一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法技术

本发明专利技术公开了一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，包括：网格尺寸的计算，采用正方形面片将计算区域分为两部分，采用四面体网格剖分包围面内部区域以实现精确建模，使用六面体网格剖分包围面至计算区域边界的部分以节省计算资源；以均衡负载为原则，将参与计算的节点分成FDTD迭代和FVTD迭代两部分，计算每个节点上的网格量；根据网格上正常迭代需要用到的相邻网格物理量估算节点间的数据通信量，以数据通信量最少为设计目标，将网格分配到具体节点上实现最优并行方案；采用并行FDTD‑FVTD混合方法求解电磁问题，得出计算结果。本发明专利技术避免了阶梯化剖分以及网格量大的问题，有效利用计算机资源缩短了计算时间。

A Parallel Time Domain Hybrid Electromagnetic Method Based on Iterative Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法
本专利技术涉及电磁场数值计算
，尤其涉及一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法。
技术介绍
雷达系统对识别目标和远程预测报警需要通过目标的雷达散射截面(RCS)来提供数据支撑和准确判断，大尺寸复杂形状目标RCS计算问题可通过时域电磁仿真进行一次计算获得宽频带仿真结果，并行化则有利于计算规模的扩大及计算时间的缩短。单纯使用并行化时域有限差分法(FDTD)计算电磁问题时，整个计算区域为一个长方体，网格均匀剖分为六面体网格，按虚拟拓扑方式将网格平均划分到各进程，以平衡各进程负载，使得网格交界面处的网格量达到最少即为最优并行方案。而单纯使用并行化有限体积法(FVTD)方法时，计算区域的网格剖分为四面体网格，按邻接区域平均分配网格到各个进程，并优化交界面网格数使其最少即可保证最优的并行加速比。现有技术中，针对复杂电磁结构，单纯采用六面体网格剖分会将模型的边界阶梯化导致建模误差，单纯采用四面体网格剖分可实现精确建模但往往网格量巨大。采用混合网格建模计算则是一个有效手段，对于弯曲、细小或者倾斜结构采用四面体网格剖分，模型的其余部分采用六面体网格剖分，既能保证建模精度网格量又不至于过大。混合网格计算方法具有建模上的优势，但由于涉及到两种网格，两种计算方法，导致其并行化过程变得复杂。并行技术的使用会使得随着参与计算的进程数目不断增加计算时间迅速减少。而计算规模增大时，场值通信的交界面网格总量增加，从而取代通信机制效益成为影响并行效率的主要因素。而且，对于相同进程数目的情况下，并行方案不同时计算时间差别很大。因此，如何在有限的计算资源下获得最佳并行方案成为混合方法中需要解决的重要问题。
技术实现思路
针对模型阶梯化剖分、网格量巨大、并行过程复杂和存在两种网格的两种方法的计算问题，本专利技术的目的在于提供一种解决这些问题的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法。为了实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案：步骤1，根据目标的最高求解频率计算网格尺寸；步骤2，使用封闭的正方形面片包围面包围目标表面；步骤3，将计算区域分为两部分：采用四面体网格剖分包围面至目标表面的区域以实现精确建模，使用六面体网格剖分包围面至计算区域边界的部分以节省计算资源；步骤4，根据网格上所采用的迭代方法及所消耗的计算量，以均衡负载为原则，将参与计算的节点分为不同的迭代类别，计算每个节点上的网格量；步骤5，根据网格上正常迭代需要用到的相邻网格物理量估算节点间的数据通信量，以数据通信量最少为设计目标，将网格分配到具体节点上实现最优并行方案；步骤6，采用并行FDTD-FVTD混合方法迭代求解，得出计算结果。进一步地，所述的根据目标的最高求解频率计算网格尺寸，方法为：对于目标在[fmin，fmax]频率范围内雷达散射截面RCS，采用以下公式计算FDTD方法的网格尺寸Δ：Δ＝(c0/fmax)/10其中，C0＝3.0×108m/s为光速。进一步地，所述的使用封闭的正方形面片包围面包围目标表面，包括：根据网格尺寸的大小，对目标表面进行三角形网格剖分，循环三角形网格面片中心点坐标外推2-3个网格尺寸建立由边长为所述网格尺寸大小的正方形面片构成的包围面。进一步地，将参与计算的节点分为不同的迭代类别，包括：所有四面体网格仅进行FVTD迭代，与四面体网格相邻的六面体网格也仅进行FVTD迭代，与这些仅进行FVTD迭代的六面体网格有公共面的六面体网格称之为过渡区，这部分网格上既进行FDTD迭代又进行FVTD迭代，除此之外，过渡区外的六面体网格则仅进行FDTD迭代。进一步地，所述的计算每个节点上的网格量，包括：设仅进行FDTD方法迭代的六面体网格个数为N1，仅进行FVTD方法迭代的四面体网格个数为N2，仅进行FVTD方法迭代的六面体网格个数为N3，既进行FDTD迭代又进行FVTD迭代的六面体网格个数为N4，则：FDTD迭代区域所有网格上的计算量为C1＝7×6×N1；其余部分网格上的计算量C2＝97×6×N2+145×6×N3+(145+7)×6×N4。进一步地，步骤4还包括：将所有网格按照估算的计算量分配节点：为FDTD迭代区域分配D个节点，其计算公式为：D＝[C1×M/(C1+C2)]为FVTD迭代区域分配V个节点，其计算公式为：V＝[C2×M/(C1+C2)]D和V之间满足关系：D+V＝M，M为节点总数；将N1个参与FDTD迭代的六面体网格平均分布到第0-D-1号节点上；将(N2+N3+N4)个参加FVTD迭代的网格平均分布到第D—M-1号节点上。进一步地，所述的根据网格上正常迭代需要用到的相邻网格物理量估算节点间的数据通信量，包括：节点i(0≤i≤D-1)和其相邻节点j(0≤j≤D-1,且i≠j)上分布的网格均进行FDTD方法迭代，设两个节点公共边界上有相邻网格n1个，该部分网格的数据通信量为：2×n1×4；节点i(0≤i≤D-1)上分布的网格进行FDTD方法迭代，若其相邻节点j满足(D≤j≤M-1,且i≠j),即节点j上的网格进行FVTD方法迭代，设两个节点公共边界上有相邻网格有n2个，该部分网格的数据通信量为：2×n2×4；节点i(D≤i≤M-1)上分布的网格进行FVTD方法迭代，相邻节点j(D≤j≤M-1,且i≠j)上的网格也进行FVTD方法迭代，设两个节点公共边界上有相邻网格有n3个，该部分网格的数据通信量为：2×n3×26。进一步地，所述的以数据通信量最少为设计目标，将网格分配到具体节点上实现最优并行方案，包括：将0—D-1号节点进行三维虚拟拓扑建模，即设x方向分布a个节点，y方向分布b个节点，z方向分布c个节点，a,b,c均为整数，且由以下两个条件确定：a:b:c≈(Lxmax-Lxmin):(Lymax-Lymin):(Lzmax-Lzmin)a×b×c＝D节点的三维拓扑坐标为：(0,0,0)，(1,0,0)…(a-1,b-1,c-1)；将中心点坐标(x,y,z)满足条件：Lxmin+(o-1)Δ≤x≤Lxmin+oΔLymin+(p-1)Δ≤y≤Lymin+pΔLzmin+(q-1)Δ≤z≤Lzmin+qΔ的网格预分布到拓扑坐标为(o,p,q)的节点上；从第(0,0,0)拓扑节点开始，遍历每一个节点执行以下步骤：若节点上预分布的网格个数大于N1/D，则将该节点边界面上的网格全部分配到相邻节点上；若节点上预分布的网格个数小于N1/D，则将相邻节点边界面上的网格全部分配到该节点上；按照网格编号顺序由编号小的网格按照邻接关系向外围遍历的方式分布到节点D—M-1上；估算不同拓扑结构下节点间的数据通信量，选择数据通信量最小的分配方案为最终的并行方案。本专利技术与现有技术相比具有以下技术效果：1.本专利技术提出一种并行化的电磁场计算方法，避免了阶梯化剖分以及网格量大的问题，并行化方案最大化利用了计算机资源缩短了计算时间。2.本专利技术根据具体模型的网格分布特点及网格上所进行的迭代方法不同对计算区域进行划分，以进程负载平衡为设计准则，以减少进程间的数据通信量提高并行加速比为设计目标，为大规模复杂几何模型电磁问题的求解提供一种简单高效的并行化方案。附图说明图1为球形目标的正方形面片包围面示意图；图2为采用四面体网格剖分包围面至球形目标表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据目标的最高求解频率计算网格尺寸；步骤2，使用封闭的正方形面片包围面包围目标表面；步骤3，将计算区域分为两部分：采用四面体网格剖分包围面至目标表面的区域以实现精确建模，使用六面体网格剖分包围面至计算区域边界的部分以节省计算资源；步骤4，根据网格上所采用的迭代方法及所消耗的计算量，以均衡负载为原则，将参与计算的节点分为不同的迭代类别，计算每个节点上的网格量；步骤5，根据网格上正常迭代需要用到的相邻网格物理量估算节点间的数据通信量，以数据通信量最少为设计目标，将网格分配到具体节点上实现最优并行方案；步骤6，采用并行FDTD‑FVTD混合方法迭代求解，得出计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据目标的最高求解频率计算网格尺寸；步骤2，使用封闭的正方形面片包围面包围目标表面；步骤3，将计算区域分为两部分：采用四面体网格剖分包围面至目标表面的区域以实现精确建模，使用六面体网格剖分包围面至计算区域边界的部分以节省计算资源；步骤4，根据网格上所采用的迭代方法及所消耗的计算量，以均衡负载为原则，将参与计算的节点分为不同的迭代类别，计算每个节点上的网格量；步骤5，根据网格上正常迭代需要用到的相邻网格物理量估算节点间的数据通信量，以数据通信量最少为设计目标，将网格分配到具体节点上实现最优并行方案；步骤6，采用并行FDTD-FVTD混合方法迭代求解，得出计算结果。2.如权利要求1所述的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，所述的根据目标的最高求解频率计算网格尺寸，方法为：对于目标在[fmin，fmax]频率范围内雷达散射截面RCS，采用以下公式计算FDTD方法的网格尺寸Δ：Δ＝(c0/fmax)/10其中，C0＝3.0×108m/s为光速。3.如权利要求1所述的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，所述的使用封闭的正方形面片包围面包围目标表面，包括：根据网格尺寸的大小，对目标表面进行三角形网格剖分，循环三角形网格面片中心点坐标外推2-3个网格尺寸建立由边长为所述网格尺寸大小的正方形面片构成的包围面。4.如权利要求1所述的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，将参与计算的节点分为不同的迭代类别，包括：所有四面体网格仅进行FVTD迭代，与四面体网格相邻的六面体网格也仅进行FVTD迭代，与这些仅进行FVTD迭代的六面体网格有公共面的六面体网格称之为过渡区，这部分网格上既进行FDTD迭代又进行FVTD迭代，除此之外，过渡区外的六面体网格则仅进行FDTD迭代。5.如权利要求1所述的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，所述的计算每个节点上的网格量，包括：设仅进行FDTD方法迭代的六面体网格个数为N1，仅进行FVTD方法迭代的四面体网格个数为N2，仅进行FVTD方法迭代的六面体网格个数为N3，既进行FDTD迭代又进行FVTD迭代的六面体网格个数为N4，则：FDTD迭代区域所有网格上的计算量为C1＝7×6×N1；其余部分网格上的计算量C2＝97×6×N2+145×6×N3+(145+7)×6×N4。6.如权利要求1所述的基于迭代方法的并行化时域混合电磁算法，其特征在于，步骤4还包括：将所有网格按照估算的计算量分配节点：为FDTD迭代区域分配D...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋焕生，崔华，张朝阳，贺之莉，侯聪，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61