面向電大復(fù)雜目標(biāo)的高效電磁算法研究.pdf

1、本文主要研究了面向電大復(fù)雜目標(biāo)的高效電磁算法，從諸多角度改進(jìn)了傳統(tǒng)算法的弊端，提出并實(shí)現(xiàn)了多種理論框架和求解方法，在保證精度的條件下提升了計(jì)算效率。論文創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.實(shí)現(xiàn)了基于OpenMP-CUDA技術(shù)的矩量法多GPU并行加速，獲得了10倍以上量級(jí)的加速效果;
　　2.提出了基于零空間的高效預(yù)處理技術(shù)的積分方程快速算法，實(shí)現(xiàn)了電大尺寸目標(biāo)的快速仿真;
　　3.提出了面向電大尺寸天線平臺(tái)的MLFMA-PO高低頻混

2、合算法，在保證相似精度下，獲得了計(jì)算效率的巨大提升;
　　4.提出了多算法協(xié)同電磁計(jì)算框架，支持多種電磁算法對(duì)電大復(fù)雜目標(biāo)的協(xié)同分析計(jì)算，克服了單一算法的局限性。
　　首先，本文詳細(xì)介紹了計(jì)算電磁學(xué)(CEM)中的積分方程(IE)與矩量法(MoM)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理，采取了OpenMP-CUDA并行技術(shù)，在多GPU硬件資源大幅度提升了MoM的計(jì)算效率。在矩量法的算法優(yōu)化方面，介紹了基于代數(shù)分解和基于物理的積分方程快速算法。針對(duì)于不同

3、特殊類型的電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)，本文從積分方程的快速算法角度，在四個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化加速，包括:基于近似波形估計(jì)(AWE)與矩陣分解技術(shù)的快速單站散射分析算法;用于高效分析周期結(jié)構(gòu)的快速算法;快速分析包含開放和封閉結(jié)構(gòu)的混合積分方程;面向均勻介質(zhì)的IPMCHWT積分方程。
　　其次，由于復(fù)雜電大目標(biāo)生成的阻抗矩陣往往性態(tài)較差，因此基于迭代計(jì)算的快速算法需要構(gòu)建強(qiáng)壯的預(yù)處理矩陣用以保證滿意的收斂速度，本文在快速算法基礎(chǔ)下提出了基于零空間生

4、成技術(shù)的預(yù)處理器(NFGP)，該預(yù)處理器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且天然適合并行。而結(jié)合輕量多極子技術(shù)，NFGP的性能得到了進(jìn)一步的提升。此外，天線與平臺(tái)復(fù)合輻射問(wèn)題作為電大復(fù)雜問(wèn)題的典型代表，本文著眼該問(wèn)題并基于傳統(tǒng)的MoM-PO混合算法，在不同的方面進(jìn)行了深入的研究和改造，提出了能夠快速求解電大目標(biāo)的MLFMA-PO混合算法。該算法使用了MLFMA技術(shù)加速了不同區(qū)域的自耦以及互耦計(jì)算，使得混合算法的計(jì)算復(fù)雜度得到了降低?；旌纤惴ńY(jié)合了基于快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似

5、(FAFFA)的等效偶極子技術(shù)，能夠使得MoM區(qū)域作用到PO區(qū)域的耦合計(jì)算更加高效與精確。面向于復(fù)雜平臺(tái)目標(biāo)，本文采用了迭代策略與雙八叉樹結(jié)構(gòu)，并加入了迭代物理光學(xué)(IPO)算法，進(jìn)一步提升了混合算法的性能。
　　最后，由于實(shí)際的電大復(fù)雜問(wèn)題往往表現(xiàn)為多尺度、多介質(zhì)以及多電磁特性等，因此采用任何單一算法都不可能解決所有問(wèn)題。本文基于等效原理提出了多算法協(xié)同計(jì)算架構(gòu):對(duì)于多種介質(zhì)以及多種電磁特性問(wèn)題，可將其分解為多個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)

6、域選擇最為合適的電磁算法進(jìn)行分析。協(xié)同求解器使用了類雅可比迭代框架并行考慮各部分的互耦作用。研發(fā)的協(xié)同算法框架分析復(fù)雜目標(biāo)時(shí)，由于不同模塊的求解過(guò)程相互獨(dú)立，因此隔絕了多種不同因素帶來(lái)的影響，從而使得迭代速度變快，提升了整體問(wèn)題的求解效率。
　　本文的研究工作為電大復(fù)雜目標(biāo)的高效求解提供了諸多的有效的方法途徑，獨(dú)立開發(fā)了相應(yīng)的高性能軟件系統(tǒng)和計(jì)算平臺(tái)，并已經(jīng)得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，相應(yīng)的科研成果也為課題進(jìn)一步的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。