混響室電磁環(huán)境的GPU并行重建算法及應(yīng)用研究.pdf

1、經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，混響室已經(jīng)成為一種被廣泛接受的電磁兼容測(cè)試設(shè)備。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍，特別是GPU異構(gòu)加速計(jì)算的進(jìn)步，使得計(jì)算電磁學(xué)得到了快速地發(fā)展，人們可以借助數(shù)值仿真方法處理一些復(fù)雜的電磁問題，混響室內(nèi)的電磁環(huán)境分析便是突出的例證，從而極大地推進(jìn)了對(duì)混響室內(nèi)電磁環(huán)境的深入了解及對(duì)由該環(huán)境所產(chǎn)生效應(yīng)的研究，并將混響室的應(yīng)用拓展到了更為廣泛的領(lǐng)域。
　　本文針對(duì)混響室內(nèi)電磁環(huán)境的數(shù)值仿真的若干相關(guān)問題展開了研究:在D.

2、A.Hill提出的平面波積分理論的基礎(chǔ)上，本文建立了一套GPU加速的對(duì)混響室內(nèi)電磁環(huán)境進(jìn)行FDTD仿真的方法，參照混響室理論和通行的工程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體的仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)和參數(shù)討論，在評(píng)估其合理性后將這一數(shù)值方法拓展到了混響室內(nèi)的生物電磁劑量學(xué)領(lǐng)域。
　　本文研究?jī)?nèi)容的關(guān)鍵點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面:1）混響室內(nèi)電磁環(huán)境的重建理論及數(shù)值驗(yàn)證;2）基于GPU的混響室內(nèi)電磁環(huán)境的高效數(shù)值算法實(shí)現(xiàn);3）混響室內(nèi)電磁環(huán)境中的生物電磁劑量學(xué)。

3、
　　本文在這三個(gè)方面的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)為:
　　在混響室內(nèi)電磁環(huán)境的重建理論與數(shù)值驗(yàn)證方面:
　　1:對(duì)使用多重平面波疊加的混響室內(nèi)電磁環(huán)境FDTD仿真重建算法進(jìn)行了改進(jìn)和數(shù)值驗(yàn)證。推導(dǎo)并證明了入射方向參數(shù)（Θ，Φ）作為隨機(jī)變量應(yīng)滿足概率分布;給出了（Θ，Φ）樣本的生成方法;并對(duì)生成的樣本進(jìn)行了，檢驗(yàn)，結(jié)果表明生成的樣本符合理論分布。這三個(gè)步驟完善了算法中對(duì)入射方向選取的理論依據(jù)。這一工作是本文獨(dú)立原創(chuàng)提出與完成的。

4、
　　2:對(duì)數(shù)值重建的混晌室內(nèi)電磁環(huán)境，分別從仿真結(jié)果的相關(guān)性、場(chǎng)值分布律的假設(shè)檢驗(yàn)、場(chǎng)值均值的假設(shè)檢驗(yàn)和場(chǎng)值均勻性標(biāo)準(zhǔn)差驗(yàn)證4個(gè)方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)和參數(shù)討論，從而驗(yàn)證了混響室電磁環(huán)境數(shù)值重建的有效性。其中相關(guān)性檢驗(yàn)是本文首次提出的，彌補(bǔ)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中直接使用多次數(shù)值仿真而不與實(shí)際測(cè)量中相關(guān)概念進(jìn)行驗(yàn)證的缺憾。
　　在基于GPU的混響室內(nèi)電磁環(huán)境的高效數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)方面:
　　實(shí)現(xiàn)了基于CUDA的混響室內(nèi)電磁環(huán)境FDTD

5、仿真重建算法。分別對(duì)影響計(jì)算效率的CPML吸收邊界條件與TF/SF多重平面波加載部分，針對(duì)主流GPU硬件特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。
　　1:分別從GPU指令計(jì)算復(fù)雜度與訪存效率方面入手，通過重新安排遞歸卷積計(jì)算流程與合并CPML區(qū)域內(nèi)的計(jì)算步驟，消除了CPML計(jì)算中一半以上的算術(shù)指令，并將訪存需求降低到了CPML理論的最小值。本文優(yōu)化的GPU CPML算法在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中比現(xiàn)有文獻(xiàn)的GPU CPML算法減少了70％的計(jì)算用時(shí)，并且不損失計(jì)算

6、精度。
　　2:對(duì)于多重平面波加載算法中影響效率的TF/SF連接邊界，通過將多個(gè)入射波的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行重排，將TF/SF邊界上同一點(diǎn)的計(jì)算任務(wù)合并到同一GPU線程的工作中。這樣分別從GPU多線程計(jì)算任務(wù)安排和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化，高效地利用了存取速度最快的寄存器資源，將任意有限多個(gè)平面波入射時(shí)的存儲(chǔ)和訪存需求降低到與單一平面波入射時(shí)基本相同的水平，這是TF/SF方法下的最小值。同時(shí)在數(shù)值仿真計(jì)算中減少了64％的執(zhí)行時(shí)間。
　

7、　本文在實(shí)現(xiàn)基于CUDA的混響室內(nèi)電磁環(huán)境FDTD仿真重建算法中所進(jìn)行的各種針對(duì)性優(yōu)化是本文獨(dú)立的原創(chuàng)工作。
　　在混響室內(nèi)電磁環(huán)境下生物電磁劑量學(xué)應(yīng)用方面:
　　1:對(duì)混響室電磁環(huán)境下的坡印廷矢量進(jìn)行理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真，結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理表明混響室內(nèi)電磁場(chǎng)的坡印廷矢量是與空間位置無關(guān)的零均值隨機(jī)變量，因而不再適于作為生物電磁劑量學(xué)量。仿真結(jié)果還表明S與＜SAR＞具有單一對(duì)應(yīng)的量值關(guān)系，因而可以作為混響室電磁環(huán)境下的生物電磁劑