论文题目: FDTD网络并行计算及ADI-FDTD方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 无线电物理
作者: 郑奎松
导师: 葛德彪
关键词: 电磁散射,时域有限差分方法,并行计算,雷达散射截面,隐式差分,并行加速比,区域分解,消息传递,子时间步
文献来源: 西安电子科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文采用区域分解技术将FDTD计算区域分割成多个子域进行分别计算,各个子区域在边界处与其相邻的子区域进行切向场值的数据交换以使整个迭代进行下去。根据FDTD迭代式的特点,相邻子域之间有半个网格的重叠区域。三维FDTD计算域分割方式和二维FDTD计算域分割方式相同,每个子域的编号为其在整个计算域的空间位置。给出了FDTD子域间同步计算的技术,即采用同步消息传递和阻塞函数同步两种手段。并行FDTD中吸收边界、输出边界和总场边界被分配到不同的子域内,对这三大边界的特殊处理,增加了编程的复杂度。本文应用基于消息传递(Message Passing)模式的网络并行计算系统来实现FDTD并行计算方法,消息传递的并行计算平台采用PVM (Parallel Virtual Machine)并行系统。并行FDTD计算方法采用主从式的编程模式。并行程序分为主控程序(master)和从程序(slave)两部分。主控程序主要负责进程的生成、初始化、收集并显示计算结果等功能;从程序主要执行实际FDTD计算,其负载由主控程序分配。最后,给出了网络并行程序的流程图,详细的介绍了程序中各个模块的具体功能。利用并行FDTD方法分析了二维和三维目标的电磁散射问题。给出了复杂目标(金属机翼和NASA杏仁体)和实用目标(导弹目标)的RCS计算结果。为了更精确的模拟弹头的外形轮廓,采用超椭球(Superspheroid)几何体来模拟导弹弹头的雷达罩。随后,给出了超回转椭球体的参数方程,并确定用来模拟导弹弹头Von Karman外形尺寸的参数设置。计算结果表明,采用一定参数下的超椭球几何体弹头比球冠状弹头有效的减小后向RCS。并行FDTD方法在处理电大尺寸实用目标的电磁散射问题上有更为实际的意义。本文给出并行FDTD方法的并行加速比、并行效率和其它性能指标的测试结果。给出并行计算所需内存的估计公式,分析了内存估计结果与测试结果之间存在差异的原因。分析了FDTD并行计算性能与粒度、数据通讯量之间的关系。最后,通过计算三维复杂目标金属机翼目标的RCS,给出并行加速比和并行效率的测试结果。通过分析测试结果,指出网络通信性能和进程间的负载平衡影响并行计算的加速比。给出一维Crank-Nicolson时域有限差分(C-N FDTD)方法在分层介质中的应用。给出一维C-N FDTD方法两种迭代求解方式:一种按照Holland编号方式电场和磁场分量交替排列构成三对角条带矩阵方程,一次性将电场和磁场格点的场值求出;另一种是按照交替方向隐式(ADI)差分格式要求仅使电场分量排列构成三对角条带矩阵方程,然后利用求出的空间各处电场分量迭代解出同时刻的磁场分量。随后,分析讨论
论文目录:
独创性声明
关于论文使用授权的说明
摘 要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
1.1.1 FDTD方法及其发展
1.1.2 FDTD并行计算方法
1.1.3 交替方向隐式时域有限差分方法
1.2 本论文的研究内容及主要贡献
第二章 FDTD并行计算的区域分割与数据传递
2.1 FDTD迭代的局域性
2.2 FDTD的子域划分
2.3 相邻子域之间的数据传递
2.3.1 子域间数据传递：二维
2.3.2 子域间数据传递：三维
2.4 FDTD子域间的同步
2.5 特殊边界的处理
2.6 本章小结
第三章 FDTD并行计算的程序实现
3.1 编程平台
3.2 PVM的基本操作命令和子程序
3.3 编程模式
3.4 FDTD并行计算的流程图及各模块说明
3.4.1 瞬态FDTD并行计算的流程图及各个功能模块说明
3.4.2 稳态FDTD并行计算的流程图及各个功能模块说明
3.5 程序容错处理
3.6 本章小结
第四章 验证算例及实用目标散射的并行计算
4.1 二维验证算例
4.1.1 金属方柱
4.1.2 金属机翼：二维
4.2 三维验证算例
4.2.1 金属平板
4.2.2 金属球
4.2.3 介质球
4.3 NASA杏仁核基准模型
4.4 实用目标RCS计算
4.4.1 超回转椭球体简单介绍
4.4.2 导弹目标RCS计算
4.5 本章小结
第五章 并行计算性能测试
5.1 并行计算所需内存估计
5.2 FDTD并行计算与粒度的关系
5.3 FDTD并行计算与数据通信量的关系
5.4 三维金属机翼散射计算的加速比测试
5.4.1 三维金属机翼的计算结果
5.4.2 加速比定义
5.4.3 加速比测试与讨论
5.5 本章小结
第六章 C-N FDTD方法在分层介质中的应用
6.1 一维C-N FDTD方法
6.1.1 迭代方式I：Holland式编号
6.1.2 迭代方式II：交替方向隐式
6.2 入射波的加入
6.2.1 迭代方式I：Holland式编号
6.2.2 迭代方式II：交替方向隐式
6.3 吸收边界条件
6.3.1 半空间问题
6.3.2 介质交界面边界条件
6.3.3 数值模拟及讨论
6.4 一维分层介质中的波
§6.4.1 有限周期单元分层介质
6.4.2 周期单元禁带范围的估计
6.4.3 数值模拟及分析
6.5 本章小结
第七章 ADI-FDTD隐式差分的基本算法
7.1 引言
7.2 二维TM波情况：有耗介质
7.2.1 基本方程和离散方式
7.2.2 子时间步n→n+1/2 的离散
7.2.3 子时间步n+ 1/2 →n + 1 的离散
7.2.4 计算步骤：TM波
7.3 二维TE波情况：有耗介质
7.3.1 基本方程和对偶关系
7.3.2 子时间步n→n+1/2 的离散
7.3.3 子时间步n+1/2→n + 1 的离散
7.3.4 计算步骤：TE波
7.4 三维ADI-FDTD方法基本公式
7.4.1 子时间步n→n+1/ 2 的离散
7.4.2 子时间步n+1/2→n + 1 的离散
7.4.3 求解电场各分量的三对角条带矩阵的形成
7.4.4 三维ADI-FDTD的计算步骤
7.5 本章小结
第八章 ADI-FDTD算法的吸收边界条件
8.1 Mur吸收边界条件
8.1.1 二维TM波
8.1.2 二维TE波
8.2 UPML吸收边界条件
8.2.1 二维TM波
8.2.2 三维情况
8.3 本章小结
第九章 ADI-FDTD算法在二维电磁散射及辐射中的应用
9.1 线电流源
9.1.1 二维ADI-FDTD中线电流源的加入
9.1.2 数值模拟
9.1.3 结论和讨论
9.2 总场边界条件：二维TM波
9.2.1 ADI-FDTD公式关联格点的分析
9.2.2 总场区入射波的加入
9.2.3 数值模拟
9.2.4 结论与分析
9.3 平面波的加入
9.4 本章小结
第十章 ADI-FDTD算法在三维电磁散射及辐射中的应用
10.1 电偶极子源
10.1.1 电偶极子源的加入
10.1.2 数值模拟
10.2 总场边界条件：三维情况
10.2.1 电场E_x~(n+1/2)
10.2.2 电场E_y~(n+1/2)
10.2.3 电场E_z~(n+1/2)
10.2.4 磁场H_x~(n+1/2)
10.2.5 磁场H_y~(n+1/2)
10.2.6 磁场H_z~(n+1/2)
10.2.7 电场E_x~(n+1)
10.2.8 电场E_y~(n+1)
10.2.9 电场E_z~(n+1)
10.2.10 磁场H_x~(n+1)
10.2.11 磁场H_y~(n+1)
10.2.12 磁场H_z~(n+1)
10.2.13 数值模拟
10.3 本章小结
结束语
致谢
参考文献
作者在攻读博士学位期间所取得的研究成果
发布时间: 2006-12-29
参考文献
- [1].电磁场有限元法解释分布式并行计算的研究[D]. 管建和.中国地质大学（北京）2006
- [2].大区域地理环境的电磁建模及高效抛物方程方法研究[D]. 张青洪.西南交通大学2016
- [3].基于超级计算机的并行矩量法关键技术与应用[D]. 林中朝.西安电子科技大学2016
- [4].三维涡流场单元级别并行算法研究及应用[D]. 吴东阳.沈阳工业大学2017
- [5].大规模电力系统暂态稳定并行计算研究[D]. 江涵.浙江大学2012
- [6].计算智能在电力系统多目标优化中的应用研究[D]. 叶承晋.浙江大学2015
- [7].基于外网等值的多区域电力系统无功优化计算[D]. 刘志文.华南理工大学2011
- [8].考虑随机风电接入的动态经济调度问题研究[D]. 付一木.华南理工大学2016
- [9].嵌套结构并行多维动态规划算法及其应用研究[D]. 蒋志强.华北电力大学2015
- [10].电磁积分方程新型预条件及直接求解法的研究与应用[D]. 郭翰.电子科技大学2015
相关论文
- [1].FDTD并行算法及层状半空间散射问题研究[D]. 姜彦南.西安电子科技大学2009
- [2].计算电磁学中时域有限差分方法的研究[D]. 肖飞.电子科技大学2005
- [3].电磁场时域有限差分数值方法的研究[D]. 杨阳.南京理工大学2005
- [4].光波导器件的高阶FDTD并行仿真分析[D]. 李康.山东大学2006
标签：电磁散射论文; 时域有限差分方法论文; 并行计算论文; 雷达散射截面论文; 隐式差分论文; 并行加速比论文; 区域分解论文; 消息传递论文; 子时间步论文;