并行FDTD算法初步研究

1966年Yee首次提出时域有限差分（FDTD）法，在时域中对麦克斯韦方程组进行求解．目前，FDTD法已在天线分析、雷达截面计算、电磁兼容分析等众多领域得到了广泛应用．FDTD法的稳定性要求空间步长应小于波长的十分之一，而计算时间和计算所需的内存总是与网格总数成正比．由于受到计算机存储空间和计算时间的限制，许多复杂电磁问题无法用FDTD法进行模拟．为了适应日益复杂的实际应用问题，构造并行计算机采用并行算法来满足计算需求成为必然趋势,     

Sierpinski毯式分形微带天线的FDTD Prony分析

将分形技术应用于多频段微带天线的设计是目前研究的热点。应用时域有限差分法(FDTD)对微带分形天线进行分析,采用同轴线的简化模型,使天线计算区域和同轴线区域合二为一,降低了计算复杂性。为了减少时间复杂度,采用Prony算法对FDTD时域波形进行外推。实验结果验证了分形天线的多频段特型,此天线在无线、个人移动通信中有应用前途。     

二维FDTD算法的网络并行运算实现

提出了在由微机互连构成的机群(COW)并行计算系统上应用基于消息传递(Message Passing)的方式实现二维FDTD并行算法.通过区域分割,各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行场值的数据传递,从而实现FDTD并行计算.文中还仔细分析了与FDTD相关的外围边界的并行化处理.我们采用MPI并行编程工具来实现并行FDTD算法.文中以二维金属方柱算例验证了算法的正确性和有效性,为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一条有效途径.     

二维FDTD算法的网络并行运算实现

提出了在由微机互连构成的机群（COW）并行计算系统上应用基于消息传递（Message Passing）的方式实现二维FDTD并行算法。通过区域分割，各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行场值的数据传递，从而实现FDTD并行计算。文中还仔细分析了与FDTD相关的外围边界的并行化处理。我们采用MPI并行编程工具来实现并行FDTD算法。文中以二维金属方柱算例验证了算法的正确性和有效性，为运用FDTD方法进行电大尺寸复杂电磁问题数值模拟计算提供了一务有效途径。     

PO-MoM结合近场预条件技术分析复杂载体上线天线辐射特性

提出了一种将近场预条件技术与物理光学-矩量法(PO-MoM)相结合的新技术,并应用于分析电大尺寸复杂载体上线天线的辐射问题.根据PO-MoM方法导出系数矩阵元素的物理意义,忽略PO区的影响,构造出一个稀疏化系数矩阵的近似阵.采用LDU分解和简化的分块Gauss消元算法,快速构造出一个矩阵分解形式的预条件阵.将该预条件阵用于预条件广义最小留数(GMRES)法迭代求解线性方程组,对一个复杂金属载体上的线天线辐射问题进行了分析,验证了此方法的有效性和正确性.在此基础上,计算了一个尺度与真实尺寸相当的舰船模型上超短波天线的远场辐射特性.数值结果表明,采用该技术可以快速有效地分析舰船、飞机等真实移动平台上线天线的辐射特性.     

Vivaldi超宽带天线时域特性的FDTD分析

针对典型 Vivaldi超宽带天线时域特性分析较难的问题,设计了适用于3.1～10.6 GHz 的Vivaldi天线,并利用时域有限差分算法(FDTD)进行建模和计算.仿真结果表明,该Vivaldi天线电场信号的脉冲延续时间约为0.5 ns,振铃效应较小,高频部分比低频部分相位失真严重.FDTD分析为该天线校正相位、改进消除波形失真的方法提供了理论依据.     

弹性波时域仿真的两个问题

为了解决医学超声探测的动态计算机仿真问题，将计算电磁学的时域有限差分(FDTD)方法应用于弹性机械波的模拟．建立了模拟弹性波时的有限差分模型，给出了弹性媒质运动学方程的FDTD离散形式，提出了复杂媒质边界的处理方法，用完全匹配层吸收边界截断计算区域．数值实验验证了上述模型和计算方法的有效性．     

基于XFDTD电磁环境仿真中的雷达天线建模

通过阐述研究电磁环境仿真的重要意义,尤其是电磁环境仿真中的信号仿真,应用FDTD算法对雷达信号特征进行分析。为提电磁环境模拟逼真度,以雷达天线为例,通过三维电磁仿真平台XFDTD软件,完成天线的仿真,并给出天线指定点的电磁场信息,实现了全软件的方法进行仿真模拟,将仿真出的结果进行分析,为电磁环境仿真模拟的纯软件建模提供了理论依据和支持。     

FDTD／MoM用于耦合口径辐射的数值仿真

对屏蔽体耦合口径的辐射问题进行数值仿真时，导体盒内部结构的复杂性，以及导体盒外部近场到远场的变换是其中的难点所在．时域有限差分法（FDTD）可以处理内部结构复杂、非均匀介质的情况，而矩量法（MoM）擅长处理电大尺寸的辐射问题，因此可以把2种方法相结合来处理此问题．在导体盒内部由于结构和介质上的复杂性，使用了FDTD，在计算导体盒外部远场情况时，使用基于电场积分方程（EFIE）的MoM来变换到远场，从而解决了导体盒耦合口径的辐射问题，节省了计算机内存和计算时间．     

FDTD方法分析多带无线系统中的宽带单极性天线

平面单极性天线可用来提供很高的的阻抗带宽特性,应用于目前或将来的宽带系统中．采用三维时域有限差分法(FDTD)对平面单极性天线周围空间的电场及磁场的分布进行可视化计算,并计算出该天线在不同频率下的输入阻抗和反射损耗,从而得到天线的工作带宽,以验证设计原理。     

基于CUDA平台的时域有限差分算法研究

文章针对传统时域有限差分(FDTD)算法的不足,以图形加速卡为核心,通过理论分析和数值模拟,研究并实现了基于CUDA平台的FDTD并行算法。CUDA是最新的可编程多线程的通用计算GPU模型,由于FDTD算法在空间上具有天然的并行性,因此非常适合在GPU上实现并行算。文章描述了在CUDA编程模型上的FDTD算法的设计以及优化过程,并通过数值仿真实验结果证明了基于GPU的并行FDTD算法可以大大减少计算时间,基于GPU加速已成为电磁场数值计算的研究热点之一。     

改进的高阶FDTD方法在散射问题中的应用

对Maxwell方程进行了变形,变形后的方程将所考查的媒质空间的特性集中反映在2个本构关系式中,大大简化了FDTD方法实现的难度。为了提高精度,推导了变形后麦氏方程的高阶FDTD差分格式,实现了高阶FDTD(HO-FDTD)的理想匹配层(PML)吸收边界条件,并对介质目标的雷达散射截面(RCS)进行了数值计算,计算结果表明,该方法具有很高的计算精度和计算效率。     

自适应交叉近似算法在矩量法中的应用

矩量法(Method of Moment, MoM)计算电大目标辐射与散射问题时消耗计算机资源巨大。采用自适应交叉近似算法(Adaptive Cross Approximation Algorithm, ACA)降低了MoM计算电大问题时的内存需求与计算复杂度,借助NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)建模方法设计了形状规则且边界清晰的ACA三维分组方法,从而实现了基于矩量法的ACA算法。通过算例证明该方法在不损失MOM的计算精度的前提下有效地降低了存储空间和计算量,并通过与商业软件计算结果对比,验证了算法准确有效。     

非平行多导体传输线串扰的快速时域分析算法

基于高阶FDTD(2,4)方法(时域有限差分方法)和传输线方程研究一种高效的时域混合算法,实现非平行多导体传输线串扰的快速计算.首先,将非平行多导线按照时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)网格分解成多段相对独立的传输线段.然后,采用传输线方程,构建各段多导线的串扰模型.由于传输线方程的精度取决于非平行多导线的单位长度分布参数,因此,根据平行多导线单位长度分布参数经验公式,推导了适用于非平行多导线的单位长度分布参数计算公式.最后,采用高阶FDTD(2,4)的大空间步长对传输线方程进行差分离散,从而在不影响计算精度的前提下,大幅减少迭代网格数,提高了计算效率.通过理想导电板上非平行多导线不交叉和交叉两种情况下的串扰仿真,与商用电磁仿真软件CST的计算结果和耗用时间进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.     

一维河网非恒定流数学模型的并行计算

运用并行计算,求解一维河网Preissman四点隐式差分格式离散方程组中耗时最多的节点水位方程组,有效缩减了模型的求解时间.针对当前商业并行编程平台不能实现进程迁移和网络异常情况下无法保证计算结果正确性的现状,自主开发了并行通讯平台,并根据模型并行计算需要制定了相关通讯协议.以上海浦东河网为例进行了数值模拟.结果表明:当河道数一定时,存在最优客户端数;当客户端数小于最优客户端数时,并行算法所需时间小于串行算法时间,并随着客户端数增加所需时间也逐渐减少;反之,所需时间则逐渐增大.     

MPI环境下FDTD高效率网络并行计算研究

FDTD(FiniteDifferenceTimeDomain)计算复杂电磁场问题存在计算时间长和内存耗用大的难题,并行计算可以减少单机处理量,是解决该难题的有效途径.本文针对网络并行系统特点结合FDTD算法,提出了有效的优化步骤,采用MPI并行函数库实现高效率FDTD并行计算.在一套16台微机组成的网络并行计算机系统上完成了三维FDTD并行计算举例.计算结果证明了该方案的正确性,并且得到了较高的并行效率.     

一种基于信息传递的MIMO系统符号检测算法

提出了一种新的基于信息传递的MIMO系统符号检测算法.该算法首先采用MMSE方法进行均衡,以均衡后的软信息为基础,按照各接收天线上接收信号的信干噪比大小,以单个接收天线为单位,依次对选定的发送符号作进一步判决,每次判决的结果均传递给其他接收天线,用来参与对其他符号的检测.理论分析和仿真结果均表明,该算法可以有效改善传统MMSE均衡的效果,在接收天线数目不是很大的情况下,可以取得与V-BLAST算法相当的性能,相比于V-BLAST算法,计算复杂度大大降低.