大型带罩天线阵列的精确高效电磁仿真算法

针对大型带罩天线阵列系统的辐射特性仿真问题,基于等效原理和波导模式匹配法,建立了多层快速多极子算法的波端口模型,实现了对天线激励源和匹配负载的精确电磁建模,同时提出了一种适用于计算金属介质天线模型的多层快速多极子算法并行策略,通过建立多棵八叉树结构降低了计算过程中各进程间的通信量,实现了对大型带罩天线阵列系统的精确、高效一体化仿真计算。通过与高阶矩量法及有限元-边界积分方程法计算得到的天线方向图、S参数进行对比,验证了该方法的精确性及高效性。

矩量法的一般波端口电磁建模方法

针对矩量法中非规则截面波端口的电磁建模问题,提出了一种基于高阶基函数矩量法的一般波端口建模方法。基于等效原理和模式匹配法建立了波端口表面积分方程,并利用二维有限元法对非规则波端口的模式进行高精度数值分析,将矩量法的规则波端口模型拓展为可用于规则及非规则波端口建模的一般波端口模型。在此基础上,使用定义于双线性曲面四边形单元的高阶基函数取代传统低阶基函数,减少了矩量法矩阵的未知量,显著降低了算法的内存需求和计算时间。通过数值算例对方法进行测试,与有限元法的数值结果进行对比,验证了方法的正确性;与低阶矩量法的数值结果对比,验证了方法的高效性。结果表明,该方法进行一般波端口模型建模仿真具有高效率和高数值精度的特点。

电大平台中多天线辐射特性的快速计算

为了在有限计算机资源条件下快速分析电大平台中的天线辐射特性,基于混合场积分方程实现了自动分层的多层快速多极子方法,采用结合GMRES(l)和BiCG优点的BiCGStab(l)进行求解,给出了一种新的基于"物理邻居"的近场预条件技术,该预条件能将矩量法单元之间的主要作用量考虑在内,有效提高了BiCGStab(l)的收敛速度.以实例计算了一个尺度与真实尺寸相当的舰船模型上多根超短波天线的远场辐射特性,数值结果表明这种方法能准确、快速地分析电大平台中的天线特性.

机载多天线系统电磁兼容性研究

为了在有限计算机资源条件下快速解决机载平台中多天线系统的电磁兼容(EMC)问题,基于电场积分方程(EFIE),实现自动分层的多层快速多极子方法(MLFMA).针对天线间的近场耦合特性,采用任意天线间的隔离度代替传统隔离度,使得隔离度计算结果更加合理.同时采用BiCGStab(l)结合近场预条件方法进行求解,进一步提高MLFMA的综合效率.最后实例计算并分析波音747飞机模型上多根超短波天线的辐射方向图和宽频带内天线间的隔离度.数值结果表明方法准确有效.

快速计算地面上车辆目标的电磁散射特性

为快速计算地面上车辆目标的电磁散射特性,实现适用于半空间环境的多层快速多极子方法.对于近区项,利用严格的半空间并矢格林函数进行计算;对于远区项,首先将半空间格林函数分解为直射项和反射项,然后采用实镜像方法计算反射项.方法物理概念清晰,与目前常用的离散复镜像方法相比,具有良好的收敛性和稳定性,大大降低计算时间和内存需求.实例计算并分析地面上汽车模型的电磁散射特性.

大型椭圆口径天线阵列辐射特性分析

利用椭圆口径与圆口径阵列天线方向图函数之间的等效关系,将圆口径Taylor综合方法应用于单元数为2132,未知量为486546的椭圆口径微带天线阵列,并采用并行高阶矩量法计算其辐射特性,得到理想的低主副瓣电平比。高阶矩量法具有计算精度高、未知量少、节约计算资源等优势。大规模并行计算可以极大地提高计算效率。本文结果表明该方法可以有效地解决工程上大规模的复杂问题。

国产CPU平台中并行高阶矩量法研究

将并行高阶矩量法在纯国产CPU平台中对电磁辐射与散射问题进行了仿真计算,并以散射问题为例,对算法的并行效率进行了测试.基于高阶多项式基函数的矩量法在保证计算精度的同时,可以大幅度降低传统RWG基函数矩量法产生的未知量.基于分块矩阵的高效并行策略进一步提高了矩量法的计算规模,并加速了仿真计算的过程.数值结果表明,采用的并行高阶矩量法程序,为在纯国产超级计算平台中解决复杂电磁仿真问题提供了一条有效的途径.

大规模并行RWG矩量法矩阵填充优化

针对并行RWG矩量法进程间冗余积分问题,通过优化网格编号提出了一种高效的并行矩阵填充方案.在矩阵块循环分布并行策略基础上,对三角形公共边进行重新编号,使得需要相同三角形积分的矩阵元素分布在同一进程上,从而大幅度地减少进程间的冗余积分计算.数值结果表明,该并行矩阵填充方案消除了绝大部分的进程间冗余积分,提高了并行矩阵填充的效率.

高阶矩量法在国产超级计算机上的并行性能

矩量法的计算复杂度和内存需求随着电磁目标未知量N的增大呈O(N 2)甚至O(N 3)增长,这使得其在处理未知量很大的复杂电磁问题时,往往需要很长的计算时间,因此算法并行性能的优化显得尤为重要。本文基于国产计算机平台的软硬件环境,针对Block size和Process grid两个参数对矩量法并行性能的影响进行了优化测试,并根据优化测试的结论对高阶矩量法的并行性能进行了测试,测试结果表明该算法在并行规模扩大10倍以上时仍可以获得75%~80%的并行效率。此外以飞机散射特性计算为例表明并行高阶矩量法可以在国产计算机平台上有效解决此类散射问题。

波端口理论在波导缝隙天线计算中的应用

采用矩量法面积分方程(SIE)分析波导缝隙天线阵问题时,由于矩量法中缺少理想吸收边界的概念,所以难以模拟匹配负载,行波天线的计算比较困难。同时大型天线的仿真计算非常耗时。针对这些问题,本文通过基于孔径耦合的等效原理和波导的模式匹配法构造出矩量法中的波端口模型。通过波端口模拟的匹配负载实现了行波天线的准确计算。另一方面通过引入并行计算技术,以超级计算机为平台实现了大型波导缝隙天线阵的快速仿真计算。与商业软件计算结果的对比验证了该方法的正确性和高效性。

基于时间反转的稀疏阵多目标聚焦方法

针对时间反转方法中对远场多个目标的聚焦问题时,需要对得到的传输矩阵进行特征值分解,则要求该矩阵为方阵,这就要求天线的探测发射单元与接收单元数量相同。考虑雷达的工作特性,本文使用部分天线单元做探测天线单元,并将得到端口的散射参数矩阵重新构造后进行特征值分解。主特征值个数对应目标个数,对主特征值对应的特征向量进行时间反转并计算其远场方向图,便可以得到远场方向图上对目标的聚焦。仿真结果表明,该方法可准确有效的在多个目标处分别聚焦,并具有良好的聚焦性能。

大型共形天线阵列的仿真计算

分析设计大型阵列天线阵问题时,由于计算量巨大,很难实现全波方法如矩量法的整体仿真计算。而传统的方向图乘积定理无法考虑阵列单元间的耦合作用,所以无法保证计算的精度。针对这些问题,本文通过分析阵列单元间的耦合作用,提取出考虑耦合作用的单元因子作为阵列的本征解。在提取单元因子过程中,根据单元间耦合强度自适应选取需要考虑的耦合单元数。从而实现了在精度可控的前提下选取尽量少的单元数来减少计算量。分析共形阵列时,通过选择典型单元因子,根据阵面方向及位置进行旋转平移操作后加权组合出整个阵列的方向图。最后采用该方法分析了一个大型圆柱共形阵列天线的辐射特性。

异构平台中并行矩量法的加速技术

本文主要研究了在CPU/GPU异构集群上的并行矩量法的加速技术。本文设计出一种MPI/CUDA软件编程架构,解决了CPU/GPU异构集群上并行LU分解跨节点计算的难题。此架构基于矩阵分块二维循环分布的数据分配策略,利用MPI实现计算节点之间的通信,同时利用GPU加速矩阵更新过程。为了突破GPU显存对LU分解的矩阵规模的限制,本文进一步研究了"显存—内存"核外算法。为了优化算法性能,本文提出了基于"CUDA流"技术和"异步通信"技术的设计方案,实现了GPU通信与计算的重叠,有效隐藏了GPU通信时间,获到了明显的加速效果。

并行高阶矩量法分析地基天线对飞机近场影响

电磁干扰一直是影响客机正常起飞和降落的关键性问题之一。分析地基天线对大型飞机近场的影响可以作为机场附近天线布局的指导。然而由于计算机存储资源的限制,难以对复杂的电大尺寸目标进行精确仿真。随着计算机软硬件技术的不断发展,计算机集群的大规模并行计算技术使得这一问题得到解决。本文基于并行高阶矩量法,利用国产计算机平台中的10240个CPU核对大型飞机周围电磁环境受地基天线的影响进行了仿真分析,验证了大型飞机近场分布精确计算的可行性。

任意形状电大散射体附近天线受扰方向图的快速分析

该文采用基于非均匀有理B样条曲面(NURBS)建模的物理光学方法结合矩量法(MoM-PO)分析任意形状电大散射体附近天线的受扰方向图。采用插值驻相点技术加快了方向图的计算速度。文章推导了基于有理贝齐尔曲面的物理光学散射场计算公式,采用驻相法(SPM)计算有理贝齐尔曲面上的物理光学感应电流积分从而得到物理光学散射场,并利用物理光学散射场迭代矩量法区域的电压矩阵。通过与传统平面片建模的物理光学方法的计算结果对比,说明该文方法的有效性和计算速度快的优点。

大规模并行高阶矩量法的容错算法研究

基于超级计算机的大规模并行电磁计算对于解决实际工程中的复杂电磁难题具有重要意义,但超级计算机中由节点故障导致的进程崩溃事件的概率远远高于普通计算机。该文针对传统电磁计算难以有效应对进程崩溃的现状,提出一种高效的、适用于大规模并行高阶矩量法的容错算法。在现有并行高阶矩量法的基础上,基于"硬盘缓存"和"直接内存读取"设计高效率、高可靠性的现场保护算法,同时设计了高效的断点恢复算法。算法的有效性主要在于"固定的现场保护点"这一特点,它使得算法在有故障的情况下仍然可以正常有序地进行;而原算法每次碰到故障,则只能从头计算。数值仿真实验验证了容错算法在应对进程崩溃事件时的有效性,大幅提高了大规模并行高阶矩量法的可靠性。

大型机载相控阵雷达天线受扰分析

该文利用基于并行核外高阶矩量法的区域分解法(DDM)快速准确地分析了机载雷达相控阵的受扰特性。分析机载相控阵主波束相位扫描变化时,可将其分为机载平台和相控阵两个区域。由于机载平台不变,故在求解过程中只需计算一次,并利用核外技术将该部分的阻抗矩阵等相关数据信息存入硬盘。每改变一次扫描角,只需重新计算相控阵区域,进而结合已存储的机载平台区域,通过迭代便能得到机载相控阵的受扰特性。该方法能够大幅度降低大型机载问题的计算时间和存储需求。数值仿真实例表明,该方法可用于高效分析大型机载平台中的雷达相控阵天线布局问题。

并行核外区域分解算法在电磁辐射中的应用

本文提出一种基于并行核外高阶矩量法的区域分解算法。该算法在传统区域分解的基础上,通过引入并行计算以及核外技术,显著减少了内存需求和计算时间,从而极大地提高了矩量法处理电大尺寸目标的能力。首先对Ku波段反射面天线的辐射方向图进行计算,并与矩量法整体计算的结果进行对比,验证了该方法的准确性。接着对Ka波段反射面天线的辐射方向图进行了仿真计算,数值结果表明该算法可以有效地解决这一类型的复杂电磁工程应用问题。

ACA算法加速时域MoM分析瞬态电磁问题

本文使用自适应交叉近似算法(Adaptive Across Approximation)加速时域积分方程的求解,从而达到降低内存使用量和缩短计算时间的目的。众所周知,基于时间步进(Marching-On-in-Time)的时域积分方程的解会在时间轴后半部分出现明显的震荡现象,造成解的不稳定。阶数步进(Marching-On-in-Degree)是解决这一问题的有效途径。因此,本文首先采用MOD方法求解时域积分方程,从而得到一个时间轴上稳定的解;其次,由于时域矩量法产生的大规模稠密矩阵,其求解势必对内存以及硬件资源有着较高的要求。ACA算法是一种纯数学加速方法,本文将它应用于时域积分方程的求解过程中,有效地降低了资源需求。最后,通过算例验证了本文方法的有效性和可行性。

国产超级计算机实现10万核FDTD并行计算

结合国产超级计算机研制中软件能力不足的现状,研究了超大规模并行时域有限差分法,实现了10万核的并行时域有限差分法计算.以128CPU核为基准,在10 240CPU核时,该算法的并行效率可以达到65%以上.该文的研究结果表明,并行时域有限差分法可准确有效地在国产超级计算平台上解决复杂超电大电磁工程问题.