電磁散射與微波電路分析的并行加速技術(shù).pdf

1、隨著以電磁波為載體的移動通信、衛(wèi)星通信、軍民用雷達等電子系統(tǒng)的不斷發(fā)展,三維電磁場數(shù)值仿真日益成為開展系統(tǒng)關(guān)鍵器件設(shè)計、系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容等研究工作的一種重要手段。為了有效地對三維電磁場進行數(shù)值建模,開發(fā)快速而精確的電磁計算方法一直是研究人員的關(guān)注重點。為實現(xiàn)這個目標,本文從計算機并行硬件和數(shù)值算法兩個途徑出發(fā),研究了圖形處理器(GPU)并行加速、CPU集群并行、時域譜元方法(SETD)等技術(shù),并將這些技術(shù)應(yīng)用于雷達目標電磁散射特性研究、微

2、波毫米波電路尤其是有源非線性電路的電磁分析中。電磁算法必須在計算機硬件上執(zhí)行才能獲得對電磁現(xiàn)象的模擬能力。執(zhí)行電磁算法的傳統(tǒng)硬件平臺是中央處理器(CPU)。GPU并行加速技術(shù)是計算機科學最新的前沿發(fā)展,大量研究表明GPU可以比CPU更快地完成浮點運算。本文首先簡要介紹了GPU的硬件體系結(jié)構(gòu),闡述了兩種把GPU運用于數(shù)值計算的編程方法。一種是圖形編程方法,即用像素、紋理等圖形學元素表達數(shù)值計算的算法。采用圖形編程方法,本文實現(xiàn)了GPU對迭

3、代物理光學法(IPO)的加速,用于分析腔體的電磁散射問題。另外一種是使用NVIDIA公司的統(tǒng)一計算設(shè)備(CUDA)函數(shù)庫,該應(yīng)用程序員接口(API)使得GPU編程的難度大大降低。
　　 本文在CUDA編程模型下,研究了基于可編程GPU的多層快速多級子(MLFMA)方法。該方法通過把MLFMA的聚集、轉(zhuǎn)移、配置部分映射成具有單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)特性的核函數(shù)然后由GPU的多個處理器上并行執(zhí)行,降低了MLFMA算法完成矩陣矢量乘

4、的時間。這兩個應(yīng)用舉例表明,借助圖形編程方法或者CUDA接口,在傳統(tǒng)電磁數(shù)值算法中引入GPU加速手段是完全可行的。GPU加速技術(shù)在微分類電磁數(shù)值算法中也有很好的應(yīng)用。在棱邊有限元分析電磁散射的問題中,本文研究了一種基于GPU的FSAI預條件技術(shù)(GPU-FSAI)應(yīng)用于CG求解器。使用GPU-FSAI技術(shù)既可以有效地改善CG求解器的迭代收斂性能,同時有效地降低了FSAI預條件矩陣的施加和CG求解器中矩陣矢量乘操作的時間開銷。在無條件穩(wěn)定

5、的Crank-Nicolson FDTD(CN-FDTD)方法中,本文提出了一種基于GPU的Bi-CGSTAB求解器。該方法使用CUDA的多線程編程模型把Bi-CGSTAB算法完全移植到GPU上執(zhí)行,從而顯著地降低了CN-FDTD的求解時間。以上應(yīng)用充分證明了GPU可以作為CPU的協(xié)處理器有效地加速電磁數(shù)值算法,同時能保證計算結(jié)果的正確性。unn氏振蕩源是通信、雷達等電子信息系統(tǒng)中廣泛使用的一類非線性信號源。由于具有瞬態(tài)分析非線性電路的

6、優(yōu)點,時域電磁方法比頻域方法更適合Gunn氏振蕩源的分析。時域譜元法(SETD)是國際上一種比較新穎的時域方法,該方法采用曲面六面體離散,而且具有顯式求解特性。但傳統(tǒng)的SETD方法不能直接應(yīng)用于非線性有源電路的分析。因而本文基于SETD提出了一種新的時域電磁場.電路混合算法(稱為擴展的SETD方法)實現(xiàn)了對Gunn氏振蕩源的快速分析。該方法把Gunn管的物理特性用一個非線性等效電路表征,同時考慮了Gunn管和外圍電路之間的電磁耦合。另外

7、還采用矩陣重排技術(shù)保留了傳統(tǒng)SETD方法的顯式求解特性。使用該方法成功地對復雜微帶型和波導型兩種微波Gunn氏振蕩源進行了快速仿真。盡管SETD是一種顯式的時域電磁算法,但當需要的時間迭代步數(shù)很多或者求解的未知量很大使得單個時間步求解很緩慢時,計算仿真的總時間將大大增加,有時甚至不可忍受。為了進一步提高SETD方法分析電磁問題的速度,本文分別研究了GPU技術(shù)和CPU集群技術(shù)對SETD方法的加速。使用CUDA編程模型把SETD的時間步進操

8、作移植到GPU上執(zhí)行,可以大大縮減SETD的執(zhí)行時間。對于大未知量的電磁數(shù)值分析,本文基于流行的MPI庫開發(fā)了運行于計算機集群系統(tǒng)的并行SETD方法。在深入分析節(jié)點間通信的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種將計算機各個節(jié)點間的通信量降到最低的通信方案。數(shù)值實驗表明該并行SETD方法同時降低了每個計算節(jié)點的內(nèi)存消耗量和總的仿真時間。為方便研究使用,基于并行的SETD方法還開發(fā)了一款電磁分析軟件,可以為有源、無源微波毫米波電路提供快速有效的時域電磁仿真。<