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《西安电子科技大学》 2009年
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FDTD并行算法及层状半空间散射问题研究

姜彦南  
【摘要】: 本文系统深入地研究了基于MPI的时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)并行算法及层状半空间介质(包括色散和非色散介质)散射FDTD计算中入射波引入的关键技术。 基于MPI平台的FDTD并行算法主要包括:FDTD计算域的区域分解,子域间电磁场量的数据通信等;本文针对直角坐标系下并行FDTD的特点,创建了笛卡儿三维拓扑结构,采用捆绑式发送和接收的数据通信方式,优化了通信次序,克服了因通信次序造成的死锁问题;数据通信中,采用自定义的派生数据类型,避免了频繁的数据打包和解包过程,节省了打包和解包过程中中间存储变量占用的空间,提高了子域间数据通信速度,获得了较高的计算效率。 详细讨论了二阶Mur、UPML和CPML三种吸收边界的并行化处理方法,并分析了它们的负载均衡问题。同时,考察了三种吸收边界的性能差异,结果表明:以CPML为截断边界的三维并行FDTD算法,具有并行程序易于实现、吸收效果好和计算效率高等诸多优点,如CPML边界的并行FDTD对电大尺寸卫星模型的几个测试,效率都在90%以上。此外,还讨论了色散介质和各向异性介质的FDTD并行计算问题。采用并行算法对外形复杂(直升机和复合弹翼)和材质复杂(复合弹翼和复合各向异性介质球)目标的电磁散射特性进行了计算,数值计算结果表明本文算法和程序的有效性。 在层状半空间特别是色散、有耗层状半空间内目标散射问题的研究中,平面波源的引入是一个基本的、亟待克服的难题。本文详细论述了层状半空间问题FDTD计算中平面波引入的混合方式:垂直于分层界面的纵向侧边界上采用一维修正Maxwell方程(1D MME)计算分层空间斜入射平面波;自由空间内总场-散射场(TF/SF)上边界处的场分量采用“投影”插值而获得。为使TF/SF下边界处的单向行波形成无反射的吸收,将TF/SF下边界深入到完全匹配层内。这种TF/SF边界在二维面上形成的是Π型结构,区别于自由空间中的封闭结构。 为实现二维情形下层状半空间FDTD计算的平面波的引入,详细讨论了TM和TE两种模式的1D MME。在色散介质中,TE模式1D MME的离散处理相对TM模式比较困难,本文通过引入中间辅助变量,用辅助方程来解决这个问题。在离散辅助方程过程中采用三步平均技术,提高了计算精度和稳定性。把TE模式1D MME应用到Deybe、Lorentz和Drude三种常见的色散介质中,推导出了适用于三种介质类型的、中间变量到磁场变量的统一FDTD递推式。 在三维CPML吸收边界条件基础之上,分别导出了TM和TE模式的二维CPML吸收边界条件,以及适用于一维修正FDTD(1D-MFDTD)的一维CPML吸收边界条件,并成功地将一、二和三维CPML吸收边界条件应用于色散、有耗介质分层半空间问题FDTD计算的截断。 对1D-MFDTD计算的Courant稳定性分析表明,在入射角大于60°的斜入射情况,电磁波沿y方向相速度相对较大,降低了1D-MFDTD数值计算的稳定性。 本文用多个算例从不同方面考察色散层状半空间FDTD算法的可靠性,结果表明1D-MFDTD与Fourier方法得到的结果吻合。在层状半空间二维FDTD入射波源成功引入的基础上,实现了层状半空间三维FDTD计算中激励波源的引入。对平面波斜入射的二维和三维FDTD计算,形成完好的入射、反射和透射。提出并实现了适用于层状半空间电大尺寸目标的三维FDTD并行算法。数值模拟结果表明,该并行算法与串行算法的计算结果完全吻合。用若干实际算例分析了该算法的实际研究意义和价值。通过探雷算例验证了基于层状半空间并行FDTD算法和程序的高效性。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN011

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 朱湘琴;王建国;蔡利兵;陈再高;付梅艳;;大型双反射面天线近轴区辐射FDTD-TDPO模拟[J];强激光与粒子束;2012年11期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
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2 张玉强;基于DSP的色散介质FDTD算法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2009年
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【参考文献】
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3 郑奎松,葛德彪,葛宁;三维电磁散射的网络并行FDTD计算和加速比分析[J];电波科学学报;2004年06期
4 杨利霞;葛德彪;郑奎松;魏兵;;电各向异性介质FDTD并行算法的研究[J];电波科学学报;2006年01期
5 闫玉波,葛宁,郑美艳,葛德彪,田春明;网络并行FDTD方法分析电大目标电磁散射[J];电子学报;2003年06期
6 张玉,苏涛,翟会清,梁昌洪;PC群集系统中并行矩量法研究[J];电子学报;2003年09期
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10 杨利霞;葛德彪;魏兵;郑奎松;葛宁;;FDTD并行算法研究:电和磁本构参数均为各向异性情形[J];电子学报;2006年09期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 胡晓娟;复杂目标电磁散射的FDTD及FDFD算法研究[D];西安电子科技大学;2007年
【共引文献】
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9 张春早;武奇;;电四极矩及其在原子核物理中的应用研究[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2010年03期
10 许永红;光栅散射的电磁场计算[J];安徽师大学报(自然科学版);1998年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 吴琼;;人工神经网络在基片集成波导滤波器设计中的应用[A];安徽省第五届“兴皖之光”青年学术年会论文集(工科卷)[C];2005年
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4 王猛;宁建国;费广磊;;双炮孔爆腔扩张并行模拟分析[A];第十二届现代数学和力学会议论文集[C];2010年
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6 王春;;一种新型宽带HF单极子天线[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
7 彭朕;盛新庆;;介质填充波导高次模求解的快速边缘元算法[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
8 郑宏兴;郁道银;;添加各向异性参数修正ADI-FDTD算法中的数值色散[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
9 肖芬;熊兆贤;郑建森;刘同赞;张邦成;吴远兴;;微波炉快速解冻板的研制[A];“第十四届全国微波能应用学术会议”暨“2009年微波创造美的生活高峰论坛”论文集[C];2009年
10 李童;;Matlab与电磁场算法FDTD[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集(上)[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 王成;单轴各向异性左手材料的特性研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 武立华;电磁超材料非线性特性理论研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 易煦农;人工电磁材料的光学特性及应用研究[D];华中科技大学;2010年
5 燕保荣;电磁波与低维固体表面等离体子相互作用的研究[D];华中科技大学;2010年
6 王海涛;月球车热控关键问题研究及材料光谱性质的选择性调节[D];中国科学技术大学;2010年
7 李学识;基于表面波驱动的等离子体天线及其阵列技术研究[D];华南理工大学;2010年
8 赵军伟;光学超晶格中耦合物理效应的研究[D];南京大学;2011年
9 芮锡;旋转结构体电磁问题的高效分析与应用[D];电子科技大学;2010年
10 廖臣;三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究[D];电子科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘涛;遥感图像分块分类技术的研究与应用[D];山东科技大学;2010年
2 毛晓靖;电流体动力学(EHD)空气泵的多物理场建模与数值仿真[D];浙江理工大学;2010年
3 滕巍;左手介质基本电磁特性的时域分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 刘兴鹏;基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王化宇;基于时域有限差分法的微带结构电磁兼容研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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7 高和东;GPU并行计算在LSSVM建模中的研究与应用[D];大连理工大学;2010年
8 张晶;ABEEMσπ/MM模型中能量求解的并行化[D];辽宁师范大学;2010年
9 吴勤勇;铁电薄膜残余应力X射线衍射测试方法研究[D];湘潭大学;2010年
10 白彦丽;电磁脉冲对开孔屏蔽腔耦合效应的仿真分析[D];沈阳理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 逯贵祯,冯峰,宁日民;小波变换与高斯粗糙表面的电磁散射研究[J];北京广播学院学报(自然科学版);2004年03期
2 向长青,朱国强,杨河林;平板与正弦型组合粗糙面的电磁波复合散射[J];电波科学学报;1998年03期
3 汪彤,张文俊,刘维亮;N阶色散媒质的 FDTD法与数字信号处理技术[J];电波科学学报;2000年04期
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7 汤炜,李清亮,吴振森,闫玉波,董慧;有耗平面和三维目标复合散射的FDTD分析[J];电波科学学报;2004年04期
8 赵瑾,徐善驾,吴先良;一种高阶辛时域有限差分法的研究[J];电波科学学报;2004年05期
9 余文华;杨小玲;刘永俊;苏涛;Raj Mittra;;并行FDTD和IBM BlueGene/L巨型计算机结合求解电大尺寸的电磁问题[J];电波科学学报;2006年04期
10 易韵;陈彬;;基于Split-Field FDTD法的近埋地无限长散射体二维算法[J];电波科学学报;2007年03期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 张玉;FDTD与矩量法的关键技术及并行电磁计算应用研究[D];西安电子科技大学;2004年
7 黄纪军;FOPEN SAR地面目标散射特性分析及检测研究[D];国防科学技术大学;2005年
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10 杨利霞;复杂介质电磁散射的FDTD算法及其相关技术研究[D];西安电子科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 户仕明;FDTD时域波形外推预测和ADI-FDTD的研究[D];南京理工大学;2004年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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2 朱良杰;宋祖勋;刘真;;基于SMP集群系统的MPI-OpenMP混合并行FDTD算法研究[J];现代电子技术;2011年14期
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1 王飞;移位算子FDTD方法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 黄明红;FDTD方法在半空间散射问题中的应用[D];西安电子科技大学;2011年
2 柴草;矩量法及其加速算法研究一维粗糙面与目标复合电磁散射[D];西安电子科技大学;2011年
3 李菲菲;三维FDTD并行算法的研究及应用[D];西安电子科技大学;2011年
4 商春辉;蝴蝶鳞片高吸光率机理分析及仿生结构设计[D];吉林大学;2011年
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6 徐奇澎;FDTD算法的FPGA实现[D];杭州电子科技大学;2012年
7 陈诚;粗糙表面散射的数值计算[D];武汉邮电科学研究院;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 魏兵;各向异性介质电磁散射及参数反演研究[D];西安电子科技大学;2003年
【相似文献】
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2 杨利霞;葛德彪;王刚;阎述;;磁化铁氧体材料电磁散射递推卷积-时域有限差分方法分析[J];物理学报;2007年12期
3 杨利霞;葛德彪;魏兵;;电各向异性色散介质电磁散射的三维递推卷积-时域有限差分方法分析[J];物理学报;2007年08期
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9 张向韵,陈果良;并行Greville方法及其在MPI环境下的实现[J];华东师范大学学报(自然科学版);2005年03期
10 李明之,王长清,祝西里;用FDTD方法分析涂敷目标的散射[J];北京大学学报(自然科学版);2001年01期
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1 费广磊;马天宝;宁建国;;药型罩锥角对聚能射流性能影响的并行计算[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
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3 黄娇凤;刘进;;离散客体照相模拟程序在MPI下的并行化[A];2009年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(下册)[C];2009年
4 许丽;周南;徐泳;;基于MPI的二维稳态温度场并行计算[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
5 范晓樯;李桦;田正雨;;超声速/高超声速飞行器复杂流场大规模并行数值仿真[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
6 齐进;叶文华;;三维激光烧蚀瑞利-泰勒不稳定性并行计算[A];中国空气动力学学会第十届物理气体动力学专业委员会会议论文集[C];2001年
7 张望;王辉;;个性化服务中的并行K-Means聚类算法[A];2007年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(下册)[C];2007年
8 丛鹏;;MPI并行计算实现工业CT图像重建[A];2004年CT和三维成像学术年会论文集[C];2004年
9 丁国昊;罗凯;李伟;李桦;;乘波飞行器气动特性数值模拟与并行计算[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年
10 罗文彩;陈小前;;并行计算的多方法优化协作[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
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5 英特尔并行计算实验室研究员 TimothyMattson;并行计算:减少串行软件[N];中国计算机报;2007年
6 本报记者 马文方;英特尔为何要牵头并行计算[N];中国计算机报;2009年
7 英特尔 赵军(Jun Zhao);PC机并行计算革命尚未成功[N];中国计算机报;2009年
8 ;并行计算成PC产业发展瓶颈[N];人民邮电;2008年
9 刘霞;计算能力的提升需要一场革命[N];科技日报;2010年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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4 陈军;分布式存储环境下并行计算可扩展性的研究与应用[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
5 尹欣;三维弹性问题边界元法并行计算及其工程应用[D];清华大学;2000年
6 陈晓春;基于并行计算的大涡模拟方法及其工程应用基础研究[D];西安建筑科技大学;2004年
7 张理论;面向气象预报数值模式的高效并行计算研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 李世灵;基于Linux和MPI的集群并行系统的研究与实现[D];广东工业大学;2006年
4 张立霞;电磁场有限元分析中并行计算的研究[D];河北工业大学;2006年
5 闫蓉;基于并行计算负载均衡算法的研究[D];中国地质大学(北京);2008年
6 王永红;叶轮机械三维非定常流场数值方法研究及其并行策略[D];南京航空航天大学;2007年
7 彭虹;分形视频图像压缩并行算法设计[D];福州大学;2006年
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9 汪睿;KD60平台MPI通信库优化设计[D];中国科学技术大学;2011年
10 霍旭光;基于MPI高性能计算方法的研究[D];中国地质大学(北京);2006年
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