电磁场并行计算 - 中国高校教材图书网
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书名： |
电磁场并行计算
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| ISBN： | 7-5606-1597-X |
条码： | |
| 作者： |
张玉
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥22.00
折扣价：￥20.90
折扣：0.95
节省了1.1元
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字数： |
254千字
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| 出版社： |
西安电子科技大学出版社 |
页数： |
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| 发行编号： | 1889001 |
每包册数： |
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| 出版日期： |
2006-01-01 |
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| 内容简介： |
本书主要讨论电磁场数值分析方法的并行实现，依次介绍了一致性几何绕射理论、物理光学方法、矩量法、时域有限差分法和高低频混合方法等五种具有代表意义的算法及其并行计算方法。本书重视理论与实践的结合，不仅对每种并行电磁场计算算法提供了其在复杂电磁仿真工程中的应用实例，还在附录中给出了并行FDTD方法的源代码以及MPI并行环境设置、并行程序运行方法等内容，以便于读者理解和使用。
本书既可以作为电磁场专业研究生“电磁场数值分析”相关课程的教材或者参考书，也可供相关专业的科研人员参考。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
第一章 电磁场并行计算基础 1
1.1 硬件平台 2
1.1.1 依据指令与数据划分 2
1.1.2 依据存储方式划分 3
1.2 软件环境 5
1.3 并行算法 6
1.4 并行性能评测与影响因素 7
1.5 电磁场并行计算 8
1.6 小结 10
参考文献 10
第二章 UTD方法与并行计算 13
2.1 几何绕射理论简介 13
2.2 并行UTD方法与性能测试 14
2.2.1 并行UTD方法 14
2.2.2 性能测试与应用 17
2.3 小结 20
参考文献 21
第三章 PO方法与并行计算 22
3.1 雷达散射截面与物理光学方法 22
3.2 目标几何建模简介 24
3.3 基于平面三角形的PO方法 25
3.4 并行PO方法与性能测试 29
3.4.1 并行PO方法 29
3.4.2 性能测试与应用 32
3.5 小结 35
参考文献 35
第四章 RWG基矩量法与并行计算 37
4.1 电场积分方程 37
4.2 RWG基函数 37
4.3 矩量法解电场积分方程 39
4.3.1 矩阵方程 39
4.3.2 矩阵元素计算 41
4.3.3 积分运算次数 45
4.4 RWG基矩量法计算数据提取 46
4.5 列块矩阵填充与并行高斯消去法 47
4.5.1 列块矩阵填充 47
4.5.2 并行高斯消去法 49
4.5.3 性能测试与应用 52
4.6 棋盘块矩阵填充与并行CGN方法 55
4.6.1 矩阵、进程虚拟拓扑与CGN迭代算法 55
4.6.2 棋盘块矩阵填充 57
4.6.3 并行CGN算法 60
4.6.4 性能测试与应用 62
4.7 两种并行矩量法比较 63
4.8 小结 64
参考文献 64
第五章 线面连接模型与并行矩量法应用 65
5.1 线面连接结构 65
5.2 电场积分方程 66
5.3 基函数 66
5.3.1 导体基函数 67
5.3.2 导线基函数 67
5.3.3 连接域基函数 68
5.3.4 矢位和标位 71
5.4 检验过程与矩阵方程 72
5.4.1 检验过程 72
5.4.2 矩阵方程 76
5.5 并行矩量法 79
5.6 性能测试与应用 81
5.7 小结 84
参考文献 84
第六章 FDTD方法的基本原理 85
6.1 FDTD方法概况 85
6.2 差分方法 86
6.3 直角坐标系中的时域有限差分方法 88
6.3.1 麦克斯韦方程组 88
6.3.2 一维情形——Yee算法 89
6.3.3 三维情形——Yee算法 93
6.3.4 媒质参数处理 97
6.4 数值稳定性 99
6.4.1 时间离散间隔的稳定性要求 100
6.4.2 Courant稳定性条件 100
6.4.3 数值色散对空间离散间隔的要求 101
6.5 小结 103
参考文献 103
第七章 FDTD方法的几个关键问题 104
7.1 吸收边界条件 104
7.2 激励源 107
7.2.1 激励源的时频域信号形式 107
7.2.2 FDTD方法中激励源的实现 109
7.3 S参数提取 113
7.4 近远场变换 114
7.4.1 惠更斯原理 114
7.4.2 远场计算 116
7.5 小结 118
参考文献 118
第八章 FDTD方法与并行计算 120
8.1 并行FDTD方法 120
8.2 性能测试与应用 126
8.2.1 并行FDTD的仿真实例 126
8.2.2 并行FDTD的性能分析 130
8.2.3 并行FDTD的工程应用 133
8.3 小结 134
参考文献 134
第九章 高低频混合方法与并行计算 136
9.1 高低频混合方法简介 136
9.2 MoM-UTD混合方法与并行计算 137
9.3 迭代MoM-PO混合方法与并行计算 138
9.3.1 电流定义与求场公式 138
9.3.2 迭代MoM-PO混合方法 139
9.3.3 并行迭代MoM-PO方法 141
9.4 性能测试与应用 142
9.5 小结 145
参考文献 146
附录A 简单PC Cluster的组建与应用 148
A.1 PC Cluster的一般架构 148
A.2 PC Cluster的组建与应用实例 149
A.2.1 硬件平台 149
A.2.2 软件安装与设置 150
A.2.3 MPI并行程序的运行方法 151
参考文献 154
附录B 并行FDTD程序实例 155
参考文献 167
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| 精彩片段： |
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| 书 评： |
本书是在梁昌洪教授的直接支持与指导下完成的。
半个世纪以来，随着计算机技术与计算数学的发展，计算电磁学迅速地成为电磁领域中不可缺少的重要研究方向之一。根据我们多年来从事计算电磁学的实践，即便是在计算机技术日新月异的今天，由于受到计算资源的限制，现实中不断涌现出的诸多大规模电磁仿真问题，依然难于在普通PC机上得到高效解决。显然，采用并行计算技术，将计算任务分解进行——电磁场并行计算，是一种有效扩大仿真规模，提高仿真效率的途径。
随着计算机群集技术的发展，并行计算已从曲高和寡的局面转变为越来越广泛地普及到各个领域中，硬件支持也从原先只有国家和大公司才能负担得起的超级计算机发展到现在一个小实验室就可以组建的“个人超级计算机”——PC集群系统或者工作站集群系统。实际上，集群系统可以由那些晚上或周末“空闲”的PC机或者工作站组成，由PC机构成这样的系统无需任何额外的投资。根据这种想法，可以实现利用网络连接的任意数目的异构计算机来联合求解一个问题。正是这一技术的出现，为我们运用并行计算技术进行大规模电磁仿真提供了较低成本的硬件基础，使得电磁场并行计算具有推广、普及的可能性。
计算电磁学体系庞大，电磁场数值算法种类繁多，显然应该结合不同数值算法的自身特点进行并行算法设计，以提高并行程序的性能。并行计算是一个强大的工具，电磁研究人员却往往缺乏并行算法设计方面的指导，因此迫切需要一本可以使电磁专业人员理解与应用的电磁场并行计算方面的专业书籍，以推动并行电磁计算在我国的进一步发展。这也是本书问世的直接原因。
想在一本书里对所有算法的并行计算都介绍清楚是很困难的，实际上也是没有必要的。根据我们的经验，只要能理解电磁场数值分析中典型算法的并行实现，就可以实现几乎全部电磁场数值算法的并行计算。鉴于此，本书并没有对所有电磁场数值分析方法进行逐一的讨论，而是选取了一致性几何绕射理论(UTD)、物理光学法（PO）、矩量法（MoM）、时域有限差分法（FDTD）和高低频混合方法这五种算法进行并行计算研究。从算法的适用范围来看，既有适合电大目标的高频方法（UTD、PO），也有适合一般电尺寸问题的低频方法（MoM）；从算法数学基础来看，既有基于积分方程的矩量法，也有基于差分方程的时域有限差分法；从时频域来看，既涵盖了频域方法（UTD/PO/MoM），也涉及了时域方法（FDTD）；除了这些之外，本书还考虑了两种数值算法结合而成的混合方法。
在介绍每一种算法时，本书力求保持其完整性，但由于本书重点是电磁计算并行算法设计，不太适合将所有算法的全部理论都在此详加讨论，因此仅对近十年来发展比较迅速的算法进行了基础性介绍，对于较为成熟的UTD方法以及矩量法，则不深入讨论其数学理论基础。
在讨论各种算法的并行实现时，本书遵循由简单到复杂、由低级到高级的原则展开讨论，给出了示范性的关键程序伪代码，引导读者循序渐进地掌握电磁场并行计算算法设计。除了选择典型算法以外，为了便于读者理解并行计算的概念，本书也对电磁场并行计算的典型硬件平台、软件环境作了介绍，并具体给出了PC集群系统组建实例与并行FDTD计算源程序。考虑到这些因素后，全书在内容层次上可分为六个部分。
第一部分即第一章，介绍了并行计算的基本知识，并对国内外近年来的部分电磁场并行计算研究成果进行了简单回顾。第二、三章构成第二部分，讨论计算电磁学中的高频UTD方法与PO方法。在这两种高频算法中，由于其方法本身的特点，使得按照计算角域进行计算任务分解可以获得较为理想的并行性能，但在并行实现时需要考虑遮挡判断的计算量，以获得负载均衡。第三部分包括第四、五章，主要讨论矩量法的并行计算问题。所谓并行矩量法，就是运用并行技术填充矩量法的矩阵和求解相应的矩阵方程。在传统的串行机上，Linpack是有效求解线性方程组的软件包，然而在并行机上求解此问题，就需要设计出合适的并行算法，算法的优劣会对计算效率产生很大的影响。不同的求解矩量法矩阵方程的方法对应不同的矩阵并行填充方式，这一部分将针对并行高斯消去法和并行共轭梯度法两种矩阵方程求解方法，分别讨论矩阵的列块划分以及矩阵的棋盘状划分方式，并详细讨论针对典型基函数的高效矩阵填充方法。第六、七、八章为第四部分，这部分以FDTD为主要研究内容。FDTD方法的MPI并行计算中，不同的通信方式会导致计算效率的极大不同。为了利用MPI并行环境中进程虚拟拓扑可能给并行FDTD方法带来的效益，在第六章概括介绍FDTD的基本概念、第七章讨论其几个关键问题的基础上，第八章深入地研究了三种不同通信方式的并行FDTD算法，实测结果表明选择恰当的MPI虚拟拓扑方式(维数与方向)，可以有效地节约计算时间。第九章即第五部分，重点讨论了高低频混合方法的并行计算。在具体的工程问题中，如果将若干电磁场数值算法混合使用，形成混合方法，做到“人”尽其才，扬长避短，发挥出各自的优势，那么对于任何一个单一算法难以解决的问题都可能很容易地找到高效的解决途径。混合方法的并行计算，在原理上是与被混合各算法的并行计算相似或相同的，本部分对MoM与PO混合方法的并行计算进行了详细讨论。第六部分为两个附录。附录A介绍了PC集群系统的组建与MPI环境的设置，附录B给出了一维FDTD在一维通信方式下的MPI并行程序源代码，相信对于初学者是一个很好的具体向导。
本书的形成是与作者的科研工作密不可分的。多年来的研究工作得到了瑞典Andersson U 博士的热情指导以及西安电子科技大学史小卫教授、谢拥军教授的大力支持。本书在编写过程中也得到了课题组许多研究生的热情帮助： 王楠、王萌参与了第二、三章的校正，赵勋旺、党晓杰参与了第四、五、九章的校正，丁伟参与了第六、七、八章的校正，刘越东与作者一起整理了附录内容与示范程序，在此作者对他们一并表示感谢！
本书在出版过程中得到了西安电子科技大学出版社的大力支持，作者非常感谢出版社的陈宇光、夏大平等同志为本书所做的大量工作。
限于作者学识水平，书中难免有不当或疏漏之处，敬请专家、学者和读者对本书提出宝贵意见！
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