三维水声传播建模及并行算法研究

宽带声传播、匹配场定位、水下环境仿真等技术的发展对水声传播提出了越来越高的要求,如何开发快速准确并与实际海洋环境条件相吻合的三维声传播模型,并充分利用现代计算机技术实现声传播的快速计算已成为水声技术的一个重要研究方向。基于波束位移射线简正波(BDRM)理论,将射线-简正波方法和简正波-抛物方程方法结合起来,建立三维射线-简正波-抛物方程模型,同时为满足三维声场计算的时间需求,设计了射线-简正波-抛物方程模型并行算法,在高性能集群系统上的测试分析结果表明,设计的并行算法具有较高的并行计算效率。     

特定并行处理机上MUSIC算法的并行实现

用自行研制的一台使用4片TMS320C40，且利用共享内存作为主要通讯手段的数字信号高速并行处理机实现了MUSIC算法的高速并行计算。实验证明，所提出的并行算法稳定、有效，MUSIC算法的并行计算取得了较好的结果。     

水平不变海洋声道中WKBZ简正波方法的并行算法

并行算法是解决大数据量运算耗时过久的重要途径，在PC机群上实现并行算法是一种低成本、高效率的解决方案。首先介绍了计算机机群系统，在此基础上，建立了基于LINUX和MPI的PC机群实验环境，实现了WKBZ简正波方法并行计算，并利用建立的试验平台，对并行算法进行了测试，比较了并行WKBZ简正波计算和串行WKBZ简正波计算耗时的差异。根据理论研究和实际测试的结果，总结了利用PC机群系统进行并行WKBZ运算的可行性，得出了一些有意义的结论。     

并行计算机上数值算法的构造原理

本文举例说明了并行数字计算机上数值算法的一些构造思想,为在并行计算机上进行数值计算或数字仿真提供一些处理的途径。文中首先从算法构造的观点对一些并行处理机作了简单的介绍,并按构造算法将它们划分成三种类型,即向量运算型、局部存贮向量运算型和运算块分解型,接着讨论了如何将串行算法改造成并行算法,即利用算法中的自然并行性和向量扩充法。讨论了递归问题的并行算法的构造思想,特别讨论了非线性递归问题的迭代并行计算,举例介绍了构造并行算法的杂凑技术,最后介绍并行计算机上异步信息处理的算法。 本文综述了作者构造并行算法的一些经验,以及文献中的并行算法的一些构造途径。     

电力系统暂态稳定仿真并行算法的研究进展

随着高性价比的可扩展集群并行系统的逐步成熟和应用，大规模电力系统暂态稳定并行计算和分布式实时仿真成为可能，本文首先介绍了电力系统暂态稳定的计算模型及基本算法，分析了算法中存在的困难。然后从算法的基本原理和实用效果入手，综述了空间并行，波形松弛和时空并行电力系统暂态稳定算法的研究进展，。比较了各种并行算法的优点和局限性，并指出基于集群系统的粗粒度区域分解暂态稳定并行算法最具发展潜力。     

基于集群的水声宽带波形预报系统设计与实现

水声宽带波形预报是水下声信息传输的重要环节,是实现传感器信号级仿真的关键技术.首先 介绍了基于波束位移射线简正波(BDRM)理论的频域宽带模型,引入宽萨模型频域近似展开技术,提高模型计算速度;然后基于集群的高性能并行计算技术,提出宽带模型并行算法,实现快速准确的宽带信号波形预报;最后,以曙光高性能并行平台为开发基础,构建基于集群的水声宽带波形预报系统,并对系统组成、体系结构和并行算法框架进行了分析和设计.     

多核并行计算技术在景象匹配仿真中的应用

随着计算机技术向多处理器以及多核的架构发展,以OpenMP和线程构建模块（thread building blocking, TBB）为代表的多核处理器并行计算平台的应用得到重视。对多核并行计算技术在建模仿真领域的应用进行了初步探讨,以景象匹配仿真计算为例,基于OpenMP和TBB并行计算平台构建了一个景象匹配评估平台,对不同的景象匹配算法效率进行评估。对多核并行计算技术及其在景象匹配仿真算法中的应用进行了详细介绍,并通过仿真实验验证多核并行计算技术能够大大提高景象匹配评估平台的运行效率,从而有效地支持对导弹真实景象匹配制导系统相关算法进行验证和研究。     

可视化仿真中三维建模策略研究

对可视化仿真中的三维建模技术进行了研究。从模型的实现途径入手,分析了各种建模方法的特点和应用领域,给出了建模方法的选择策略;对主流三维建模工具进行了深入探讨,给出了建模工具的应用策略;针对仿真对模型的管理和调用需求,分析了层次化建模的必要性;针对大量模型的异构问题,通过实践探索了几种主流三维格式到FLT格式的途径,给出了模型的归一化策略;最后对三维实体模型的建模流程进行了归纳,并演绎出具有一般意义的三维实体建模策略集,对可视化仿真中的三维实体建模具有了一定的参考价值。     

多视图像的三维重建并行计算仿真平台

针对基于视频图像的三维重建所需设备复杂和计算量大的问题,提出基于CUDA的可视外壳并行计算仿真实验平台。用三维图形绘制管线中的视点模拟真实相机,应用相机参数将各图像中物体轮廓坐标统一转换到世界坐标系,利用CUDA并行计算可视外壳。在此平台上将基于体素的可视外壳生成算法转化为CUDA线程块并行计算,仿真实验表明加速效果明显。     

各向异性介质FDTD分析及其并行计算

研究并实现了介质电与磁本构参数均为各向异性时的三维ANI-FDTD(anisotropic medium finite-dif-ference time-domain)方法及其并行计算。分析表明,电磁场分量节点的FDTD迭代计算均涉及到其邻近28个其他场分量节点值。在此基础上,分析了实行区域分割后ANI-FDTD并行计算中的数据通信规律。通过采用相邻子域重叠半个网格的区域划分方式,传递分界面两边相关节点的场值,实现了计算机局域网内各节点机的协同并行计算。数值计算结果表明了该方法和程序的正确性。     

计算可视化的一个快速三维旋转算法

为了实现科学计算过程中动态对象的三维图形生成,提出了一个动态平行投影模型;在此基础上,导出了万能平行投影公式;通过对万能平行投影公式的分析,提出了一个新的三维图形旋转算法—投影平面自适应跟随算法(PPAF)。分析和仿真表明,PPAF的时空复杂度显著降低,相对于固定投影平面算法(FPP),计算速度可提高三倍以上,使动态对象的快速三维连续旋转成为可能。运算实例验证和展示了算法的运算效率和图形质量。     

基于ITM的复杂电磁环境并行计算方法

针对复杂电磁环境仿真中算法复杂、计算量大的特点,构建了一种基于不规则地形模型(irregular terrain model, ITM)电波传播模型的复杂电磁环境并行计算方法。该方法采用三维标量场的数据组织方式描述复杂电磁环境。在并行计算关键的任务分配阶段依据ITM模型的计算特点和三维标量场的数据组织方式,采用了以标量场列为基本单位的静态任务分配方法,有效地避免了地形提取的冗余计算,保证了节点间的负载平衡。经实验验证,该算法并行效率较高,能够有效地满足不规则地形条件下的复杂电磁环境快速计算的需要。     

一种基于PC的快速三维图像重建方法

主要从传统FDK算法的改进和数据并行计算两方面来研究快速三维图像重建算法,提出了一种Z线优先重建法,能够有效地组织和划分重建数据,从而使得对重建数据的内存访问非常连续,便于采用单指令多数据(Single Instruction Multiple Data, SIMD)技术进行数据并行处理。最后基于Intel Pentium 4 CPU的PC平台,利用SSE/SSE2技术开发了三维图像快速重建引擎。实验结果表明本文提出的方法非常有效,与原始重建算法相比,在保证图像质量不受损失的前提下取得了20倍以上的重建加速比。     

基于模型的CT三维医学图像重建仿真

2DShepp-Logan头部模型是CT二维医学图像重建领域普遍采用的经典模型。提出一种思路—以3DShepp-Logan头部模型作为CT三维医学图像重建进行仿真实验和算法性能评价的基本参考模型。首先介绍3DShepp-Logan头部模型的设计以及仿真投影数据的计算,进而描述所设计的CT三维医学图像重建仿真计算过程。数值实验部分给出了基于3DShepp-Logan头部模型的CT三维医学图像重建仿真实例。实验结果表明了该思路的可行性和模型计算的准确性。     

面向连续系统并行仿真的任务调度算法

任务调度是并行分布计算中最具有挑战性的问题之一。如何合理、有效地地进行任务调度,将直接影响到系统的并行效率。本文通过对连续系统仿真程序特点的分析,折衷考虑了负载平衡与通讯延时两方面因素对并计算的不同影响,提出了一种以系统总的开锁最小为目标的启发式调度算法。该算法在我们研制的长缨三号（ＣＨＹ－Ⅲ）并行机上经验证,具有良好的并行效率。     

基于随机阵列的NUFFT BP三维快速成像

传统的二维实阵列用于三维微波成像时,需要相对较高的脉冲重复频率才能切换发射阵元。针对这种情况,利用随机阵列来实现三维成像,目的是有效降低脉冲重复频率。进一步提出利用等效相位中心原理来实现任意随机阵列布局的可行性方案。然后,基于随机阵列,发现使用非均匀快速傅里叶变换(nonuniform fast Fourier transform,NUFFT)来实现后向投影(back projection,BP)算法的插值过程,能够用较少的运算量实现BP算法的高精度插值。最后,结合并行处理技术来实现NUFFT BP算法,结果使得BP算法的执行效率得到显著提高。     

时域有限差分并行算法中的吸收边界研究

针对并行FDTD中以二阶Mur、单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)和卷积形式完全匹配层(CPML)为吸收边界的并行化处理方法进行论述.用金属球的远区散射计算,并与Mie级数解对比,验证了并行计算中三种吸收边界的吸收效果.最后给出UPML吸收边界FDTD计算内存估计公式,并以电大尺寸目标卫星模型为例对并行性能进行了测试.由于并行中通信时间影响并行加速比和效率,UPML和CPML吸收边界的相邻子域数据通信方式与FDTD选代式相同,而Mur吸收边界的相邻子域间数据通信方式与FDTD完全不同,它的并行性能要低于前两者.电大尺寸卫星目标模型的多机并行计算测试结果表明,UPML和CPML并行FDTD计算的并行加速比及其效率整体上高于Mur,其中CPML吸收条件下的效率达到90%以上.     

偏微分高程图环境蚁群算法的三维路径规划

针对在三维空间路径规划中建模与避障问题,提出了一种新的在偏微分高程建模环境下蚁群算法的三维路径规划方法。首先,利用抽象建模和高程建模方法分别构建三维空间环境,并用偏微分对高程环境进行最优数据提取,在此基础上利用高程数学建模方法进行三维空间重建,最终形成偏微分高程环境。其次,首次将种群对于环境的最佳适应度值作为目标函数评判蚁群寻找最优路径的决策能力。最后,在不同的建模环境中应用蚁群算法进行路径寻优,输出最优路径。通过对仿真结果和实验数据分析,验证了所提方法的有效性和正确性。