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。

完全涂敷目标电磁散射高阶矩量法求解

针对传统矩量法(method of moment,MoM)几何建模复杂、计算量大等缺点,采用高阶矩量法和双线性表面技术对涂敷目标的电磁散射问题进行了研究。建立目标的双线性表面几何模型,基于等效原理建立表面电磁积分方程,以典型的完全涂敷目标为例,采用高阶矩量法进行仿真计算。计算结果表明,该方法不仅与传统MoM结果吻合,而且减少计算量和节省计算机内存。

自适应交叉近似压缩的高阶矩量法的并行实现

高阶矩量法在计算电磁学中的应用越来越广泛,为了进一步提高其计算规模,引入并行的自适应交叉近似压缩算法(Adaptive Cross Approximation algorithm,ACA).该算法首先采用非均匀有理B样条建模(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)的方法进行面片分组;然后利用矩量法中远区阻抗矩阵的低秩特性进行ACA压缩;最后采用稀疏近似逆预条件(Sparse Pattern Approximate Inverse preconditioning,SPAI)的共轭梯度法(Conjugate Gradient method,CG)快速求解矩阵方程.该算法中的ACA压缩过程和迭代求解过程都特别适合并行计算.数值实验表明,对于电大尺寸问题,ACA压缩后的矩阵占用的内存远远低于原矩阵,而预条件的共轭梯度法可以很快收敛.此外该算法在大规模并行时的效率较高.

并行高阶矩量法在大型反射面天线仿真中的应用

随着空间探测、卫星通信和大型雷达的发展,一些大型高精度反射面天线被广泛运用于各种领域。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。在高阶矩量法中常用的激励有电压源、电流源以及平面波,但是关于圆波导和同轴线波导场源的研究比较少,而这两种场源在现实应用中是十分重要的。本文将波端口的理论结合到高阶矩量法中,利用计算机平台中的192个CPU核对大型反射面天线的辐射特性进行了仿真并用1680个CPU核分析了卫星平台对星载反射面天线性能的影响,为电大尺寸的反射面天线的设计及分析其在平台上的布局提供了一条有效的途径。

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。

高阶矩量法求解MFIE时近奇异性提取

采用高阶矩量法求解磁场积分方程时,相邻面片之问的互阻抗是一个难以算准的奇异性四重积分,因为内层面积分和外层面积分中同时包含有奇异性。本文对于内层的近奇异积分采用sinh(x)函数作积分变换,而对于外层的弱奇异性积分采用Duffy变换进行处理,使得被积式变成能够直接数值积分的连续光滑函数。数值结果表明该方法计算近奇异积分时精度远高于直接高斯积分方法,求得的雷达散射截面与电场积分方程所得的结果完全一致,验证了方法的准确性和有效性。

高阶矩量法中几何结构及波端口对称性分析

针对几何结构及波端口激励源对称的大型目标,给出了高阶矩量法结合波端口理论的对称性分析方法.结合并行核外计算技术,分析了大型波导窄边缝隙阵列的辐射特性.数值结果表明,利用波导缝隙阵列的几何结构对称性结合波端口的对称性,能够在保证算法精度的同时大幅度降低矩量法的内存需求和计算时间.

采用高阶矩量法分析LPDA电磁特性

采用高阶矩量法研究对数周期天线的电磁特性;首先借助广义导线截锥体几何建模技术对天线进行线剖分,再依据电磁场边界条件在天线表面建立电场积分方程,最后用基于混合域基函数的高阶矩量法对其离散求解;仿真验证表明,此方法简单易行、结果精确,与传统的分域基矩量法相比,大大减少了未知数个数,而且不失精度;高阶矩量法是一种切实可行的高效电磁场数值计算方法,在分析相关辐射问题时具有一定的应用价值和理论意义。

并行高阶矩量法分析波导缝隙天线阵列

本文结合工程实际,采用并行高阶矩量法分析一个93单元数波导缝隙天线阵列的辐射特性。受限于计算资源,采用传统矩量法计算Ka波段波导缝隙天线阵列十分困难。高阶矩量法恰能大幅提高求解此类电大尺寸问题的能力,此外基于分块矩阵的高效并行策略能极大地提高计算规模并减少计算时间。文章最后通过与商业软件和实测结果对比,证明该算法有效性。

三角域上Meyer-Knig-Zeller算子的高阶矩量

给出了三角域上Meyer-Knig and Zeller算子高阶矩量的递推公式,经验算满足三阶矩量.

并行高阶矩量法分析舰队RCS和其它电磁特性

随着计算机多核技术和计算机群技术的发展和MPI并行技术的应用,使得并行高阶矩量法可以解决复杂大型目标的电磁特性。文中介绍了并行高阶矩量法的基本理论:高阶基函数、并行矩阵填充和并行矩阵求解,并在这些理论的基础上应用其分析舰队的RCS和其它电磁特性来说明这种数值算法的可行性和快速性。

基于GPU加速的高阶矩量法研究与应用

矩量法(MOM)在求解电磁场散射问题时,当未知量数目比较大时,其内存占用和计算时间非常大。基于最佳一致逼近理论构造了高阶矩量法,并引入了计算统一设备架构(CUDA)技术,在图形处理器(GPU)上实现了并行加速计算二维电磁散射问题。实例结果表明,在与快速多极子算法(FMM)相对比下,该方法在较低剖分的情况下,具有很高的计算精度,并且在阻抗矩阵填充和矩矢相乘时的速度大大提升,适用于电大尺寸目标的散射问题。

均匀介质目标高阶矩量法的高效预处理方法

针对均匀介质目标的高阶联合切向积分方程(CTF)迭代求解收敛慢甚至不收敛的问题,提出了一种高效预处理构建方法。通过研究CTF离散方程的矩阵特性,发现矩阵方程中等效电流和等效磁流的两个耦合项具有绝对数值相差很大的特征。利用此特征,提出了先忽略弱耦合项,再用不完全LU分解构造预处理器。数值算例表明:采用此预处理技术的高阶CTF方程在保留CTF方程高精度与稳定性的基础上,具高效性。

并行核外高阶矩量法分析机载天线受扰特性

利用核外算法,将计算机硬盘动态的纳入矩量法求解过程打破内存的限制,同时采用并行计算技术加速矩量法的求解过程。通过某飞机的双站雷达散射截面(RCS)计算,验证了核外算法的正确性。最后,将并行核外高阶矩量法用于机载伞形印刷振子天线阵列辐射特性分析,结果表明,该方法可充分利用计算机的硬盘,扩大矩量法可求解问题的规模。

基于高阶矩量法的多层锥形频选罩建模与分析

高阶矩量法(High Order Method of Moments,HOMo M)可以准确分析频选天线罩特性,采用高阶基函数可以大幅降低未知量数目,但目前对高阶基函数所需的大四边形网格未有成熟的建模方法,这使得高阶矩量法分析频选天线罩问题变得困难。本文主要提出一种多层锥形频选罩的四边形网格的一体化建模方法。整个建模过程模块化,主要分为平面单元构建、扇形区域裁剪、边界处理、锥面映射、锥顶球面拓扑构造和面片内外推进六个模块。在建立锥形频选罩模型后,采用高阶矩量法进行预处理,随后设计一种频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)单元,最后分别计算了三层介质加载的双层频选罩的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)和辐射等电磁特性,验证了本文建模方法的正确性和有效性。

基于高阶矩量法的电大尺寸物体电磁场分析计算

主要运用高阶矩量法对电大尺寸物体下的天线电磁场进行分析计算。采用高阶多项式作为基函数,通过合理调整多项式的阶数,可将传统矩量法对模型网格边长的要求放宽到1个波长左右。一般情况只需要约20个基函数,就可以描述一个平方波长目标的电磁流,大大减少了未知量数目,降低了传统矩量法的矩阵规模,从而有效克服了分析电大问题普遍遇到的计算机内存不足的问题,很好地解决了实际工程问题,具有重要的实用意义。

面向国产异构DCU平台的大规模并行矩量法研究

面向国产异构众核处理器超级计算机发展趋势,实现了基于CPU+DCU国产异构并行系统的大规模并行高阶矩量法。在同构并行矩量法负载均衡策略的基础上,提出了一种“MPI+openMP+DCU”的高效异构并行编程框架,解决了计算任务与计算能力不匹配的问题,实现了矩量法异构并行计算过程的负载均衡。采用细粒度任务划分策略与异步通信技术,对深度计算处理器计算过程进行了流水线优化设计,实现了计算与通信重叠,提升了矩量法异构协同计算的效率。通过与有限元法的仿真结果对比,验证了CPU+DCU异构并行矩量法的准确性。基于国产深度计算处理器异构平台的可扩展性分析结果表明,与单纯CPU计算相比,所实现的CPU+DCU异构协同计算方法能够获得5.5~7.0倍的加速效果,且在国家超级计算西安中心能够实现全系统运行,并行规模从360节点扩展到3 600节点(共1 036 800个处理器核心),并行效率可以达到约73.5%。

高阶矩量法的超级电磁计算研究

矩量法是广泛使用的高精度电磁数值算法之一。在仿真复杂电磁问题时,该算法需要处理大型复数稠密矩阵方程,这导致其面临内存需求高、计算时间长的问题。与传统基函数相比,本文采用的高阶多项式基函数能够在保证计算精度的前提下大幅度降低未知量,进而降低矩阵阶数。在此基础上,本文设计了基于分块矩阵的高效并行策略,在国内超级计算机平台开展了并行高阶矩量法的超级电磁计算研究,大幅度提升了矩量法的仿真能力。在国产神威蓝光超级计算机上,以机载天线阵列的辐射特性计算为例,对并行规模高达30720 CPU核时的算法性能进行了评估,测试结果表明算法在并行规模扩大20倍以上时仍可获得50%以上的并行效率。在当前排名世界第一的天河2号超级计算机上,以飞机散射特性计算为例,对并行规模高达201600 CPU核时的算法性能进行了评估,测试结果表明算法在并行规模扩大约8倍时可获得50%以上的并行效率。数值仿真结果表明并行高阶矩量法可以在不同架构的超级计算机上高效完成复杂电大目标的精确电磁计算。

介质体电磁散射的矩量法快速求解

针对传统低阶矩量法(MoM)几何建模复杂、计算量大等缺点,采用高阶矩量法和双线性表面技术对介质体电磁散射问题进行了研究。首先建立散射体的双线性表面几何模型,然后基于等效原理建立表面电磁积分方程,最后以典型散射体为例,采用高阶矩量法进行了仿真计算。计算结果表明,高阶矩量法结果不仅与MoM结果吻合很好,而且至少减少了50%的未知量,同时也节省了计算机内存。因此该算法在快速求解介质体的电磁散射问题时有一定的理论和应用价值。

基于超级计算机的矩量法性能分析与优化

复杂目标的精确电磁特性分析往往需要巨大的存储和极长的计算时间。针对这一问题,结合国内发展迅速的超级计算机系统,研究了具有精确高效仿真能力的高性能电磁算法——高阶矩量法。提出了单元预选法来消除矩阵并行填充过程中的无效计算,加速矩阵填充过程。提出了一种具有更少的通信次数和通信量的新型并行LU分解算法,加速矩阵方程求解过程。数值测试表明提出的矩阵并行填充算法和矩阵方程并行求解算法在超级计算机平台上都能获得较高的并行性能,大幅提高了矩量法的仿真能力。