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FDTD与MPSTD并行算法在电磁散射中的应用研究

作　者: 李伟峰
导　师: 杨虎
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 时域有限差分法多区域伪谱时域算法并行计算 MPI OpenMP 电磁散射
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 56次
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内容摘要

目标的电磁散射特性研究是计算电磁学的一个重要方面,广泛应用于雷达探测、遥感卫星对地观测、目标识别等领域中,具有很高的工程应用价值。目前,获取目标电磁散射特性的技术途径主要有三种:实验测量、解析方法和数值方法。由于数值方法具有快速、准确、低成本等优势,该方法得到了越来越广泛的工程应用。但是,由于实际目标往往是电大尺寸的,单台计算机在处理速度、内存需求等方面都已远远满足不了计算需求。所以,采用并行计算技术,将计算任务分解成若干可单独执行的小规模计算任务,是一种有效扩大仿真规模,提高仿真效率的途径。此外,计算机集群技术的发展,使利用普通商用计算机通过网络互联来达到并行计算成为可能。在众多的电磁仿真技术中,时域数值方法是分析复杂系统宽带电磁特性的有力工具,可实现对物理量和物理现象更深刻、更直观的理解,且经过简单的时频变换即可得到宽带范围的频域信息。因此,结合PC集群,开展并行时域算法研究,对解决电大尺寸问题具有很强的现实意义。本文主要工作包括:1.介绍了并行计算系统的组成,研究了基于分布式内存的MPI并行技术和基于共享内存的OpenMP并行技术,并对并行性能评估参数进行了分析。2.在研究基于面元模型网格自动生成技术的基础上,以判定网格点和闭合目标关系为出发点,对其中的基本原理和关键步骤进行了详细介绍,并通过实例验证了该方法的可行性与正确性。3.系统介绍了并行FDTD的算法原理,对其中的区域分割和数据交换进行了深入分析,并通过采用CPML吸收边界,使吸收边界的并行化处理完全融入到FDTD的并行过程中。通过算例,验证了并行FDTD算法的准确性与有效性。在此基础上,采用MPI和OpenMP相结合的两级并行策略,提高了并行性能。4.在阐述多区域伪谱时域算法(MPSTD)原理的基础上,结合并行FDTD实现原理,对并行MPSTD算法中的区域分割和数据交换进行了分析,初步实现了并行MPSTD算法在电磁散射问题中的应用,并通过算例验证了该算法的准确性与有效性。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-17
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 并行计算机发展历史及现状  13-14
    1.2.2 并行FDTD 研究现状  14
    1.2.3 并行MPSTD 研究现状  14-15
  1.3 论文主要内容及章节安排  15-17
第二章并行计算系统  17-25
  2.1 引言  17-18
  2.2 硬件环境  18-20
    2.2.1 依据指令流和数据流划分  18
    2.2.2 依据存储方式划分  18-20
  2.3 软件环境  20-22
    2.3.1 消息传递模型MPI  20-21
    2.3.2 共享存储模型OpenMP  21-22
  2.4 并行计算性能评估  22-24
    2.4.1 计算粒度和负载均衡  22-23
    2.4.2 加速比与并行效率  23-24
    2.4.3 可扩展性  24
  2.5 本章小结  24-25
第三章基于面元模型的网格自动生成技术  25-30
  3.1 引言  25
  3.2 剖分原理  25-28
    3.2.1 网格点位于目标内部判定方法  25-26
    3.2.2 求辅助线断和面元平面的交点  26-27
    3.2.3 判断交点是否在面元内  27-28
  3.3 剖分实例  28-29
  3.4 本章小结  29-30
第四章并行FDTD 算法  30-49
  4.1 引言  30
  4.2 FDTD 基本原理  30-38
    4.2.1 差分方法与Yee 元胞  30-33
    4.2.2 稳定性条件  33-34
    4.2.3 激励源的类型与设置  34-35
    4.2.4 吸收边界条件  35-37
    4.2.5 近远场变换  37-38
  4.3 并行FDTD 算法原理  38-44
    4.3.1 区域分割  38-40
    4.3.2 虚拟拓扑  40
    4.3.3 场值通信  40-43
    4.3.4 吸收边界条件并行化  43-44
  4.4 计算实例  44-48
    4.4.1 算法准确性与有效性验证  44-46
    4.4.2 不同节点数下的性能分析  46-47
    4.4.3 不同拓扑结构的性能分析  47
    4.4.4 两级并行性能分析  47-48
  4.5 本章小结  48-49
第五章并行MPSTD 算法  49-65
  5.1 引言  49
  5.2 多区域伪谱时域算法  49-60
    5.2.1 曲线坐标系下的Maxwell 方程  49-50
    5.2.2 切比雪夫选配法  50-53
    5.2.3 曲面六面体子域到单位立方体的坐标变换  53-54
    5.2.4 时间积分方法  54-55
    5.2.5 子域拼凑  55-58
    5.2.6 数值算例  58-60
  5.3 并行MPSTD 算法基本原理  60-62
    5.3.1 区域分割  60-61
    5.3.2 子域交界面的消息传递  61-62
  5.4 计算实例  62-64
    5.4.1 算法准确性与有效性验证  62-64
    5.4.2 并行性能分析  64
  5.5 本章小结  64-65
第六章结束语  65-67
  6.1 工作总结  65-66
  6.2 后续工作计划  66-67
致谢  67-69
参考文献  69-73
作者在学期间取得的学术成果  73

FDTD与MPSTD并行算法在电磁散射中的应用研究

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