【摘要】：時(shí)域有限差分法(FDTD,Finite Difference Time Domain)是一種常用的電磁計(jì)算數(shù)值方法,它將目標(biāo)空間劃分成數(shù)量非常多的網(wǎng)格塊,利用蛙跳式算法對(duì)空間內(nèi)的電磁場(chǎng)進(jìn)行交替迭代計(jì)算。FDTD計(jì)算方法的特殊性使得它擁有直觀易懂、可并行性高、應(yīng)用性廣泛等特點(diǎn),因此它被應(yīng)用到計(jì)算電磁學(xué)的各個(gè)工程領(lǐng)域中,隨著計(jì)算機(jī)硬件尤其是圖形處理器(GPU,Graphics Processing Unit)、中央處理器(CPU,Central Processing Unit)的高速發(fā)展,FDTD方法也擁有越來越廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際問題中,電磁傳播環(huán)境往往十分復(fù)雜,電磁計(jì)算參數(shù)隨著空間位置的不同而產(chǎn)生變化,這將直接影響到電磁仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)類似于海上空變環(huán)境電磁場(chǎng)FDTD加速計(jì)算和可視化問題,本文開展了以下研究工作:1、為解決空變環(huán)境下電磁傳播研究問題,以海上大氣為例,結(jié)合麥克斯韋旋度方程與ITU提出的一種空變折射率模型,提出并推導(dǎo)得到空變環(huán)境FDTD電磁計(jì)算模型;2、分析空變環(huán)境FDTD電磁計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)特點(diǎn),基于計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA,Compute Unified Device Architecture),采用索引表的方式建立了FDTD計(jì)算網(wǎng)格與CUDA線程結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)了一種電磁并行計(jì)算結(jié)構(gòu),并對(duì)計(jì)算內(nèi)存進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了空變環(huán)境電磁數(shù)據(jù)加速并行計(jì)算;3、通過分析所需渲染圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合開放圖形庫(OpenGL,Open Graphics Library)提出了一種具有雙VBO(Vertex Buffer Object,頂點(diǎn)緩沖對(duì)象)的并行計(jì)算方法和可視化輸出流程,編程實(shí)現(xiàn)了空變環(huán)境下基于CUDA的電磁場(chǎng)FDTD加速計(jì)算和可視化。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)構(gòu)和可視化方法,完成FDTD的數(shù)值計(jì)算和可視化輸出,計(jì)算結(jié)果表明,提出的方法在計(jì)算網(wǎng)格達(dá)到256×256×256大小時(shí),其計(jì)算結(jié)果誤差在3.6×10~(-5)以內(nèi),保證了空變環(huán)境電磁計(jì)算精度;并行計(jì)算速度達(dá)到了403.51 Mcells/s,計(jì)算加速比達(dá)到了35.36,具有理想的加速計(jì)算效果;可視化圖形幀率穩(wěn)定在24幀以上,顯示效果穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：貴州師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O441.4;O241.3
【圖文】：

圖 5.1-1 不同方式及不同計(jì)算規(guī)模的計(jì)算結(jié)果曲線如圖 5.1-1（a）所示，計(jì)算網(wǎng)格為 32×32×32 時(shí)，迭代在 70 個(gè)時(shí)間步左右開始出現(xiàn)計(jì)算偏差，三種計(jì)算結(jié)果的一致性極差；在圖 5.1-1（b）中，計(jì)算網(wǎng)格為 64×64×64，迭代過程在 150 個(gè)時(shí)間步附近開始出現(xiàn)計(jì)算偏差，計(jì)算結(jié)果一致性相較于圖 5.1-1（a）有所改善；在圖 5.1-1（c）中，計(jì)算網(wǎng)格達(dá)到 128×128×128，計(jì)算偏差在迭代的 270 個(gè)時(shí)間步左右處出現(xiàn)，三種方式計(jì)算結(jié)果的一致性明顯改善；當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格達(dá)到如圖 5.1-1（d）所示的 256×256×256 規(guī)模時(shí)，計(jì)算結(jié)果已趨于一致。因此，在計(jì)算規(guī)模較小的情況下，三種方式計(jì)算結(jié)果的一致性較差，而隨著計(jì)算規(guī)模的逐漸增大，三種方式的計(jì)算偏差也逐漸縮小，當(dāng)計(jì)算規(guī)模達(dá)到256×256×256 時(shí)，三種計(jì)算方式得到了一致的結(jié)果，經(jīng)過計(jì)算分析，三種方式得到的結(jié)果誤差在 3.6×10-5以內(nèi)，表明了算法的準(zhǔn)確性。因此，本方法適用于對(duì)包括海上環(huán)境在內(nèi)的空變環(huán)境電大尺寸目標(biāo)的電磁模擬。

若需要展示其他不同截面的電場(chǎng)、磁場(chǎng)的可視化渲染圖，也可以通過修改一些程序的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)�？梢暬敵鼋Y(jié)果表明，本系統(tǒng)計(jì)算及可視化輸出延時(shí)低，可視化渲染幀率保持在 24 幀以上，擁有平穩(wěn)的顯示效果。

-2圖形縮放效果

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本文編號(hào)：2798056