用FDTD法建模波导器件时数值色散的仿真研究

时域有限差分法(FDTD)在电磁场数值计算中占有重要的地位。但是,由于时域有限差分法只是原Maxwell旋度方程的一种近似,当在计算机的存储空间对电磁波的传播进行模拟时,即使是在非均匀介质中也会出现色散现象,且电磁波的相速度随波长、传播方向及变量离散化的情况而发生变化。受计算机存储空间和计算速度的限制及色散机理的多样性和复杂性,少有文献对此进行精确定量的数值分析。本文通过对平面光波导在不同时间步长和空间步长时光场分布的仿真,探讨了减小FDTD法数值色散的具体措施,对改进FDTD法固有缺陷和提高FDTD法计算精度具有直观的理论指导,为复杂波导器件的设计和制造提供了预测手段。     

复杂电大平台天线EMC问题的并行FDTD分析

为了对复杂电大平台天线EMC（electronic—magnetic compacity,电磁兼容）问题进行分析,提出基于MPI编程环境的并行FDTD算法．通过区域分割技术将计算区域分成子区域进行计算,实现了计算资源的扩展和计算时间的缩减．天线隔离度的分析中,FDTD作为时域方法,通过傅里叶变换可快速求解,避免了扫频计算的复杂性．数值结果表明,这种方法可以对复杂电大平台天线方向图和隔离度进行准确、快速地计算．     

FDTD计算功率变换器近场到近/远场的转换

从理论上分析了利用时间有限差分法由近场到近场或远场转换的频域和时域两种方法，并选择时域的方法计算在FDTD计算范围内一给定点的电场值，与直接利用FDTD法得到的结果相比较，两者非常一致；最后利用该方法计算了功率变换器FDTD计算范围外一给定点的电磁场时间响应．     

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．     

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．     

不同网格长度对FDTD分析计算的影响

时域有限差分(FDTD)法作为一种数值计算方法,在对电磁问题分析时存在不可避免的问题.着重分析了不同网格长度对FDTD分析电磁问题结果的影响,简明扼要地阐述了FDTD数值稳定性条件和数值色散问题中的空间步长和时间步长的关系,通过实验说明在FDTD计算中确定网格长度的依据,即网格长度应满足一定的条件Δ<λ/10,同时还要考虑到时间步长Δt的取值来保证FDTD计算的稳定性.     

多层媒质中电磁波反射与透射的FDTD研究

以时域有限差分法（FDTD）方法为工具,研究了电磁波在多层媒质中的反射与透射情况．为验证该方法的有效性,给出了三层媒质的反射与透射系数,而FDTD法的计算结果与之相符较好．由于FDTD法模拟了波的自然传播情况,因此在处理多层复杂媒质的反射与透射问题以及显示全空间的场强分布方面,相对解析方法有着巨大的优势．     

一种改进的时域有限方法——紧致格式FDTD算法

在传统的二维弹性固体二阶时域有限差分(FDTD)法的声场方程基础上,从空间的差分格式对其进行改进,提出了一种改进的时域有限方法——紧致格式FDTD算法,从而使计算精度和计算速度都得到提高。实验结果表明,与二阶指数差分FDTD算法相比,紧致格式FDTD算法计算精度更好,仿真时间更短,具有更高的效率。     

减缩时域有限差分法在电磁干扰预测中的应用

对减缩时域有限差分(R-FDTD)法进行了改进，采用传统时域有限差分(FDTD)法计算导体和源网格处的电场，其余网格处的电场采用R-FDTD法计算．细导线附近网格上的磁场也采用传统FDTD法计算，这样可以消除直接利用R-FDTD法计算时长时间迭代后出现的不稳定性．用这种改进的R-FDTD方法分别对一个在导体壁上开有水平和垂直缝隙的矩形屏蔽外壳的电磁干扰进行了预测，得到了屏蔽外壳激励源的输出功率曲线和屏蔽外壳的泄漏功率曲线，所得的计算结果与文献报道的实验数据吻合．     

Z变换应用于色散媒质FDTD计算的研究

时域有限差分（FDTD）方法是计算时域电磁散射和辐射的一种简单有效的方法,仅通过一次运算就可得到系统的宽频带信息,因此被广泛应用于求解电磁场问题．但在使用FDTD计算和仿真电磁波在色散媒质中传播特性的时候,由于介电参数的复杂性,往往给计算带来一些困难,因此将Z变换理论应用到色散媒质中的FDTD计算当中,对麦克斯韦方程做了修改,使得FDTD计算式独立于色散媒质函数,并给出色散媒质中与频率有关的FDTD表达式,仿真了二维情况下电磁波在自由空间和色散媒质中的传播．此方法具有计算量小、实现简单等优点．     

改进的并行高斯全主元消去法

为减少Gauss全主元消法的运行时间，用多进程与多线程混合的方式对其进行了并行化，同时对该算法进行了改进．采用MPI并行I／O技术提高读取数据文件的速度，降低对内存的需求；采用标志数组避免了选主元后换行带来的通信开销；使用线程模型确定最优线程数，提高运行消去的速度；通过预先发布机制降低回代求解步骤的时间复杂度．实际运行结果表明，随着方程组阶数增大，加速比也逐渐增大，对于5000元的方程组，8进程同时运行，加速比可达6．68，并行效率稳定在0．85左右．这表明该算法具有可扩展性和稳定的并行效率，适用于大规模并行计算．     

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.     

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。     

基于MPI的二维经验模分解并行算法

针对二维经验模分解(BEMD)处理大尺寸图像耗时较长的问题,提出了一种基于MPI技术的BEMD并行算法.对BEMD串行程序中极值点选取、平面三角剖分、三角域内数值插值等几个主要部分的运行时间进行了统计,结果表明三角域内数值插值是耗时的主要部分,也是并行化的重点处理部分;随后在高性能计算平台上构建并行环境,基于MPI技术对BEMD算法的包络面生成部分实现了并行化,具体方法是先将剖分后的三角形序列按照进程数均匀划分,使整个图像分割为若干子区域并分配给相应进程,然后各进程拟合出对应子区域的上下Bezier曲面并由0进程进行合并,进而生成上下包络面;最后通过加速比等指标对该算法进行测评.结果表明,算法在30核并行执行时加速比可达20.1396,利用率为64.97%,运行效率的提升较为明显.在数据量达到原始数据的25倍时可扩展性指标为1.3975,表明该算法对大数据量的任务有很好的适应性.      

高效率FDTD网络并行计算研究

在一套Beowulf型网络并行计算机系统上,对FDTD并行化处理中的区域分割、邻近子区域之间的边界数据交换、数组操作和进程同步等关键步骤进行了研究和优化,提出了采用MPI并行函数的FDTD并行计算方案.通过三维FDTD并行计算举例,验证了并行计算的正确性,通过测试得到了较高的并行效率.     

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.     

FDTD后时间步信号的外推与实现

根据一小段FDTD计算的时域信号,利用GPOF方法提取出组成该信号的各个复指数函数,通过将这些复指数函数相加构造出时域的信号函数,并利用它进行外推计算,以求得信号在后时间步的响应,这样比完全采用FDTD方法计算节省了大量的处理问题的时间。采用Visual Basic与MATLAB的MatrixVB联合编程的方法,编写了外推计算的程序,并将该程序应用到U形双频天线进一步优化设计中,使天线的模拟效率提高了3~6倍。     

森林竞争算法的并行化及其在线天线自动设计中的应用

针对线天线自动设计中运算时间过长问题,提出了一种基于主从模型的并行森林竞争算法优化模型.主进程执行森林动态演化的竞争模型,从进程并行地执行自然树生长竞争模型并调用天线数值计算程序完成费时的阳光适应度计算.利用该算法设计出了一种端射高增益新型树结构线天线.其具有5个枝条,增益达到9.048 dBi,带宽为8.45％,在“...     

混合并行计算在海洋水龄谱模拟中的应用研究

在海洋水龄谱数值模拟过程中应用并行计算技术可以显著提高运算效率。将适用于分布式存储环境的消息传递接口(Message Passing Interface,MPI)与适用于共享存储环境的开放式多处理(Open Multi-Processing,OpenMP)两种并行计算技术相结合,提出了一种适用于海洋水龄谱数值模拟的混合并行计算模型。对比了其与传统的纯MPI方式在多核心(Chip Muti-processors)集群上的运算效率,并在此基础上研究了混合模型的系统资源利用情况以进一步了解其扩展能力。实验结果表明,MPI+OpenMP混合并行水龄谱模型具有更高的运算效率,同时系统资源消耗明显低于纯MPI方式。     

Optimizing a Parallel Video Encoder with Message Passing and a Shared Memory Architecture

Implementing video applications on emerging multi-core processors is a promising technique for personal, real-time multi-media applications. However, when porting the legacy parallel video encoders developed for clusters to shared-memory multi-cores, the existing parallel algorithms result in workload imbalances on different cores and communication inefficiencies. This paper describes a strip-wise parallel scheme to balance workloads and a hybrid communication mechanism to reduce communication overhead. The implementation of the H.264 parallel encoder on an eight CPU Intel Xeon system achieves 5x to 6x speed-up over a single thread encoder and achieves a 29% performance improvement over the commonly used master-slave schemes on clusters. The paper also gives further analysis on scalability, parallel efficiency, workload balance, and communication overhead as the number of cores varies.