基于FDTD法的电磁仿真的优化算法

在对研究对象所在空间进行电磁仿真的过程中,如果采用经典的均匀网格划分法处理具有复杂结构的物体(例如在同一物体上,某些部位之间的尺寸差别很大),势必造成网格数量巨大,计算成本过大的问题.为解决这个问题,提出了一种基于FDTD算法的渐变非均匀网格划分技术,在保证计算精度的基础上比均匀网格划分法占用更少内存和计算时间.仿真结果表明,该改进方法明显提高了计算效率.     

基于FDTD的三维全波电磁分析软件及工程应用

介绍三维全波电磁分析软件的算法实现和主要功能,软件包含电磁建模和FDTD数值求解两大模块,可用于射频微波等系统的电磁场分析和设计。自动进行满足FDTD算法条件的均匀和非均匀网格划分,生成描述介质、网格、边界条件、激励源设置等所需的数据文件。通过对目标物体进行平移、旋转、缩放等操作可以进行实时观察与修改,具有较强的电磁建模效率和三维可视化效果,实现了计算区间内电磁场的动态变化演示。通过在实际工程中的应用,以及和商用软件HFSS的对比,验证了软件的功能和应用价值。     

基于MATLAB的FDTD两种常见吸收边界条件的编程

本文介绍了时域有限差分法的基本原理。结合两种常见的吸收边界条件，以具体模型为例，阐述了基于MATLAB编程的基本流程，并给出了用MATLAB绘制的场图。     

一种基于PETSc的热传导方程大规模并行求解策略

提出了一种大规模热传导方程并行求解的策略,采用了分布式内存和压缩矩阵技术解决超大规模稀疏矩阵的存储及其计算,整合了多种Krylov子空间方法和预条件子技术来并行求解大规模线性方程组,基于面向对象设计实现了具体应用与算法的低耦合.在Linux机群系统上进行了性能测试,程序具有良好的加速比和计算性能.     

薄膜体声波谐振器的FDTD数值分析

提出了基于时域有限差分方法对薄膜体声波谐振器进行数值分析的新方法。利用时域有限差分法理论对压电材料的控制方程,牛顿方程和电学方程在空间和时间进行了离散化,通过得到的差分方程直接得出了声场传播的时域数值解。使用该数值方法对薄膜体声波谐振器的电学特性阻抗进行了分析,并将结果与一维Mason模型的解析解进行了比较验证。     

基于GPU的真实感毛发快速绘制

提出一种基于图形处理器(GPU)加速的真实感毛发快速绘制方法.方法通过混合绘制多层次的半透明纹理层来表示物体表面的毛发效果,并在绘制过程充分运用了GPU的可编程功能.其中采用GPU的顶点绘制器来完成多层网格层顶点位置的计算;采用像素绘制器来实现毛发特殊光照效果的计算.实验表明,通过采用GPU可编程计算,毛发的绘制速度得到了明显提高.方法对中等规模的模型达到了实时的毛发绘制速度,并具有逼真的仿真效果.     

基于FDTD的机载短波天线辐射特性分析

机载天线辐射特性的研究对于机载天线的设计与布局具有重要的意义。机载天线在机身的影响下会改变其原有辐射特性,针对上述问题采用时域有限差分法(FDTD)对机载短波天线的辐射特性进行了分析,并应用FDTD对某型号机载短波天线进行了仿真:使用软件建立整机模型,应用自适应网格对其进行了剖分,设置了PML吸收边界,添加激励并计算得出增益方向图,最后将仿真结果与实测结果进行了比较,二者在天线工作频带内吻合,验证了FDTD对机载天线辐射特性进行分析的有效性与实用性。     

基于FDTD二维光子晶体器件设计软件的开发

介绍了一个基于时域有限差分法（FDTD）的二维光子晶体器件设计软件PCCAD,所用的核心算法是时域有限差分法。与同类FDTD商业软件相比,特点在于其具有多种光子晶体结构编辑模板,多种点源、线源,先进的边界吸收技术及多种参数优化扫描等功能。快速傅里叶变换及Pade算法在软件设计中的应用使模拟更加精确、快速。软件适用于各种平面光子晶体的仿真设计,探索新的器件结构。最后,利用此软件设计了直波导、T型波导等二维平面光子晶体器件。     

FDTD方法吸收边界条件的研究及应用

用时域有限差分法(FDTD)求解电磁散射问题中,吸收边界条件的设置起着关键性作用.通过时间和空间上的递推算法对时域有限差分法中的两种吸收边界条件:Mur吸收边界条件和完全匹配层(PML)的吸收效果进行了比较和分析.同时,引入参数对PML的差分方程进行了优化,避免了将电磁场分裂为两个分量进行计算,进而降低了计算内存开销.实验结果证明PML具有更优越的吸收性能.最后,在FDTD算法中应用PML吸收层对一圆柱形导体的雷达散射截面积(RCS)进行数值仿真,验证了FDTD算法在计算雷达散射截面积(RCS)上的有效性.     

一种基于面元模型的FDTD自动网格产生技术

针对复杂三维空间物体网格分解难题,提出一种基于面元模型的FDTD自动网格产生方法,使用该方法可以轻松实现对复杂面元目标的剖分.实验证明,这是一种易于实现、高效的自动网格产生方法.     

基于CUDA架构的三维CPML-FDTD并行方法

为解决时域有限差分（FDTD）算法应用于电大尺寸目标仿真的巨大耗时问题,应用FDTD算法的并行特性和通用图形处理器（GPGPU）技术,实现了一种基于计算统一设备架构（CUDA）的三维FDTD并行计算方法,采用了时域卷积完全匹配层（CPML）吸收边界条件模拟开域空间,对不同网格数目标仿真计算。进一步结合FDTD算法和CUDA的特点进行了优化,当计算空间元胞数在十万数量级及以上时,优化前后GPU运算相对于同时期的CPU分别可获得10和25倍以上的加速,结果表明该方法较适合用于实际电磁问题的仿真。     

基于图形处理器的层次聚类算法效率研究

鉴于Larsen等人利用图形处理器（GPU）的多纹理技术做矩阵运算操作,以实现GPU在矩阵相乘方面的通用计算,提出一种利用GPU和CPU的协同处理模式,应用在基于层次聚类的动态近邻选择模型的聚类算法（DNNS）中,将算法中比较耗时的邻接度矩阵计算步骤交由GPU完成,而算法其余步骤由CPU执行,从而使算法的聚类效率得到显著提高。在配有Pentium IV 3.4 G CPU和NVIDIA GeForce 7800GT显卡的硬件环境下经过实验测试,证明这种协同处理模式下的运算速度比完全采用CPU计算速度要快25%左右。这种改进的层次聚类算法适合在数据流环境下对大量数据进行实时高效聚类操作。     

可调谐矩形环DGS的滤波特性研究

提出了一种新颖的可调谐矩形环缺陷接地结构（DGS）,可以用来实现微波滤波器。对矩形环DGS进行了精确的时域有限差分法（FDTD）数值分析,研究了其几何尺寸变化对阻带特性的影响。将FDTD计算结果与有关文献的测量结果进行了比较,一致性很好,从而验证了FDTD程序的有效性和计算的正确性。在微带平面添加短截线,研究了短截线的尺寸变化对阻带特性的影响。通过研究可知,可以通过改变矩形环DGS的几何尺寸去调节该结构的截止频率,也可以通过调节短截线的尺寸来改变该结构的阻带特性。这种关系能为可调谐矩形环DGS的分析和设计提供有力的指导。     

On optimization of finite-difference time-domain (FDTD) computation on heterogeneous and GPU clusters

A model for the computational cost of the finite-difference time-domain (FDTD) method irrespective of implementation details or the application domain is given. The model is used to formalize the problem of optimal distribution of computational load to an arbitrary set of resources across a heterogeneous cluster. We show that the problem can be formulated as a minimax optimization problem and derive analytic lower bounds for the computational cost. The work provides insight into optimal design of FDTD parallel software. Our formulation of the load distribution problem takes simultaneously into account the computational and communication costs. We demonstrate that significant performance gains, as much as 75%, can be achieved by proper load distribution.     

基于中介面加快光线跟踪计算

提出一种新的光线跟踪方法,以提高光线找到相交面片的效率.它在场景中生成一些面积较大的规整中介面片,然后为中介面上的每个点建立一个场,以记录到达该点的不同方向的光线将相交的面片.由此,光线跟踪时,一条光线可方便地找到相交的中介面,并通过查找中介面上所记录的内容,就能得到它所相交的面片.与已有方法相比,新方法不仅能很好加速主光线与阴影光线的计算,而且能很好地加速反射、折射等二次光线的计算.它能在GPU上方便地实现,并能有效地处理动态场景.     

在FDTD计算中对连接边界条件及其编程思想的改进

随着军用战斗机隐身反隐身技术的发展,对目标散射特性研究的要求越来越高,雷达技术正是利用目标散射特性,因而RCS的计算研究一直是散射问题研究的一个重要方面.自从K.S.Yee首次提出FDTD电磁散射计算方法以来,由于该方法的诸多优点,已使其成为这一研究领域的重要方法,并逐渐发展成为一种成熟的数值方法,应用范围越来越广.     

改进的硅各向异性腐蚀GPU并行模拟

硅各向异性腐蚀过程复杂,采用元胞自动机模拟硅各向异性腐蚀非常耗时。为了加速腐蚀模拟过程,研究了基于图形处理器(GPU)进行硅的各向异性腐蚀模拟。针对串行算法直接并行化方法存在加速效率低等问题,提出了一个改进的并行模拟方法。该方法增加了并行部分的负载,减少了内存管理的开销,从而提高了加速性能。实验证明该方法能够获得较理想的加速比。     

人体通信的信号传输机制与特性研究

针对人体通信的信号传输机制和传输特性,建立多层组织结构的人体通信系统模型,采用时域有限差分法从电磁场与人体相互作用的角度对其进行探讨。仿真结果表明,在人体通信中,信号在人体表面的传播具有表面波的特征,电磁场在平行和垂直于人体表面的方向上具有不同的衰减常数,在0~1000 MHz的频率范围内,500 MHz~600 MHz是最佳的人体通信频段,在收发器与人体表面相隔一定距离的情况下,同样可以获得较好的通信效果。     

GPU acceleration for general conservation equations and its application to several engineering problems

In the this paper, shock/shock and shock/boundary layer interactions in thermochemical nonequilibrium flow have been analyzed. The analysis is limited to flow at Mach 9 around a double-wedge selected to generate an interaction of type IVr that does not fit into Edney’s classification. It is generally known that the interaction of type IV are associated with very high local loads in pressure and heat transfer. The numerical resolution of the Navier Stokes equations allows the prediction of the structure of flow field. The numerical method used is based on a finite volume formulation defined on a structured multi block mesh. Particular emphasis is given to the contribution of real gas effects on the topological characteristics and dynamic structure of the flow field. A comparative study of the contours of Mach numbers and pressure is shown. The results obtained showed that the flow field is highly sensitive to real gas effects.     

图形处理器的流执行模型

图形处理器极高的流计算能力使其成为实现实时流应用的有效方案。该文抽象出图形处理器的流执行模型,描述图形处理器流处理机制的执行过程,在图形处理器上实现了二维离散余弦变换。实验结果表明,图形处理器对标清格式的视频压缩编码效率可达70 fps。