迭代物理光学的快速计算及应用

迭代物理光学法以物理光学近似为初始条件，引入高阶反射、绕射量，迭代求解磁场积分方程，精度高于高频近似方法，速度快于数值方法，可应用于复杂电大目标的散射、辐射特性计算。但现有算法存在诸如：当频率改变或近、远场切换时需要重新剖分模型；阴影判断规则未考虑面片之间遮挡；迭代算法收敛效率不高等问题。本项目拟采用图形硬件和混合集群等加速技术，开展迭代物理光学快速计算方法的研究，使该方法适用于复杂电大平台环境的电磁仿真计算。主要研究：自适应网格剖分技术；基于kd 树加速的可见面预计算及快速迭代算法；基于GPU的网格动态剖分、kd 树构建与光线跟踪技术；GPU和CPU混合集群的并行电磁计算机制。通过近场修正、互易定理和混合方法，将迭代物理光学应用于电大尺寸平台的天线分析，实现集成迭代物理光学快速计算方法的电磁仿真原型系统。

迭代物理光学法以物理光学近似为初始条件，引入高阶反射、绕射量，迭代求解磁场积分方程，精度高于高频近似方法，速度快于数值方法，可应用于复杂电大目标的散射、辐射特性计算。但现有算法存在诸如：当频率改变或近、远场切换时需要重新剖分模型；阴影判断规则未考虑面片之间遮挡；迭代算法收敛效率不高等问题。本项目采用图形硬件和混合集群等加速技术，开展迭代物理光学快速计算方法的研究，使该方法适用于复杂电大平台环境的电磁仿真计算。. 本项目主要研究了自适应网格剖分技术、基于 kd 树加速的可见面预计算及快速迭代算法、kd 树构建与光线跟踪技术、GPU 和 CPU 混合集群的并行电磁计算机制，通过近场修正、互易定理和混合方法，将迭代物理光学应用于电大尺寸平台的天线分析。在网格剖分方面，提出了改进的基于德劳内三角剖分（Delaunay Triangulation）的网格生成算法，并用IPO算法作为研究算法。所提出的方法生成的网格不但减少了总的面片数目而且改善了三角网格的质量，结果最终验证了我们所提出的算法的效率和精度。在场景树构建方面，提出了一种基于kd-tree算法来加速射线跟踪的技术，并将该方法应用于快速预估复杂室内场景的信号覆盖，所提出的方法在计算效率上远优于传统射线跟踪方法，而且在计算精度上，与实测数据、商业软件计算结果具有较好吻合度。在异构计算环境方面，提出了CPU和GPU异构计算负载平衡技术，分别研究了静态负载均衡和动态负载均衡策略。静态方法使CPU的每一个部分所占总比例同GPU每一个部分所占总比例相同，而动态方法是基于每一个角度的分块策略由前一角度不同块的动态执行时间比所决定，计算结果表明静态方法和动态方法均提升了计算效率。. 在此基础上，项目还进一步开展了矩量法（MoM）、多层快速多极子（MLFMA）与物理光学（PO），迭代物理光学（IPO）的混合算法研究。多层快速多极子被用来分析精细结构的天线部分，物理光学被用于分析大尺寸的平滑目标如飞机平台等。同时引入额外的八叉树结构来加速求解过程，以达到高效分析电大尺寸目标体的散射辐射问题。将MLFMA与IPO算法的混合，降低了问题的整体复杂度，提升了算法整体的计算效率。项目进行了相关的数值算例验证了该方法的高效性，最后实现了集成迭代物理光学快速计算方法和MoM、MLFMA等多种方法的电磁仿真原型系统。