 1 | 本征频率 `EigenFreq` | `NbrMode`, `searchValue`, `EletricType`, … |
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| 2 | 散射 `Scatter` | `lambda`, `sbc`/`port`/`pml`/… |
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| 3 | 散射（按频率） | `freq`, `EletricType`, … |
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读取链路（现状）：
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1. `json::parse(data.data)` → `FemType`, `MeshFile`
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2. `Phy_WaveOpticsModel::Test_ReadData(str)`
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3. `MaterialLib::Test_ReadData(str)`
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4. `Mesh_2D::GetMesh(meshFile, str)` — **仅 2D `.dat`**
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### 2.3 二维 JSON 核心字段（摘自 `测试数据集` / `Test_ReadData.cpp`）
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**公共**
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- `FemType`, `EletricType`, `NbrBoundary`, `BoundaryFlag[]`
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- `NbrDomain`, `matType[]`, `epsilonrR/I`, `murR/I`, `sigma`, `chiheR/I`, `chiehR/I`, `n`, `k`
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- `MeshFile`, `OutFile`
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**边界扩展（按 `js.contains` 可选）**
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- `sbc`, `ef`, `mag`, `scd`, `pbc`, `mpd`, `epd`, `bele`, `pml`, `port`, `beam`
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**求解**
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- 本征：`NbrMode`, `searchType`, `searchValue`, `solverType`, `maxIterNum`, `tol`, `tolType`, `lambda0`
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- 散射：`lambda` 或 `freq`
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### 2.4 二维网格 `.dat`（`Mesh_2D::GetMesh`）
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顺序读取关键字：`NbrVertex` → `Vertex` → `NbrEdge` → `Edge` → `NbrTri` → `Tri` → `EdgeOfTri` → `DomainOfTri` → `NbrEdges` → `CoonOfEdges` → `DomainOfEdges` → `normal` → `CopyOfEdges` → …
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> **与 LASPCEM 无直接兼容**；3D 需单独定义 `Mesh_3D` 读入格式（见 §5）。
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## 3. LASPCEM 输入文件规范
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### 3.1 文件对与路径约定
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每个算例在求解完成后，在 **`out/<工程名>/1_Result/`** 下生成一对文件（推荐作为适配入口）：
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| 文件 | 角色 |
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|------|------|
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| `Design.em` | 前端 + 求解配置（HOFEM 脚本） |
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| `Design.em.mesh` | 网格（由 `mesh_filename` 引用，须与 `.em` 同目录） |
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五例标准路径见 **§7 案例对照表**。
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> 说明：同目录下可能存在 `.../1_Result/<工程>/1_Result/` 与 `_cur` 副本；**默认使用顶层 `1_Result`**，自适应加密后以日志 `READING INPUT FILE... Design.em` 所指路径为准。
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### 3.2 `Design.em` 结构（章节）
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| 章节 | 关键变量 | 用途 |
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|------|----------|------|
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| Physic & formulation | `physics`, `basis_functions`, `variational_order`, `geometrical_order` | 确认波动方程 + Nedelec 阶次 |
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| Geometry & Mesh | `geometry_units`, `mesh_format`, `mesh_filename` | 单位与网格文件名 |
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| Frequency | `Freq_distribution_num`, `Freq_distribution_type`, `Freq_distribution_info` | 频点扫描；`type=4` 为单频点 |
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| Material | `num_materials`, `material_name_i`, `permittivity_i`, … | 材料库 |
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| Boundary | `num_boundary_conditions`, `bound_mark_i`, `bound_type_i` | 面标记与 BC |
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| Excitation | `num_*_excitations`, `general_*`, `lumped_*`, `exterior_*` | 波端口 / 集总 / 平面波 |
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| IIEE | `iiee_truncation_method`, … | 积分方程加速（FEM027 等） |
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### 3.3 `Design.em.mesh` 结构（ASCII，二阶四面体）
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根据 `FEM001` 样例解析，格式草案如下：
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```
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<nVertex>
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<nEdge>
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<pad0> # 样例为 0
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<pad1> # 样例为 0
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<Vertex> × nVertex
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每行: x y z (科学计数, geometry_units 一致, 样例为 mm)
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<Tet> × nTet
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每行: v0 v1 v2 v3 e0 e1 e2 e3 e4 e5 0 0 0
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└─4 顶点索引(1-based)─┘ └─6 边索引─┘ └占位┘
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```
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- `variational_order = 2` 时，每单元 6 条边 DOF，与行内 6 个边号一致。
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- 后续可能还有三角面 / 边界标记块（需在适配器首版用 LASPCEM 日志或 `Design_innerPartsIDs.dat` 交叉验证）。
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**禁止**假定与 `project_*.dat` 行格式相同；必须经 **`EmMeshImporter`** 转为 OpticsFEM 3D 网格（§5.2）。
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## 4. 适配架构
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```
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┌─────────────┐ ┌──────────────────┐ ┌─────────────────────┐
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│ 前端/脚本 │────▶│ OpticsFEM_All │────▶│ 3D FEM 内核 │
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│ casePath │ │ + LASPCEM 分支 │ │ (EigenMode/Freq/ │
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│ InputMode │ └────────┬─────────┘ │ Scatter 3D) │
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└─────────────┘ │ └─────────────────────┘
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▼
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┌──────────────────┐
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||
│ LaspcemAdapter │
|
||
│ · EmParser │
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||
│ · EmMeshImporter │
|
||
│ · EmToJson │
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└────────┬─────────┘
|
||
▼
|
||
┌──────────────────────────────┐
|
||
│ 内部: opticsfem_case.json │
|
||
│ mesh_3d.dat|json │
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└──────────────────────────────┘
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```
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建议新增源文件：
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- `opticsfem-master/Interface/LaspcemAdapter.h|.cpp`
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- `opticsfem-master/mesh/Mesh_3D_Laspcem.cpp`（或扩展现有 `Mesh_3D_Interface.cpp`）
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## 5. OpticsFEM 侧扩展接口
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### 5.1 对外 JSON 包装（调用 `.em` 时）
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在 `OpticsFEMData.data` 中增加 **包装对象**（兼容原纯 JSON 调用）：
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```json
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{
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"InputMode": "laspcem",
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||
"CaseId": "FEM001_RecHorn",
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"EmPath": "Z:/.../laspcem-case/FEM001_RecHorn/out/FEM001-RectHorn/1_Result/Design.em",
|
||
"WorkDir": "Z:/.../output/FEM001_run1",
|
||
"OutFile": "./OutFile",
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||
"OverwriteConverted": false
|
||
}
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```
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| 字段 | 类型 | 必填 | 说明 |
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|------|------|------|------|
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| `InputMode` | string | 是 | 固定 `"laspcem"`；缺省或其它值走原 JSON 路径 |
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| `EmPath` | string | 是 | `Design.em` 绝对或相对路径 |
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| `WorkDir` | string | 否 | 转换产物目录；默认 `EmPath` 所在目录 |
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| `CaseId` | string | 否 | 五例 ID，用于加载内置映射缺省值 |
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| `OutFile` | string | 是 | 结果输出目录（与原 API 一致） |
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| `OverwriteConverted` | bool | 否 | 是否强制重新解析 `.em` |
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**返回值扩展**（`OpticsFEM_All`）：
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| 返回值 | 含义 |
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|--------|------|
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| 0 | 失败 |
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| 1–3 | 原 2D FemType 成功 |
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| 10 | LASPCEM → 3D 本征频率成功（规划） |
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| 11 | LASPCEM → 3D 散射成功 |
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| 12 | 仅完成转换，未求解（调试） |
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### 5.2 适配器输出：内部 `opticsfem_case.json`
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适配器根据 `Design.em` 生成，字段 **超集** 于二维 JSON，并增加 3D 专用项：
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```json
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{
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"FemType": 11,
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||
"Dimension": 3,
|
||
"InputSource": "laspcem",
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||
"SourceEm": "Design.em",
|
||
"EletricType": 2,
|
||
"ElementOrder": 2,
|
||
"GeometryUnits": "mm",
|
||
"NbrDomain": 3,
|
||
"matType": [0, 0, 0],
|
||
"epsilonrR": [1.0, 1.0, 1.0],
|
||
"epsilonrI": [0.0, 0.0, 0.0],
|
||
"murR": [1.0, 1.0, 0.999991],
|
||
"murI": [0.0, 0.0, 0.0],
|
||
"sigma": [0.0, 1e30, 5.8e7],
|
||
"NbrBoundary": 6,
|
||
"BoundaryFlag": [0, 1, 0, 0, 2, 7],
|
||
"freq": 8.43e9,
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||
"MeshFile": "mesh_3d_converted.dat",
|
||
"OutFile": "./OutFile",
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||
"laspcem": {
|
||
"bound_map": [{"mark":0,"type":"NULL"}, {"mark":1,"type":"PEC"}],
|
||
"excitations": {"waveport_general": 1}
|
||
}
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||
}
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```
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说明：
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- `FemType: 11` 为本文建议的 **LASPCEM 3D 散射** 专用路由（实现前可用 `FemType: 2` + `Dimension: 3` 过渡）。
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- `freq`：由 `Freq_distribution_info` 首项（MHz）× `1e6` 得到 Hz（五例均为单频 `Freq_distribution_type=4`）。
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- `laspcem` 子对象存放 **无法直接映射** 的原始信息，供调试与后续扩展。
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### 5.3 三维网格输出 `mesh_3d_converted.dat`（建议）
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对齐 `3d光学fem完整实现_f4164ab1.plan.md`，采用关键字文本或 JSON：
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```
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NbrVertex
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<n>
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||
Vertex
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x y z
|
||
...
|
||
NbrEdge
|
||
<n>
|
||
Edge
|
||
i j
|
||
...
|
||
NbrTet
|
||
<n>
|
||
Tet
|
||
v1 v2 v3 v4
|
||
EdgeOfTet
|
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e1 e2 e3 e4 e5 e6
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||
DomainOfTet
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<domainId per tet>
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NbrTri
|
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<n>
|
||
Tri
|
||
...
|
||
DomainOfTri
|
||
...
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NormOfFace
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nx ny nz
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```
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索引规则：
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- LASPCEM `.mesh` 若为 **1-based**，导入 OpticsFEM 时统一转为 **0-based**（与二维 `DomainOfTri` +1 逻辑相反，需在适配器文档与代码中固定一种约定并在五例测试中锁定）。
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## 6. 字段映射规范
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### 6.1 问题类型判定
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| LASPCEM 特征 | OpticsFEM `FemType` | 备注 |
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|--------------|---------------------|------|
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| `physics = wave_equation` + 端口/平面波激励 | **11**（3D Scatter） | 五例均属此类 |
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| 无激励 + 腔体本征（未在五例出现） | 10（3D EigenFreq） | 预留 |
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| `iiee_truncation_method = true` | 仍 FEM 主求解，IIEE 仅加速 | 不单独改变 FemType |
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### 6.2 频率
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| Design.em | OpticsFEM |
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|-----------|-----------|
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| `Freq_distribution_type = {4}` 单频 | 单频散射 |
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| `Freq_distribution_info = { fMHz, fMHz, 1 }` | `freq = fMHz × 1e6`（Hz） |
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||
| 波长需求 | `lambda = c0 / freq`（`c0 = 299792458` m/s，与 `Solver_LdaDom::GetSolver2` 一致） |
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### 6.3 材料 `material_name_i` → `matType` / 电磁参数
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| LASPCEM | 条件 | `matType` | OpticsFEM 字段 |
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|---------|------|-----------|----------------|
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| Vacuum | `permittivity=1`, 无损耗 | 0 | `epsilonrR=1`, `sigma=0` |
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| PEC | `electric_conductivity ≥ 1e20` 或名称 PEC | 0 | `sigma=1e30`（或边界 PEC 处理） |
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| 各向同性介质 | `definition_type = Isotropic` | 0 | `epsilonrR`, `murR`, `sigma` 或 Tanδ 换算 |
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||
| 各向异性 | `definition_type = Anisotropic` | **2**（对角）或 **3**（全张量，扩展） | `epsilonrR` 取 3×3 对角；非对角项进 `laspcem.anisotropic` |
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||
**Tanδ → 损耗**：`epsilonrI = epsilonrR * tanδ`（各向异性时对角元分别处理）。
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||
**域 ID**：由 `.mesh` 单元块或 `MESH/Design_innerPartsIDs.dat` 提供；无域表时，按材料名绑定默认域序号（适配器配置表）。
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### 6.4 边界 `bound_type` → `BoundaryFlag`
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| bound_type | bound_mark | BoundaryFlag | OpticsFEM 结构 |
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|------------|------------|--------------|----------------|
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| NULL | m | 不占用边界数组 | — |
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| PMC | m | **0** | 内置 PMC 列表 |
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| PEC | m | **1** | 内置 PEC 列表 |
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| ABC | m | **2** | `sbc`（吸收边界，类型待定义） |
|
||
| FCBC | m | **7**（扩展） | 有限电导面；`laspcem.fcbc={sigma,mur}` |
|
||
| GEN | m | **8**（扩展） | 广义波端口；映射 `port` 或 `laspcem.waveport` |
|
||
| LPO | m | **9**（扩展） | 集总端口；`laspcem.lumped={R,X,integ}` |
|
||
|
||
> 二维已有：`0=PMC, 1=PEC, 2=SBC, 3=ELE, 4=PBC, 8=MAG, 9=SCD`。三维 LASPCEM 扩展标志 **7–9** 需在 `Phy_WaveOpticsModel::Test_ReadData` 3D 分支中实现。
|
||
|
||
### 6.5 激励
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||
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||
| LASPCEM 块 | 条件 | OpticsFEM |
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|------------|------|-----------|
|
||
| `num_waveport_excitations` 第三项 > 0 | `general_*` + `bound_type=GEN` | `port` 或 `laspcem.waveport.general` |
|
||
| `num_waveport` 第四项 > 0 | `lumped_*` + `LPO` | `laspcem.lumped`（电阻、积分线坐标） |
|
||
| `num_exterior_excitations` 第一项 > 0 | `exterior_*` 平面波 | `sbc` 入射波 + `bound_type=ABC` 面 |
|
||
| 多入射角 `exterior_type=Multiple` | FEM049 | `laspcem.exterior.scan[]`，首版可只取第一组角度 |
|
||
|
||
### 6.6 单元阶次
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||
|
||
| Design.em | OpticsFEM |
|
||
|-----------|-----------|
|
||
| `variational_order = 2` | `ElementOrder = 2`，组装二阶 Nedelec（20 DOF/四面体，见规划文档） |
|
||
| `geometrical_order = 2` | 几何二阶映射到 `Mesh_3D` 高阶几何节点（可选） |
|
||
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||
---
|
||
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||
## 7. 五案例对照表
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|
||
统一入口目录：`laspcem-case/<CaseId>/out/<Project>/1_Result/`
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||
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| CaseId | Project | Design.em / .mesh | 频率 (GHz) | 材料数 | 边界要点 | 激励要点 | 建议 OpticsFEM 路由 |
|
||
|--------|---------|-------------------|------------|--------|----------|----------|---------------------|
|
||
| **FEM001_RecHorn** | FEM001-RectHorn | `.../1_Result/Design.em` | 8.43 | 3（Vacuum, PEC, copper） | PEC/PMC/ABC/FCBC/**GEN** | 广义波端口 ×1 | FemType **11**, freq=8.43e9 |
|
||
| **FEM009_Patch_MetalSurface** | FEM009-Patch_MetalSurface | 同上 | 2.80 | 4 | 含 **FCBC**（Groiss SR） | 广义波端口 ×1 | FemType **11** |
|
||
| **FEM013_MountPatch** | FEM013-MountPatch | 同上 | 2.45 | 3（含 FR4） | 含 **LPO** | 集总波端口 ×1 | FemType **11** + `laspcem.lumped` |
|
||
| **FEM027_HalfAmygdala_FEIE** | FEM027_HalfAmygdala_FEIE | 同上 | 0.30 | 2 | ABC + **IIEE/MLFMA** | **平面波** Single | FemType **11** + `sbc` 平面波 |
|
||
| **FEM049_Anisotropic** | FEM049 | 同上 | 3.00 | 5（3 各向异性块） | ABC | **多角度平面波** Multiple | FemType **11** + 各向异性材料 |
|
||
|
||
**完整路径示例（FEM001）**：
|
||
|
||
```
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||
Z:\home\项目文件\西电-合作\laspcem-case\FEM001_RecHorn\out\FEM001-RectHorn\1_Result\Design.em
|
||
Z:\home\项目文件\西电-合作\laspcem-case\FEM001_RecHorn\out\FEM001-RectHorn\1_Result\Design.em.mesh
|
||
```
|
||
|
||
**页面设计（PDF）建议暴露字段**：
|
||
|
||
| 页面控件 | 绑定 |
|
||
|----------|------|
|
||
| 算例选择下拉 | `CaseId` 五选一 → 自动填充 `EmPath` |
|
||
| 频率只读 | 解析 `Freq_distribution_info` |
|
||
| 边界列表 | 解析 `num_boundary_conditions` |
|
||
| 材料表 | 解析 `num_materials` |
|
||
| 输出目录 | `OutFile` |
|
||
| 运行 | 调用 `OpticsFEM_All`，`InputMode=laspcem` |
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 8. C++ 实现要点（与思维导图节点对应）
|
||
|
||
### 8.1 接口层 `FEM_Interface.cpp`
|
||
|
||
```cpp
|
||
int OpticsFEM_API::OpticsFEM_All(OpticsFEMData data) {
|
||
json js = json::parse(data.data);
|
||
if (js.value("InputMode", "") == "laspcem") {
|
||
LaspcemAdapter adapter;
|
||
std::string jsonPath, meshPath;
|
||
adapter.Convert(js.at("EmPath"), js.value("WorkDir", ""), jsonPath, meshPath);
|
||
// 将 jsonPath 内容读回 data 或直接传内部结构
|
||
return RunFromInternalJson(jsonPath, meshPath);
|
||
}
|
||
// 原有 FemType 0–3 逻辑
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 8.2 `LaspcemAdapter::Convert` 步骤
|
||
|
||
1. 解析 `Design.em`（键值 + `{ ... }` 数组块，`#`/`--` 注释行忽略）
|
||
2. 校验 `mesh_filename` 存在且为 `Design.em.mesh`
|
||
3. `EmMeshImporter::Load(mesh)` → `Mesh_3D`
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4. `EmToJson::Build(em, meshMeta)` → `opticsfem_case.json`
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5. `Mesh_3D::Export(mesh_3d_converted.dat)`
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6. 写 manifest：`case.converted.json`（记录源路径、哈希、转换时间）
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### 8.3 与二维思维导图差异
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| 二维 | LASPCEM 3D |
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| 三角网格 + 边 DOF 混合 | 纯四面体 Nedelec |
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| `Mesh_2D::GetMesh` | `Mesh_3D::GetMeshFromLaspcem`（新增） |
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| TM/TE `EletricType` | 固定 `EletricType=2`（全矢量） |
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| 无 IIEE | `iiee_*` 记入 `laspcem`，首版可忽略 |
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## 9. 错误码与日志
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| 代码 | 场景 |
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| E001 | `EmPath` 不存在 |
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| E002 | `Design.em.mesh` 缺失 |
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| E003 | `.em` 键缺失（如无 `Freq_distribution_info`） |
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| E004 | 网格段行数与声明不符 |
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| E005 | 不支持的 `bound_type` |
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| E006 | 各向异性材料未实现 |
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| E007 | `FemType` 3D 求解器未就绪 |
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日志：转换阶段写 `WorkDir/adapter.log`；求解阶段沿用 `_SolverPip_0.log` 风格。
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## 10. 验收与测试计划
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| 步骤 | 内容 |
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| T1 | 五例 `Convert()` 成功，生成 `opticsfem_case.json` + `mesh_3d_converted.dat` |
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| T2 | 网格守恒：顶点数、四面体数与 LASPCEM 一致 |
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| T3 | 材料/边界条数与 `Design.em` 一致 |
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| T4 | FEM001 远场 / S 参数与 LASPCEM `export/*.csv` 对比（容差待定） |
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| T5 | FEM049 各向异性 ε 张量对角元与 `.em` 一致 |
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## 11. 版本路线
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| 版本 | 内容 |
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| v0.1 | 本文档 + 五例路径与映射表 |
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| v0.2 | `EmParser` / `EmMeshImporter` 原型，FEM001 网格贯通 |
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| v0.3 | 边界 GEN/LPO/平面波 + FEM013/FEM027 |
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| v0.4 | 各向异性 FEM049 + IIEE 忽略说明 |
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| v1.0 | `OpticsFEM_All` 正式返回码 11，页面联调 |
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## 12. 附录 A：`Design.em` 键名索引（解析器必支持）
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physics, basis_functions, variational_unknown, geometrical_order, variational_order,
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geometry_units, mesh_format, mesh_filename,
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Freq_distribution_num, Freq_distribution_type, Freq_distribution_info,
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num_materials, material_name_*, definition_type_*, permittivity_*, permeability_*,
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electric_loss_type_*, dielectric_loss_tangent_*, electric_conductivity_*,
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||
num_boundary_conditions, bound_mark_*, bound_type_*, bound_conduc_*, bound_mur_*,
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||
num_interior_excitations, num_exterior_excitations, num_waveport_excitations,
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general_*, lumped_*, exterior_*,
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iiee_truncation_method, iiee_truncation_aceleration, iiee_truncation_error
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```
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## 13. 附录 B：与 `测试数据集` 命名对照
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| 测试数据集 | LASPCEM 五例 |
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| `case1.json` | `Design.em` |
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| `project_3299_15.dat` | `Design.em.mesh` |
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| `mesh.json`（辅助） | `MESH/Mesh_Statistics.dat`、`tetmaps.dat`（可选校验） |
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*文档结束。实现时以 `opticsfem-master` 源码与五例实文件为准；若 LASPCEM 升级导致 `.mesh` 增段，须同步修订 §3.3。*
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