基于图形硬件的快速电磁计算方法与系统.pdf

目标电磁散射特性分析，特别是雷达散射截面估算，是计算电磁学的重要研究内容之一。电磁散射特性分析可应用于天线的辐射和散射分析等民用领域，还广泛应用于目标的隐身和反隐身设计等国防领域，具有重要的理论研究意义和实用价值。
　　 本文主要研究频域数值计算方法，可分为高频近似方法和低频数值方法。当前广泛应用的高频近似方法为图形电磁计算方法和弹跳射线法。然而，图形电磁计算方法存在计算未能达到实时和可见棱边判断不够准确等问题，弹跳射线法存在射线追踪耗时和射线管分裂等问题，这些问题削弱了高频近似方法在快速估算上的优势。矩量法是最为常用的低频数值方法之一，离散麦克斯韦积分方程为复系数稠密阻抗矩阵求解，但由于受到计算机存储量和运算速度的限制，矩量法局限于求解电小尺寸目标的散射问题。
　　 针对上述问题，本文分析比较了频域数值计算方法和图形学绘制算法的相似性，借鉴图形学绘制算法的思想，并把图形硬件作为计算平台，对上述方法进行了相应的改进。对于图形电磁计算方法，本文提出了在图形硬件上统一处理目标可见性判断和电磁散射计算框架，能够正确地判断可见棱边，并且真正实现了实时一阶高频电磁散射计算。
　　 本文提出的基于统一计算设备架构(CUDA)的弹跳射线法，采用无堆栈的kd树遍历算法，用来加速射线追踪过程，同时也在CUDA上实现了并行射线管积分，显著提高了弹跳射线法的计算效率。
　　 本文还提出了基于光束跟踪的弹跳射线法，该方法变换了射线管划分和射线管追踪的顺序，在射线管追踪过程中，根据目标几何结构动态划分射线管，从而避免了射线管分裂问题，提高了弹跳射线法的计算精度。光束跟踪也可以用于目标可见棱边的正确判断，并利用截断-增量长度绕射系数计算棱边绕射场，弹跳射线法和截断-增量长度绕射系数相结合可解决大部分高频电磁散射计算问题。对目标表面的涂覆材料，本文给出了分层结构表面涂层的等效反射系数计算公式，扩展了高频近似方法的应用范围。
　　 对于低频数值方法，本文研究了基于CUDA的矩量法，利用图形硬件强大的数值计算能力，提高矩量法的计算效率，通过阻抗矩阵分块和out-of-core等内存管理技术，扩大矩量法在单机上的计算规模。
　　 最后，本文介绍了集成上述频域数值计算方法的电磁散射估算系统emX的开发工作，该系统具有几何处理、电磁散射计算、目标成像、数据后处理及可视化等功能。
　　 本文的研究工作有机地结合了频域数值计算方法、图形学绘制算法思想和图形硬件计算平台，为解决电大尺寸复杂目标的电磁散射特性分析问题提供了有效的途径，大量的算例结果也证实了计算机图形学与计算电磁学的结合提高了电磁散射计算的精度、效率和计算规模。