[发明专利]电大物体电磁辐射和散射的计算机核外并行计算方法

说明书

技术领域：

本发明涉及电磁学技术领域，特别是一种电大物体电磁辐射和散射的计 算机核外并行计算方法。

现有技术：

矩量法是数值计算积分方程的有效方法，特别适合散射和辐射问题的求 解。然而对于电大物体电磁辐射和散射的计算，由于计算未知量的增多，需 要处理大规模稠密矩阵，需要耗费大量计算机物理内存。由于物理内存价格 比较昂贵，且单机对内存支持的限制，使某些电大问题在单台计算机上无法 求解，所以采用低廉的硬盘代替内存存储数据是个不错的选择。

目前对电大物体电磁辐射和散射的计算，采用高、低频方法相结合的混 合方法，减少了求解问题的未知量，但一致性几何绕射理论，其精度较低。 利用多层快速多极子(MLFMA)加速迭代求解过程中的矩阵矢量相乘计算， MLFMA的运用，将计算量和存储量均降为O(N log N)(其中N未知量个数)，提 高了求解实际电大问题的能力。在工作站网络系统NOW(Network Of Workstation)上采用并行处理技术来解决电大尺寸复杂目标电磁散射问题。 为分析安装于诸如飞机、舰艇复杂目标上天线的电磁特性，设计了一种高效 的适用于共轭梯度方法求解的棋盘状并行矩阵填充方法。

以上计算方法，或者通过改进算法来减少计算未知量，但降低了计算精 度；或者通过并行计算来扩充内存，但都是基于物理内存的核内求解方法， 计算机物理内存仍然有限，仍然无法满足某些问题需要。

发明内容：

本发明提出了一种电大物体电磁辐射和散射的核外并行计算方法，在MPI 并行环境下，对矩阵方程进行核外分块并行求解，不但解决了内存不足的问 题，而且最大限度地利用了各计算节点的物理内存、快速地完成对问题的求 解。该方法在单台或多台计算机可快速计算电大尺寸目标的电磁辐射和散射 特性。

一种电大物体电磁辐射和散射的核外并行计算方法，基于电磁场数值方 法中的矩量法进行计算，包括以下基本步骤：

(1)根据物体表面上切向电场连续条件和理想导体边界条件，得到电场 积分方程；

(2)对物体表面采用三角形剖分，物体表面未知电流采用RWG基函数展 开；

(3)采用伽略金法，得到矩阵方程：ZI＝V，其中Z、I、V分别为阻抗 矩阵、电流矩阵和电压矩阵，采用硬盘存储器分块并行存储阻抗矩阵Z；

(4)采用核外分块并行高斯消元法求解矩阵方程ZI＝V，得到物体表面 电流；

(5)由物体表面电流，计算出物体的电磁辐射、散射方向图。

本发明进一步的技术方案是，步骤(3)中采用硬盘存储器分块并行存储 阻抗矩阵Z是指，存储阻抗矩阵Z的元素数据时，将矩阵按列进行分块，各块 数据按列分配给各进程，各进程数据分别写入一个文件；文件的空间分区成 同样大小的模块，模块自动按顺序编号，读写文件时，先赋值文件读写位置， 再进行读写；直接访问文件可以任意到文件的任何一个地方来读写。

本发明进一步的技术方案是，步骤(4)中采用核外分块并行高斯消元法 求解矩阵方程ZI＝V是指，在对矩阵方程进行ZI＝V求解前，先将整个阻抗矩 阵按列分块，然后将每一块按列循环方式分配给各进程，将阻抗矩阵第一块 元素并行读入内存存储到数组Z(j，k)中，然后各进程进行并行高斯消元，并将 各列所需的最大主元行数和乘积因子分别存储到数组Max_row(k)和 Each_k(j，k)中，第一块消元结束后将元素并行写入硬盘；然后再对下一分块 重复以上操作，直到最后一块处理完毕。

对于平台天线，物体表面未知电流采用RWG基函数展开，线上未知电流 采用脉冲基函数展开，线面连接区域未知电流采用Costa基函数展开。

本发明具有以下有益效果：

1、实现了利用硬盘代替内存的目的，解决了由于计算量大导致内存不足 的问题；

2、基于MPI并行环境，利用多个计算节点并行计算，加快了问题求解速 度，且具有较好的并行性。

3、采用按块集中并行读写，极大地的缩短了数据对硬盘操作的时间，从 而提高了计算效率。

4、采用按块集中并行读写，充分地利用了各计算节点的物理内存。

5、本发明方法计算结果与通常采用的核内并行计算方法计算结果完全吻 合，说明没有损失任何计算精度。