基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法技术

本发明专利技术提出一种基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分(FDTD)电磁场仿真的方法，应用于电磁场仿真分析领域，利用OpenCL简化FDTD方法对电磁场仿真的设计与实现。首先设置FDTD仿真参数并动态申请内存空间，构建三维的电磁模型并进行网格剖分，然后初始化OpenCL的计算参数，对三维电磁模型基于OpenCL进行FDTD加速仿真，最后用OpenCL标准库函数释放显存中存储的数据，释放CPU内存资源。本发明专利技术方法显著提升了FDTD电磁场仿真速度，与利用CPU计算相比速度提升可达5-10倍，且具有UPML吸收边界条件，可以模拟电磁波在自由空间的传播，使得FDTD电磁场仿真具有更广泛的实际应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁场仿真分析领域，具体涉及一种基于OpenCUOpen Computing Language，开放计算语言)的GPU (Graphic Processing Unit，图形处理器)加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法。
技术介绍
FDTD (Finite-Difference Time-Domain，时域有限差分)是电磁场仿真计算领域的一种常用方法。FDTD方法是把麦克斯韦(Maxwell)方程组在时间和空间上进行差分离散，通过蛙跳式(Leap frog algorithm)迭代，使空间内的电场和磁场进行交替计算；通过时间上更新来模仿电磁场随时间的变化，实现数值计算目的。用FDTD方法分析电磁学问题时，要事先构建研究对象的空间几何参数、材料参数模型，并可对计算精度，计算复杂度，计算稳定性进行控制。其优点是能够直接模拟空间电磁场随时间的变化和分布情况，计算精度高，是目前应用较多的电磁学数值模拟方法之一。FDTD电磁场仿真分析方法已被成功应用在电磁兼容分析、天线设计、射频器件设计、微纳光学等研究领域。然而由于FDTD为时域全波电磁学算法，因此面临仿真时间过长的关键性制约本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于ＯｐｅｎＣＬ的ＧＰＵ加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤１：设置ＦＤＴＤ仿真参数，为所述仿真参数动态申请内存空间；步骤２：构建三维的电磁模型，对该电磁模型进行网格剖分；步骤３：初始化ＯｐｅｎＣＬ的计算参数，包括：获得ＦＤＴＤ仿真空间的大小、设置仿真所用处理器类型、创建上下文、获得工作组的维数及大小信息、创建指令序列及数据缓存区、装载ＦＤＴＤ加速程序文件、声明磁场仿真计算的内核函数以及电场仿真计算的内核函数；步骤４：基于ＯｐｅｎＣＬ对三维电磁模型进行ＦＤＴＤ加速仿真；步骤５：释放显存中存储的数据；步骤６：仿真完成后，释放ＣＰＵ内存资源；其中，...

【技术特征摘要】
1.一种基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤步骤1 设置FDTD仿真参数，为所述仿真参数动态申请内存空间； 步骤2 构建三维的电磁模型，对该电磁模型进行网格剖分；步骤3 初始化OpenCL的计算参数，包括获得FDTD仿真空间的大小、设置仿真所用处理器类型、创建上下文、获得工作组的维数及大小信息、创建指令序列及数据缓存区、装载 FDTD加速程序文件、声明磁场仿真计算的内核函数以及电场仿真计算的内核函数； 步骤4 基于OpenCL对三维电磁模型进行FDTD加速仿真； 步骤5 释放显存中存储的数据； 步骤6 仿真完成后，释放CPU内存资源；其中，OpenCL表示开放计算语言，GPU表示图形处理器，FDTD表示时域有限差分。2.根据权利要求1所述的基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，步骤1具体包括步骤1-1 设置电磁场仿真参数，包括如下步骤 步骤1-1-1 设置空间步长Δ α A3.根据权利要求1所述的基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括以下两步步骤2-1 简单的电磁模型的构建及网格剖分直接对该电磁模型建立三维几何模型， 并进行网格剖分；步骤2-2 复杂的电磁模型的构建及网格自动剖分利用建模软件Auto CAD构建三维几何模型，或读入已经建立的三维几何模型，不同电磁材料部件用图层来区分，然后利用二次开发工具Object ARX开发自动剖分程序输出有效网格位置及其对应电磁材料参数，生成几何-电磁参数描述文件，然后调用该描述文件，将剖分网格和电磁参数读入计算内存。4.根据权利要求1所述的基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，所述的步骤3具体为步骤3-1 确定基于GPU的FDTD仿真空间的大小NxXNyXNz/4 ； 步骤3-2 设置仿真所用处理器类型从OpenCL标准库中选取参数CL_DEVICE_TYPE_ GPU进行设置；所述的CL_DEVICE_TYPE_GPU表示仿真所用处理器为GPU ；步骤3-3 利用OpenCL标准库函数clCreateContextFromType ()创建上下文，并利用 OpenCL标准库函数clGetContex nfo()获得上下文信息；步骤3-4 利用OpenCL标准库函数clGetDevicelnfo ()获得OpenCL的工作组的维数及大小信息；步骤3-5 利用OpenCL标准库函数clCreateCommandQueue ()创建指令序列，并创建三维电磁场数据变量以及由UPML引入的三维临时电磁参量的数据缓冲区；步骤 3-6 利用 OpenCL 标准库函数 clCreateProgramffithSource ()装载基于 OpenCL 的 FDTD加速程序文件，并利用OpenCL标准库函数cIBuiIdProgramO将加速程序文件转化为 GPU内核可执行的程序文件；步骤3-7 创建声明基于OpenCL的磁场仿真计算的内核函数； 步骤3-8 创建声明基于OpenCL的电场仿真计算的内核函数。5.根据权利要求1或2所述的基于OpenCL的GPU加速三维时域有限差分电磁场仿真的方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括以下步骤步骤4-1 设置时间迭代步数n，则总的迭代时...

【专利技术属性】
技术研发人员：代健，褚天舒，
申请(专利权)人：中国航天标准化研究所，
类型：发明
国别省市：11