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电磁计算快速精确算法及其应用

作者:914
发布时间
2011/08/04/ 17:22
来源
北京市科学技术委员会
点击:

摘要项目简介: 电磁计算是精细、深刻把握电磁规律的强有力工具之一,也是发展各种新型尖端信息技术的基础之一。快速精确算法的设计、实现、应用是电磁计算的核心和关键。本项目以

项目简介:

        电磁计算是精细、深刻把握电磁规律的强有力工具之一,也是发展各种新型尖端信息技术的基础之一。快速精确算法的设计、实现、应用是电磁计算的核心和关键。本项目以攻克电磁计算中的一系列迫切需要解决的挑战性难题为目标,在国家自然科学基金、国家973项目等支持下,通过对电磁数学离散形式数值性能的系统研究,获得了一些重要发现,提出并实现了若干高效算法。
        本项目的主要成果是:发现了影响电磁数学离散形式计算精度和效率的主要原因,据此建立了设计快速精确电磁数学离散形式的一般矩阵结构形式理论。在此理论的指导下,发现了均匀介质电磁场积分方程的快速精确离散形式,发现了混合有限元-边界元的快速精确数学离散形式,提出并实现了合元极算法。将设计理论和高效算法具体应用于超电大复杂目标散射和电大深腔目标散射等国际公认的难题,经国家国防科工局鉴定,技术指标居国际领先。
        本项目建立的设计电磁快速精确算法的理论框架已成为设计电磁快速精确算法的重要依据之一。在电磁计算快速精确算法方面的若干基本发现、提出并实现的一系列快速算法、在若干困难问题上取得的计算能力的突破,对电磁电磁场与微波技术学科都有持续、重要的影响。
        本项目建立的电磁快速精确算法设计理论以及发现的均匀介质电磁场积分方程的快速精确离散形式和混合有限元-边界元的快速精确数学离散形式,被国际著名学者IEEE Fellow, A.F.Peteson, Robert A. Shore和 Arthur D. Yaghjian等详细引用,成为他们发表在IEEE Trans.on Antenna and Propag.上工作的重要依据和出发点;本项目在电特大目标取得的技术能力的突破,被国际著名学者W.C.CHEW讲座教授在AMPC2008大会特邀报告上引用,称之为“a great progress in parallel MLFMA”。 

 

项目创新点:

       本项目以攻克电磁计算中的一系列迫切需要解决的挑战性难题为目标,在国家自然科学基金、国家973项目等支持下,通过对电磁数学离散形式数值性能的系统研究,获得了一些重要发现,提出并实现了若干高效算法。
        1、电磁问题数学离散形式数值性能的系统研究
        在探索快速精确电磁计算算法设计规律研究中,通过大量数值试验观察到:多种数学意义上等价的电磁方程离散形式,计算性能却绝异。据此提出了一个计算电磁学领域的研究问题:电磁问题数学离散形式数值性能的系统研究。在本项工作之前,此问题的重要性很少有人关注,更没有人对此作深入系统研究。本项目通过系统的研究,发现了影响均匀介质电磁场积分方程离散形式数值计算效率的主要原因。具体说来,发现“试函数和基函数匹配与否”是影响电磁问题离散数学形式数值性能好坏的关键因素,并给出了判定试函数和基函数匹配与否的一般矩阵结构形式辨别方法。在此基础上,提出了高效稳定的均匀介质电磁积分方程离散形式。研究成果发表在本领域国际高影响因子杂志,代表论著见所附[1]-[3]。研究成果被本领域国际高影响因子杂志、国际权威的广泛详细引用。研究中采用的思路和方法成为后来学者研究电磁问题数学离散形式数值性能的主要思路和方法之一。
        2、合元极算法
        通过对三维混合有限元-边界元方法的深入研究,发现了影响复杂媒质混合有限元-边界元数学离散形式数值计算效率的主要原因。据此提出了一种高效稳定的混合有限元-边界元数学离散形式。此离散形式结合多层快速多极子方法,提出并实现了合元极算法(FE-BI-MLFMA),大大提升了电磁计算能力。实践表明,极具实现难度的合元极算法,兼有通用、精确、高效的优点,已成为计算电磁学领域的核心技术之一。研究成果发表在本领域国际高影响因子杂志,被高影响因子杂志、国际权威学者广泛详细引用,具体可见所附引用情况。
        3、色散、时变媒质和Q值确定等问题的时域有限差分计算
        在上世纪九十年代初,如何处理色散媒质、时变媒质、Q值确定等问题是时域有限差分法研究中热点、也是难以解决的问题。我们率先提出并实现了一系列时域有限差分处理方法,很好地解决了这些问题。成果发表在本领域高影响因子杂志,并被广泛引用。据此撰写的著作《时域有限差分法》,已成为国内计算电磁学领域经典著作之一,被广泛引用。
        4、电特大复杂目标电磁散射的计算
        电特大目标散射是在研究目标特性工程中提炼出的一个典型科学问题。电特大目标散射以往只能通过高频近似方法计算,但是计算精度无法保证,尤其是对复杂目标,计算精度往往较差。本项目通过对多层快速多极子算法特点的研究,通过对分布式内存计算机并行结构的剖析,发现了影响并行多层快速多极子效率的主要原因。据此提出了一种更为高效的混合型并行多层快速多极子算法,成功计算了未知数个数超过10亿,电尺寸超过3000个波长的电特大复杂目标的计算,经国防科工局鉴定技术指标居国际领先水平。
        5、电大深腔目标电磁散射的计算
        电大深腔目标电磁散射是在研制隐形飞机工程中提炼出的一个极具难度的科学问题。飞机进气道就是一个电大深腔目标。飞机进气道对雷达散射截面影响显著,但计算极其困难。美国先后已投资过亿美元,研究如何高效精确计算飞机进气道的雷达散射截面,迄今仍未根本解决。本项目在探索求解这一难题中,通过对电大深腔目标几何结构以及有限元方法特点的深入研究,发现了电大深腔几何结构特点的有限元有效利用方法,从而提出了一种更为高效的电大深腔目标散射计算的高阶合元极快速算法,成功计算了一系列高难度的电大深腔目标散射。

 

项目承担单位简介:

        北京理工大学信息与电子学院电磁仿真中心,目前有正式编制教师11位,其中教授2位(1位长江学者),副教授7位,讲师3位。有研究生50余名,其中博士生20名左右。
        中心负责完成过国家自然科学基金、国防预研、973、863等支持的各类电磁仿真项目。成功开发了具有自主知识产权的中算电磁仿真软件,出版专著4本,取得部级以上奖励7项,年均在国内外学术期刊上发表论文30篇以上。
        在教育部长江奖励计划和985、211支持下,构建了刘徽”系列高性能并行计算平台:刘徽I(有32个结点,每个结点是3.0GHz英特尔至强TM处理器、4G内存,由Myrinet交换机,KVM键盘切换器联结组成的IBM刀片式Linux计算机集群);刘徽II( 一个10结点,每个结点是2 CPU×6核 Intel X5650(2.66GHz),一台管理结点和一台存储结点,内存总量DDR3  656GB ,理论浮点计算峰值为1.26T flops,计算网络为 40Gb/s InfiniBand ,硬盘存储量5.8TB SAS 高性能计算机集群)。购置了多台内存为32Gb的高性能服务器和一批服务于高性能电磁仿真研究的软件:HFSS、CST、Cadence、Totalview等。 

 

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项目  电磁  计算  快速  精确  算法  其应  
责任编辑:宋蕊
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