基于高阶时域有限差分算法的电磁波传播计算

利用FDTD(2,4)高阶时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)算法并结合滑动窗口的思想,对电磁波传播特性进行了仿真计算.采用的高阶FDTD算法在空间上达到四阶精度,与二阶精度的传统FDTD算法相比,在相同每波长采样数的条件下,数值色散误差能得到进一步的减少.在源脉冲传播较长距离时,数值色散的减少使得时域下脉冲扩展现象得到改善,滑动子窗口仍然能包含着激励源脉冲的全部信息,从而可更加准确地计算长距离电波传播特性.另外,在相同的数值色散误差容限下,每波长采样数比传统二阶FDTD方法有所减少,从而节省存储空间,加快计算速度.

深基坑锚拉式支护结构的有限差分算法研究

为克服现行规范建议采用单参数m法的缺点,将分析水平推力桩的综合刚度原理和双参数法延伸至作用有水平分布荷载的基坑锚拉式支护结构变形和内力计算中,建立一种基于此原理和方法的改进的弹性地基梁有限差分算法。此外,为考虑动态施工过程,引入增量法对各工况进行计算分析,并根据现场实测数据,反演出合适的综合刚度和双参数。研究结果表明:该方法得到的水平位移和弯矩,均与实测结果吻合良好,而采用单参数m法却很难使支护结构的位移和内力同时较好地与实测值相符。文中反分析所得的综合刚度和地基抗力双参数,可应用于同一基坑工程相同结构或同一地区工程地质条件和支护结构相似的设计计算,无疑可获得较现行单参数法更为准确的设计计算结果。

计算电离层VLF波传输特性的时域有限差分算法

在星载甚低频（VLF）通信技术中,研究甚低频信号在电离层中的传输特性具有重要意义。现有的利用时域有限差分（FDTD）算法研究电离层传输特性大多基于高频脉冲信号,且传播模型相对粗略,计算存在一定误差。为此,建立了更为精确的电离层各向异性传播模型,对常规的FDTD算法引入变步长因子,并用该算法对VLF波在电离层中的场强衰减进行了数值计算,研究了昼夜变化及频率对其传输特性的影响。仿真结果与卫星实测数据对比表明：与常规的FDTD算法以及全波分析方法相比,引入变步长因子的FDTD算法精度更高;在VLF频段,降低频率有利于电磁波穿透电离层,且白天的衰减明显大于夜间;VLF波在射入电离层并穿透D层时衰减严重（30-40 d B）,约为F1层中衰减的3倍。

使用Jury准则对时域有限差分算法进行稳定性分析

在分析过程中要找出对应特征多项式的所有的根是相当困难的,尤其是对于高阶算法而言。为了解决这个问题,控制领域中的Jury准则将被引入,它仅需要使用特征多项式的系数而不需要直接求解整个方程获得所有的根。因此,使用它可以简化算法的稳定性分析,2个实例验证了它的有效性。

时域有限差分算法与遗传算法在平面螺旋电感设计中的应用

文章通过电磁场时域有限差分 (FDTD)算法与遗传算法 (GA)相结合进行平面螺旋电感设计。通过优化单元网格大小 ,可优化设计整个平面螺旋电感 (包含空气桥 )的结构尺寸。介绍了该方法既能够进行严格的电磁场求解 ,又可以避免繁杂的实验过程 。

辛时域有限差分算法研究等离子体光子晶体透射系数

相较于传统的时域有限差分算法,辛时域有限差分算法具有高准确度性和低色散性.传统的时域有限差分算法的计算准确度较低,数值色散误差较大,并且破坏了麦克斯韦方程的辛结构,从而导致其稳定性较差.然而辛时域有限差分算法可以克服这些缺点,从而保证了整个仿真计算的准确性和稳定性.本文基于辛时域有限差分算法,对等离子体光子晶体的带隙特性,透射系数等进行了研究,并与传统的时域有限差分算法进行了对比,验证了辛时域有限差分算法的优势和可行性.

时域有限差分算法的MPI实现与效率分析

以MPI为编程环境,讨论了时域有限差分算法(FDTD)的子区域划分方法和虚拟拓扑的建立;通过分析FDTD算法,建立了相邻子区域间的通信规则和FDTD并行算法的MPI实现步骤;通过对运算开销和通信开销的测试与计算,分析了算法的效率。

正六边形二维场域电位的有限差分算法

以正六边形二维场域为例,建立了正三角形网格划分的有限差分法的计算模型,并通过MATLAB编程得到场域内电位分布的数值解和相应图形,对有限差分法的计算处理进行了讨论和分析.

嵌入式薄片模型在时域有限差分算法中的应用

将一等效薄片模型嵌入到时域有限差分算法(FDTD)中,以快速而有效地解决复合材料薄片在电磁计算中的多尺度问题。在该嵌入式薄片模型中,薄片不需要被剖分网格,而是被嵌入到相邻的网格间,从而可以使用相对较大的网格剖分周围物体,进而可节省大量的计算资源。在这一模型中,薄片被等效为一段传输线,并用其频域的导纳矩阵代替。使用数字滤波器理论以及逆Z变换可将频域的导纳矩阵转换到时域,并将其嵌入到时域有限差分算法中。该嵌入式薄片模型被用来计算一单层碳纤维复合材料薄片的反射以及透射性能,并与其解析解进行对比,从而验证该模型的准确性、收敛性以及高效性。该模型被用来计算三种具有不同电参数的单层碳纤维复合材料薄片的屏蔽性能,以研究各电参数对其屏蔽性能的影响。

时域有限差分算法的计算机实现可行性研究

时域有限差分法是解决电磁场计算的重要算法。该算法基于简单的公式迭代,很容易处理不同介质组成的电磁结构。但由于有限的计算机存储空间使得时域差分算法的空间有限,利用特殊的边界条件来截断电磁场问题的几何空间才能用于计算机编程实现。

有限差分算法在导波模式可视化教学中的应用

为了加强学生对导波模式的理解,提高教学质量,利用有限差分法分析了平板介质波导中的模场分布,并将计算结果可视化.将电磁场与电磁波中的抽象的公式化结论转化成图像视觉描述,不仅可以丰富教学内容,而且可以帮助学生直观地分析与理解抽象的概念和规律,从而提高课程的教学效果.

基于Intel MIC架构的3D有限差分算法优化

有限差分算法是一种基于偏微分方程的数值离散方法,被广泛应用于弹性波传播问题的数值模拟中。该算法访存跨度大、计算密度高、CPU利用率低,这在实际应用中成为了性能瓶颈。针对上述问题,在详析3D有限差分算法(3DFD)的基础上,基于Intel MIC架构,采用三步递进法对其进行优化:首先,通过分支消除、循环展开、不变量外提等基本优化法削减计算强度并为向量化扫除障碍;然后,通过分析数据依赖及循环分块,使用向量指令集改写核心算法等并行优化法,充分利用MIC协处理器多线程、长向量的机制;最后,在异构众核平台(CPU+MIC:Many Integrated Cores)下通过数据传输最小化、负载均衡等异构协同优化法实现CPU和MIC的并行计算。实验验证,与原有算法相比,优化后的算法在异构平台上获得了50~120倍的加速。

基于CUDA平台的时域有限差分算法研究

文章针对传统时域有限差分(FDTD)算法的不足,以图形加速卡为核心,通过理论分析和数值模拟,研究并实现了基于CUDA平台的FDTD并行算法。CUDA是最新的可编程多线程的通用计算GPU模型,由于FDTD算法在空间上具有天然的并行性,因此非常适合在GPU上实现并行算。文章描述了在CUDA编程模型上的FDTD算法的设计以及优化过程,并通过数值仿真实验结果证明了基于GPU的并行FDTD算法可以大大减少计算时间,基于GPU加速已成为电磁场数值计算的研究热点之一。

电磁计算中辛时域有限差分算法研究进展

辛时域有限差分(symplectic finite-difference time-domain,SFDTD)算法作为一种高精度、高稳定、高保真度的时域数值算法,在多个学科领域得到了广泛的应用,并已发展成为一种较为成熟的数值计算方法.本文主要对SFDTD算法的构建、数值优化以及相关关键技术处理进行了介绍.重点总结了基于时间和空间上的差分近似优化处理方法,处理不连续边界及金属曲面时的局部修正方法,以及时域电磁仿真中不可或缺的三大关键技术:总场/散射场技术、完全匹配层(perfect matched layer,PML)、近远场变换技术.最后,介绍了SFDTD算法在电磁仿真、量子力学求解、多物理问题建模与分析中的具体应用.

深基坑内撑式支护结构的有限差分算法研究

为克服现行规范建议采用单参数m法的缺点,将分析水平推力桩的综合刚度原理和双参数法延伸至作用有水平分布荷载的基坑内撑式支护结构变形和内力计算中,建立一种基于此原理和方法的改进的弹性地基梁有限差分算法。此外,为考虑动态施工过程,引入增量法对各工况进行计算分析,并根据现场实测数据,反演出合适的综合刚度和双参数。计算结果表明,该方法得到的水平位移和弯矩,均与实测结果吻合良好,而采用单参数m法却很难使支护结构的位移和内力同时较好地与实测值相符。反分析所得的综合刚度和地基抗力双参数,可应用于同一基坑工程相同结构或同一地区工程地质条件和支护结构相似的设计计算,无疑可获得较现行单参数法更为准确的设计计算结果。

等效环路有限差分算法及其在人工复合材料设计中的应用

本文实现了一种新颖的等效环路有限差分算法,这种算法借鉴传输线算法的思想,在Yee氏网格中引入等效集总元件,包括常规介质中的等效串联电感、并联电容和左手材料中的等效并联电感、串联电容等.良好的物理思想使其可以提供适用色散介质计算的收敛性条件,更加适合仿真计算频率选择表面和超材料等色散介质.为了提高其计算效率,研究了核内加速技术,这种技术理论上可达到最高4倍的加速,实际应用中得到2倍左右的加速效果.使用该算法进行了超材料吸波体结构的设计,通过单双环电阻加载实现宽带电磁波吸收功能.隐身天线罩对于实现天线的带外隐身有着重要作用,利用该算法设计了工作频率为1GHz,隐身频带在3GHz到9GHz的天线罩.并与两个加工样品的测量结果进行了比较,对比的结果验证了算法的正确性.同时核内加速技术的有效性也通过仿真时间比较得到了验证.

双色散模型的辛时域有限差分算法

结合有耗的Drude-Lorentz色散模型,提出了处理双色散模型的辛时域有限差分算法.基于矩阵分裂,辛传播算子和辅助差分方程技术,结合严格而巧妙的公式推导,构建了算法框架,并给出了详细的公式推导过程.为了验证本文算法的有效性和精确性,首先计算了一维空间双色散平板的透射系数,并与解析解对比,结果较好地符合,证明了该算法是有效而精确的.然后计算了三维空间中有实际意义的银分裂环,金属银的介电参数由Drude模型拟合.计算了该结构的透射系数,反射系数和吸收系数,得到了银分裂环的谐振频率和吸收频率,为实际实验结果提供了可供参考的计算结果.

基于时域有限差分算法的光子晶体光分束器的设计

报道了一种基于空气孔型光子晶体自准直环形谐振腔1×4光分束器。其结构由4个改变空气孔半径的分光镜组成。首先运用多光束干涉原理分析光分束器各个端口的透射谱,通过分光镜的合适组合,自准直光就可以按照设定的比例从各出口出射。再利用编写的二维时域有限差分程序进行数值模拟计算,其结果和理论值很好地吻合。该结构具有尺寸小、自由光谱范围大、硅基等优点,有望应用于未来的高密度集成光路中。

三维有限差分深度偏移并行算法的设计和实现

针对分布式并行系统的特点 ,设计出一个高效实用的同步并行算法 .使用PVM编程 ,将串行的三维叠后深度偏移软件 ,在SP2上实现了并行化 ,获得了理想的并行效率和可扩展性 .已经在地质情况十分复杂的桩西地区进行实验 .在获得的叠后深度偏移剖面上 ,同相轴归位准确 ,断面清晰 ,构造形态鲜明 ,符合本地区的地质背景 。

Sobolev方程基于POD的降阶外推差分算法

用奇异值分解和特征投影分解(proper orthogonal decomposition,简记POD)方法建立Sobolev方程的一种降阶外推有限差分算法,并给出误差估计.最后用数值例子,验证基于POD方法降阶外推有限差分算法的可行性和有效性.