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《西安电子科技大学》 2009年
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PC和服务器集群下的并行FDTD算法及其应用研究

雷继兆  
【摘要】: 随着电子技术的发展,现代电磁工程问题越来越复杂,现有基于单处理器的电磁计算体系已经不能较好地满足工程需要。与此同时,计算机硬件高速发展,多核处理器、刀片服务器已经逐渐普及。进行电磁场数值算法的并行化研究,能够充分发挥高性能计算机的优势,提高复杂大型电磁问题的分析能力。时域有限差分(FDTD)法作为电磁场数值模拟中最重要的方法之一,具有自己独特的优势。基于上述原因,本文基于PC集群和服务器集群硬件平台,对并行FDTD算法及其应用进行了深入研究。本文的主要工作可以概括为: (1).从场值通信的角度介绍并实现了基于MPI的并行FDTD方法,提出了三维并行FDTD方法的流程,并组建了一个高性能PC集群系统。通过分析典型问题,提出了PC集群并行FDTD方法中最佳虚拟拓扑的概念,可以有效节约计算时间; (2).针对光滑曲线表面采用台阶近似的误差,介绍了一种综合全围线和部分围线积分的共形FDTD技术,应用于电大目标的典型部件以及PBG滤波器的弯曲结构建模。并将其与并行算法相结合,在验证其正确性的基础上,应用于微波光子晶体滤波器的仿真。与隔离度理论相结合,对电大平台的电磁兼容性问题进行了分析。在此基础上,提出了一种基于等效参数的共形技术,分析了涂层目标的电磁散射问题; (3).提出了一种应用并行FDTD方法分析含孔缝金属腔体屏蔽效能问题的新机制。针对该谐振问题,场值收敛很慢,本文采用加窗技术极大地缩短了仿真时间。另外,由于加窗时间难以确定,提出控制因子来实现自动控制加窗时间步。从而得到正确的屏蔽效能曲线。接着,通过对比屏蔽腔壁上分别开有形状、数目、分布位置不同的孔缝引起的屏蔽效果的差异,深入考察了影响屏蔽效能的因素,得到了一些有用的结论; (4).针对考虑耦合的相控阵分析这一难题,结合FDTD全波分析的优点,用并行FDTD方法对该问题进行了研究。从经典的阵列理论得到相控阵波束指向与激励相位的关系,确定了FDTD在相控阵分析时的加源方法。对电偶极子阵、微带天线阵列以及直升机加载后的特性进行了分析,表明了算法的有效性。接着,提出FDTD-UTD算法分析机载相控阵天线分析问题。用并行FDTD方法计算出天线的辐射复矢量场,将此结果作为点源代入UTD程序计算该矢量场受到机体的遮挡、反射、绕射以后的远区辐射特性; (5).在国内,将并行FDTD方法移植于HP ProLiant BL460c刀片服务器。从刀片服务器的体系结构出发,对其软硬件配置进行了说明。服务器集群中,计算节点众多,数据通信结构复杂。为了在刀片服务器平台发挥并行FDTD的最佳性能,以舰船模型上两根超短波天线的远场辐射分析为例,采用各种节点配置和MPI虚拟拓扑结构进行计算,分析了不同虚拟拓扑对并行性能的影响,提出了刀片服务器平台中并行FDTD的最佳虚拟拓扑选择原则; (6).给出一种基于STL和RAW等三角面片模型来提取FDTD立方体模型的方法,使得核心程序与模型无关。根据服务器平台下并行FDTD方法进程最佳虚拟拓扑的结论,对几个典型的电大模型的电磁散射特性进行了分析。最后,对工程中关心的大型波导宽边和窄边缝隙阵列进行了分析。
【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2条
1 徐奇澎;郭裕顺;;FDTD算法的FPGA实现[J];电子器件;2012年02期
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
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 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
2 刘文静;薄介质涂覆目标电磁散射特性的分析[D];南京理工大学;2012年
3 徐奇澎;FDTD算法的FPGA实现[D];杭州电子科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 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
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8 薛正辉,杨仕明,高本庆,张泽杰;FDTD算法的网络并行运算实现[J];电子学报;2003年12期
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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8 罗朝明;孙军强;刘靖;;二维非线性光子晶体波导全光开关[J];半导体光电;2006年06期
9 林若波;廖兴展;林少光;;二维光子晶体3-Y型4通道分束器研究[J];半导体光电;2012年01期
10 唐海侠;王启明;;nc-Ge/Si岛基光子晶体单点缺陷腔的数值模拟与分析[J];半导体学报;2006年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 杨凌霞;葛德彪;魏兵;;金属表面搭接缝隙电磁耦合效应分析[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
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7 王波;刘旭;徐杰;洪玮;于兵;柏宁丰;肖金标;孙小菡;;楔形光纤和InP基平面光波光路芯片的耦合分析[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年
8 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
9 朱湘琴;王建国;陈再高;孟粉霞;;EMP辐射波模拟器笼形天线的并行数值模拟分析[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第6册)[C];2009年
10 付梅艳;陈再高;王玥;王建国;;基于混合单元的电磁场时域有限积分方法研究[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第6册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 范木杰;时域多分辨分析在非对称共面波导研究中的应用[D];大连海事大学;2010年
2 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
3 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
4 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
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6 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
7 荆燕飞;线性方程组迭代法与预条件技术及在电磁散射计算中的应用[D];电子科技大学;2010年
8 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
9 赖生建;计算电磁学中的径向基无网格法[D];电子科技大学;2010年
10 沈云;微纳结构光学微腔中的光学双稳与耦合慢光传输[D];武汉大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 刘肖峰;基于MOM的天线耦合研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 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
4 王富明;探地雷达的FDTD建模与仿真[D];南昌大学;2010年
5 夏灿;介质目标电磁散射特性的矩量法分析[D];安徽大学;2010年
6 罗震岳;光学色散补偿薄膜的研究[D];浙江大学;2010年
7 叶珍;微波管输入输出窗及任意结构腔体有限元理论与CAD技术[D];电子科技大学;2011年
8 邢立丹;PML吸收边界条件在波导不连续性问题中的应用[D];电子科技大学;2011年
9 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
10 侯航;粗糙海面与电大目标复合电磁散射的时域分析[D];西安电子科技大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 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
2 张煊,张明德;二维光子晶体波导及耦合器的特性模拟[J];电子器件;2005年01期
3 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
4 薛正辉,杨仕明,高本庆,张泽杰;FDTD算法的网络并行运算实现[J];电子学报;2003年12期
5 张玉,宋健,梁昌洪;并行共形FDTD算法及其在PBG结构仿真中的应用[J];电子学报;2003年S1期
6 张玉;王楠;梁昌洪;;PC集群MPI并行矩量法分析复杂平台多天线特性[J];电子学报;2006年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 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
2 郑奎松;FDTD网络并行计算及ADI-FDTD方法研究[D];西安电子科技大学;2005年
3 樊振宏;电磁散射分析中的快速方法[D];南京理工大学;2007年
4 刘瑜;FDTD算法的网络并行研究及其电磁应用[D];电子科技大学;2008年
5 李增瑞;低轮廓天线及其阵列的辐射与散射特性研究[D];北京交通大学;2009年
6 丁伟;时域有限差分法关键技术及其应用研究[D];西安电子科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 张志宏;基于SMP节点机群系统上MPI与OpenMP并行程序设计的研究[D];内蒙古大学;2007年
2 徐藻;并行FDTD的实现与在电磁散射中的应用[D];南京航空航天大学;2009年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 赵坤;基于多核SMP集群环境的光线追踪模拟卫星成像并行研究与实现[D];北京理工大学;2011年
2 王维高;基于KUSU的超大规模Linux集群系统的设计与实现[D];西北大学;2011年
【二级参考文献】
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2 车仁信,程鑫,张振国;口径耦合微带天线阵的互耦研究[J];吉林大学学报(信息科学版);2005年04期
3 杨弃疾,胡卫东;并矢Green函数的构造[J];电波科学学报;1997年02期
4 薛正辉,高本庆;机载短波天线间隔离度的全波分析[J];电波科学学报;2000年04期
5 项铁铭,曹祥玉,马凤国,徐琰,梁昌洪;机载相控阵天线辐射方向图的分析[J];电波科学学报;2002年02期
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9 梁昌洪,崔斌,宗卫华;费马原理确定柱面和锥面反射点的解析表示式[J];电波科学学报;2004年02期
10 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
中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 袁伟良;时域有限差分法关键问题研究及其应用[D];西安电子科技大学;1998年
2 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
3 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
4 杨娟;二维光子晶体及左手媒质研究[D];西安电子科技大学;2005年
5 李龙;广义电磁谐振与EBG电磁局域谐振研究及应用[D];西安电子科技大学;2005年
6 郑奎松;FDTD网络并行计算及ADI-FDTD方法研究[D];西安电子科技大学;2005年
7 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
8 刘子梁;MoM-UTD混合方法和高阶矩量法关键技术研究及其在电磁问题中的应用[D];西安电子科技大学;2007年
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1 袁浩波;高阶矩量法的研究[D];西安电子科技大学;2006年
【相似文献】
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1 关福宏;陈彬;陈海林;方大纲;俞文明;张力军;;脉冲平面波斜入射旋转对称体电磁散射的FDTD算法(英文)[J];计算物理;2007年03期
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8 周永江;陈朝辉;程海峰;曹义;刘海韬;;用FDTD方法研究颗粒型复合材料微波等效介电常数[J];材料科学与工程学报;2006年06期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 刘小利;孙忠良;周健义;;FDTD法研究复杂结构中的介质谐振电路[A];1997年全国微波会议论文集(下册)[C];1997年
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6 马积福;高本庆;;FDTD/表面积分法求金属散射体的远场[A];1995年全国微波会议论文集(上册)[C];1995年
7 兰婧;戴婧怡;牛帅;杨阳;;基于弱条件稳定的FDTD方法的复杂微带滤波器的电磁特性分析[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
8 胡淑欣;窦文斌;;几种T结波导环行器的FDTD法分析[A];2002海峡两岸三地无线科技研讨会论文集[C];2002年
9 袁伟良;梁昌洪;;FDTD求解平面波照射下的导体散射问题[A];1997年全国微波会议论文集(下册)[C];1997年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 张晶;俞永福:现在的移动互联网就像十年前的PC互联网[N];经济观察报;2010年
2 本报记者 李好宇;手机安全比PC更需要重视[N];电脑报;2010年
3 王如晨;PC“老兵”赖泰岳退休 德国人空降宏碁中国[N];第一财经日报;2009年
4 本报记者 曾航;伟创力苏州大扩产 PC制造之都争夺升温[N];21世纪经济报道;2010年
5 记者 朱梁;商务PC安全新标尺[N];中国电脑教育报;2008年
6 本报记者 林剑;一季度销量再创新高三大因素加速PC市场回暖[N];通信信息报;2010年
7 特约作者 苏驰;PC系统的新高速公路[N];电脑报;2010年
8 ;“电脑下乡”引爆PC业变局[N];民营经济报;2009年
9 本报记者 夏欣 董军 胡雅清;微利时代重战PC[N];中国经营报;2010年
10 记者 涂亚卓;武汉:冲向全球PC机老大[N];湖北日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 雷继兆;PC和服务器集群下的并行FDTD算法及其应用研究[D];西安电子科技大学;2009年
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6 丁海;突变介质区域高精度FDTD算法研究[D];西安电子科技大学;2008年
7 杜刘革;基于多GPU的FDTD并行算法及其在电磁仿真中的应用[D];山东大学;2011年
8 金涛斌;不同结构DGS微波滤波器的传输特性研究[D];天津大学;2011年
9 李娟;粗糙面及其与目标复合电磁散射的FDTD方法研究[D];西安电子科技大学;2010年
10 曹德安;手征介质的FDTD算法研究[D];华南理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李鹏飞;基于ADI-FDTD的微波加热模型研究[D];电子科技大学;2010年
2 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
3 王祎君;等离子体电磁散射CDLT-FDTD算法及M-UPML吸收边界研究[D];江苏大学;2010年
4 吴锋涛;高效率微带天线阵研究[D];国防科学技术大学;2003年
5 李新硕;并行FDTD算法和并行遗传算法及其在复杂天线设计中的应用研究[D];四川大学;2004年
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7 曾浩;FDTD及其并行算法在粗糙面和目标复合电磁散射中的应用[D];西安电子科技大学;2010年
8 荆敏娟;单光纤光镊的FDTD模拟分析及实验设计[D];燕山大学;2010年
9 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
10 花金荣;熔石英亚表面缺陷诱导激光损伤的FDTD研究[D];电子科技大学;2010年
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