混響室電磁環(huán)境的GPU并行重建算法及應用研究.pdf

1、經過近半個世紀的發(fā)展，混響室已經成為一種被廣泛接受的電磁兼容測試設備。隨著近年來計算機技術的飛躍，特別是GPU異構加速計算的進步，使得計算電磁學得到了快速地發(fā)展，人們可以借助數(shù)值仿真方法處理一些復雜的電磁問題，混響室內的電磁環(huán)境分析便是突出的例證，從而極大地推進了對混響室內電磁環(huán)境的深入了解及對由該環(huán)境所產生效應的研究，并將混響室的應用拓展到了更為廣泛的領域。
　　本文針對混響室內電磁環(huán)境的數(shù)值仿真的若干相關問題展開了研究:在D.

2、A.Hill提出的平面波積分理論的基礎上，本文建立了一套GPU加速的對混響室內電磁環(huán)境進行FDTD仿真的方法，參照混響室理論和通行的工程標準對具體的仿真結果進行了詳細的統(tǒng)計學檢驗和參數(shù)討論，在評估其合理性后將這一數(shù)值方法拓展到了混響室內的生物電磁劑量學領域。
　　本文研究內容的關鍵點體現(xiàn)在三個方面:1）混響室內電磁環(huán)境的重建理論及數(shù)值驗證;2）基于GPU的混響室內電磁環(huán)境的高效數(shù)值算法實現(xiàn);3）混響室內電磁環(huán)境中的生物電磁劑量學。

3、
　　本文在這三個方面的主要工作和創(chuàng)新點為:
　　在混響室內電磁環(huán)境的重建理論與數(shù)值驗證方面:
　　1:對使用多重平面波疊加的混響室內電磁環(huán)境FDTD仿真重建算法進行了改進和數(shù)值驗證。推導并證明了入射方向參數(shù)（Θ，Φ）作為隨機變量應滿足概率分布;給出了（Θ，Φ）樣本的生成方法;并對生成的樣本進行了，檢驗，結果表明生成的樣本符合理論分布。這三個步驟完善了算法中對入射方向選取的理論依據(jù)。這一工作是本文獨立原創(chuàng)提出與完成的。

4、
　　2:對數(shù)值重建的混晌室內電磁環(huán)境，分別從仿真結果的相關性、場值分布律的假設檢驗、場值均值的假設檢驗和場值均勻性標準差驗證4個方面進行了統(tǒng)計學檢驗和參數(shù)討論，從而驗證了混響室電磁環(huán)境數(shù)值重建的有效性。其中相關性檢驗是本文首次提出的，彌補了現(xiàn)有文獻中直接使用多次數(shù)值仿真而不與實際測量中相關概念進行驗證的缺憾。
　　在基于GPU的混響室內電磁環(huán)境的高效數(shù)值算法實現(xiàn)方面:
　　實現(xiàn)了基于CUDA的混響室內電磁環(huán)境FDTD

5、仿真重建算法。分別對影響計算效率的CPML吸收邊界條件與TF/SF多重平面波加載部分，針對主流GPU硬件特點進行了優(yōu)化改進。
　　1:分別從GPU指令計算復雜度與訪存效率方面入手，通過重新安排遞歸卷積計算流程與合并CPML區(qū)域內的計算步驟，消除了CPML計算中一半以上的算術指令，并將訪存需求降低到了CPML理論的最小值。本文優(yōu)化的GPU CPML算法在數(shù)值實驗中比現(xiàn)有文獻的GPU CPML算法減少了70％的計算用時，并且不損失計算

6、精度。
　　2:對于多重平面波加載算法中影響效率的TF/SF連接邊界，通過將多個入射波的計算任務進行重排，將TF/SF邊界上同一點的計算任務合并到同一GPU線程的工作中。這樣分別從GPU多線程計算任務安排和數(shù)據(jù)結構方面進行了優(yōu)化，高效地利用了存取速度最快的寄存器資源，將任意有限多個平面波入射時的存儲和訪存需求降低到與單一平面波入射時基本相同的水平，這是TF/SF方法下的最小值。同時在數(shù)值仿真計算中減少了64％的執(zhí)行時間。
　

7、　本文在實現(xiàn)基于CUDA的混響室內電磁環(huán)境FDTD仿真重建算法中所進行的各種針對性優(yōu)化是本文獨立的原創(chuàng)工作。
　　在混響室內電磁環(huán)境下生物電磁劑量學應用方面:
　　1:對混響室電磁環(huán)境下的坡印廷矢量進行理論推導和數(shù)值仿真，結果的統(tǒng)計學處理表明混響室內電磁場的坡印廷矢量是與空間位置無關的零均值隨機變量，因而不再適于作為生物電磁劑量學量。仿真結果還表明S與＜SAR＞具有單一對應的量值關系，因而可以作為混響室電磁環(huán)境下的生物電磁劑