均匀介质中基于积分方程的二维电磁成像模拟

开发了一种基于积分方程的模拟均匀介质中二维电磁成像的反演算法。在反演中采用了Born 迭代方法,该算法具有抗噪声能力强、迭代稳定的优点。在正演计算中采用了计算积分方程的稳定型双共轭梯度快速Fourier 变换(BCGS-FFT)算法,将插值函数作为基函数和试探函数对积分方程进行弱化离散,离散后的积分方程采用稳定型双共轭梯度迭代方法进行求解,从而得到异常体内电场的分布,迭代过程中采用快速傅里叶变换(FFT)技术进行加速。反演算例说明了所开发算法的精确性和有效性。     

一种基于共轭梯度最优化技术的三维时域扩散光学层析方法

扩散光学层析(DOT)中的图像重建是一个面向大参数集的非线性最优化问题,其标准求解方法为牛顿类迭代法,需要对整个Jacobian矩阵进行构建、求逆和存贮,这对大规模的三维问题是不可行的,为此常采用基于逐行线性逆策略的非创伤性填充(ART)技术,图像质量受到严重制约.采用共轭梯度算法,直接求解非线性目标函数梯度.可避免对Jacobian矩阵的操作,为有效降低步长因子求解引起的附加计算量,采用一维不精确搜索算法,通过对双非均匀目标体的平板模型进行模拟成像,与代数重建算法结果进行比较,表明共轭梯度法的重建质量、收敛速度和收敛性都优于ART算法.     

时域反演德鲁色散媒质的电磁逆散射技术

德鲁(Drude)经验模型常用于描述等离子体、金属等媒质的电色散特性.利用宽带的时域测量数据直接反演电参数,相比单频(频域)技术而言,具有信息量大、成像分辨率高的优势.时域直接反演色散媒质电参数的主要困难在于它们是频率相关的.为了克服该困难,本文提出了一种时域电磁(EM)逆散射新技术:转而同时反演德鲁模型的4类频率无关的模型参数.该技术的主要环节为:(1)描述为含正则化项的约束最小化问题;(2)转化为无约束最小化问题;(3)解析导出梯度;(4)分别利用时域有限差分(FDTD)法、共轭梯度(CG)法迭代求解正演、反演子问题.在一维(1-D)、二维(2-D)两个数值算例中,所需的测量数据也由FDTD仿真值代替,并加入了加性高斯白噪声(AWGN).反演结果初步证实了该技术的性能.     

利用相位感应测井数据重建电导率和介电常数

基于两个接收线圈获取的总场相位差和幅度比信息,在二维轴对称非均匀介质中同时重建电导率和介电常数分布.利用电场积分方程和变分原理建立反演方程,然后采用共轭梯度(CG)法进行求解,在每次反演迭代过程中,格林函数保持不变.数值计算结果表明,该方法具有收敛速度快的特点.     

乳腺癌检测的三维时域微波断层成像方法

应用泛函分析和变分法,改进拉格朗日(Lagrange)乘子算法为一种三维时域微波断层成像方法,用于检测早期乳腺癌。该方法首先以最小二乘准则构造目标函数,将反演问题表示为约束最小化问题;接着应用罚函数法转化为无约束最小化问题;然后基于变分计算导出闭式的拉格朗日函数关于相对介电常数和电导率的Fréchet导数;最后借助梯度算法和时域有限差分(FDTD)法迭代求解。为了对抗噪声污染和逆问题的病态特性,采用了一阶的吉洪诺夫(Tikhonov)正则化方法。利用FDTD和PRP共轭梯度(CG)法,对三维半球乳房模型进行了仿真计算,仿真结果显示了方法的可行性。     

二维多导电柱体电磁散射的快速算法

本文用积分方程的迭代求解方法处理二维多导电柱体的电磁散射问题。同时用双共轭梯度法代替共轭梯度法来加速迭代过程。数值结果显示了本文方法的高效性。     

分层粗糙面下方介质目标散射的快速算法

为快速获取分层粗糙面与下方介质目标的复合电磁散射特性,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法。推导了一维分层粗糙面与下方介质目标(二维散射问题)的耦合边界积分方程组,用FBM求解分层粗糙面的表面积分方程,而用Bi-CG求解目标的表面积分方程,目标和粗糙面的相互耦合作用通过更新两方程的激励项来迭代求解。应用该算法计算了下方存在介质目标时双层介质粗糙面的双站散射系数,与传统矩量法得到的结果相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同极化波入射时该算法的收敛性,讨论了目标尺寸和位置变化对双站散射系数的影响。     

光电器件仿真分析中的COCG高效迭代算法

对光电器件采用FEM/EFIE仿真分析所产生的线性系统的迭代求解算法进行了研究。与目前普遍使用的迭代法不同,针对FEM/EFIE系数矩阵的特点,提出了采用求解复对称且非正定的线性方程组的共轭正交共轭梯度（COCG）算法来进行高效迭代求解。数值实验基于对波导元件分别采用矢量有限元法（FEM）和电场积分方程法（EFIE）得到的两类典型线性系统进行迭代求解。结果表明：与常规迭代法相比,COCG在求解速度和内存使用上的性能优势非常明显,从而能较大地提高仿真效率。     

共轭梯度BP算法在Matlab 7.0中的实现

应用Matlab 7.0中神经网络工具箱建立BP神经网络的最优化求解方法,采用共轭梯度法对网络的权值和阚值进行优化计算,实现网络权值和阈值的快速计算,为分析神经网络的合理结构提供了必要条件.对BP神经网络的传统梯度下降法与共轭梯度算法进行了仿真.这里通过对算法的训练速度,容错泛化能力等方面加以讨论,多方面印证共轭梯度算法的优越性,仿真结果凸显了训练速度的大幅提高,尤其对训练后网络受损情况下的泛化能力,采用线性回归的方法进行了仿真验证,同样得到满意结果,从新的角度支持了共轭梯度BP算法.     

自适应交叉近似压缩的高阶矩量法的并行实现

高阶矩量法在计算电磁学中的应用越来越广泛, 为了进一步提高其计算规模, 引入并行的自适应交叉近似压缩算法(Adaptive Cross Approximation algorithm, ACA).该算法首先采用非均匀有理B样条建模(Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS)的方法进行面片分组; 然后利用矩量法中远区阻抗矩阵的低秩特性进行ACA压缩; 最后采用稀疏近似逆预条件(Sparse Pattern Approximate Inverse preconditioning, SPAI)的共轭梯度法(Conjugate Gradient method, CG)快速求解矩阵方程.该算法中的ACA压缩过程和迭代求解过程都特别适合并行计算.数值实验表明, 对于电大尺寸问题, ACA压缩后的矩阵占用的内存远远低于原矩阵, 而预条件的共轭梯度法可以很快收敛.此外该算法在大规模并行时的效率较高.     

基于随机平均梯度下降和对比源反演的非线性逆散射算法研究

采用非线性对比源反演(CSI)算法求解电磁逆散射问题时,在每次迭代过程中都涉及到求解散射场数据关于对比源和总场的微分,即Jacobi矩阵,该矩阵求解导致算法存在计算代价大和收敛速度慢等问题。该文在CSI框架下,采用一种基于随机平均梯度下降的对比源反演算法(SAG-CSI)代替原来的全梯度交替共轭梯度算法来重构介质目标介电常数的空间分布信息。该方法在每次迭代中只需计算随机抽取的部分测量数据在目标函数中的梯度信息,同时目标函数对未抽中的测量数据的梯度信息保持不变,用以上两部分梯度信息共同求解出目标函数的最优值。由模拟数据结果表明,该方法与传统CSI方法在成像精度相比拟的情况下,降低了计算代价并提高算法收敛速度。     

A three-dimensional analysis of semiconductor devices

An accurate three-dimensional analysis of semiconductor devices based on the general transport equations is carried out. In this analysis, the finite difference formulation and ICCG (Incomplete Choleski and Conjugate Gradient) methods are utilized to reduce computational time and memory requirements. The algorithms are applied to a wide variety of devices, including a bipolar n-p-n transistor, an Integrated Injection Logic (ILL), and a Static Induction Transistor (SIT). Calculated results are compared to those obtained using a conventional two-dimensional simulator. Several three-dimensional effects are modeled successfully. These analyses make it clear that three-dimensional calculation is indispensable for accurate device modeling.     

关于ICCG与有限元结合时计算特性的讨论

本文给出了ICCG的复数形式,并将其应用于电磁场散问题的数值计算中.讨论了不同性态的矩阵方程用ICCG求解的特点.并与其它算法进行了对比.同时文中还讨论了有限元网格优化及预选参数Ψ对ICCG收敛速度的影响.结果表明这种算法对解大型问题.尤其是对大型稀疏阵非常有效.     

对称线性BiCG迭代法求解波导问题

提出了一种对称化线性双共轭梯度(BiCG)迭代算法,应用于光电工程领域中波导问题的分析。该算法是针对有限元线性系统系数矩阵的大型复对称特性,在常规BiCG迭代法基础上对其进行对称化所得到的快速迭代求解算法。数值结果表明,所提出的对称BiCG迭代法比若干常用方法更加有效。     

用变形玻恩迭代法反演电导率的二维非均匀分布

本文把变形玻恩迭代方法用于求解二维轴对称逆散射问题。该方法提供一种迭代收敛较快的反演成像算法。利用对称轴上２０ｋＨｚ电场的测量值在二维非均匀介质中对电导率分布进行反演。首先给出对于未知电导率分布的非线性积分方法，并用玻恩近似使积分方程线性化，然后用吉洪诺夫与正则化方法求出电导率分布。在迭代过程中，数值模式匹配法用于求解正演场．数值实例表明，用简单的对称轴上测量场能得到好的好的成像结果。     

GPU-accelerated fem solver for three dimensional electromagnetic analysis

A new Graphics Processing Unit (GPU) parallelization strategy is proposed to accelerate sparse finite element computation for three dimensional electromagnetic analysis. The parallelization strategy is employed based on a new compression format called sliced ELL Four (sliced ELL-F). The sliced ELL-F format-based parallelization strategy is designed for hastening many addition, dot product, and Sparse Matrix Vector Product (SMVP) operations in the Conjugate Gradient Norm (CGN) calculation of finite element equations. The new implementation of SMVP on GPUs is evaluated. The proposed strategy executed on a GPU can efficiently solve sparse finite element equations, especially when the equations are huge sparse (size of most rows in a coefficient matrix is less than 8). Numerical results show the sliced ELL-F format-based parallelization strategy can reach significant speedups compared to Compressed Sparse Row (CSR) format.     

Backward Color Device Model for the Liquid Crystal Displays With Primary Shift and Two-Primary Crosstalk

The chromaticity characteristics of the liquid crystal displays (LCDs) with primary shift and two-primary crosstalk can be described by a set of simultaneous nonlinear algebraic equations. This set of equations is the forward color device model that converts signals into output tristimulus values. It is required to solve the set of equations for implementing the backward color device model that converts tristimulus values into signals. An iteration method for solving the equations is studied. Two LCD monitors are taken as examples for testing the backward color device model. The results show that the average color differences of backward and forward color device models are of the same level. The required numbers of iteration times are 4 and 6 for the two tested LCD monitors, where the LCD monitor with larger two-primary crosstalk requires more number of iteration times.     

Parameters Extraction of Millimeter Wave Circuits by Hybrid Vector Finite Element and Moment Method Combined with SOC Technique

This paper presents a hybrid method, which couples the vector finite element method (FEM) and method of moment (MOM) for analyzing the field and current distribution of the millimeter wave circuits. The FEM is applied to handle the interior region of dielectric bodies and MOM is used to solve surface integral equations. Then, These integral expressions are coupled into the FEM equations through the continuity of the tangential fields across the connection boundaries. Simultaneously, the short-open calibration (SOC) technique is used for predicting accurately the scattering parameters of the circuits. Numerical results are well compared with those published in the previous literatures.     

PC集群MPI并行矩量法分析复杂平台多天线特性

为分析安装于诸如飞机、舰艇等复杂目标上多天线的电磁兼容性,本文引入了Costa基函数对多天线线面连接结构进行建模.针对计算量过大、耗时太长这一主要障碍,结合RWG基函数特点,设计了一种高效的适用于共轭梯度方法求解的棋盘状并行矩阵填充算法,避免了RWG基相互作用的重复计算,然后详细地讨论了并行共轭梯度算法求解矩量法矩阵方程的并行实现过程.本文进一步开发并在PC集群中实测了MPI并行矩量法程序性能,作为应用计算了安装于某飞机头部的多天线辐射特性.     

一种新的自适应窄带干扰抑制在直扩超宽带系统中的应用

基于目标函数的最优化问题与求解线性方程组的等价性,该文针对直扩超宽带(DS-UWB)系统提出了一种新的自适应窄带干扰抑制方案。该方案把最优化模型转化为线性方程组的形式,并用一种有效的迭代方法即共轭梯度(Conjugate Gradient, CG)算法来实现自适应滤波。理论分析及计算机仿真结果表明,与现有的窄带干扰抑制方案相比,该文提出的方案具有更高的性价比,因此在低功耗、低成本及简易实用的室内超宽带应用场合,适合作为一种可选的折衷方案。