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用MPI实现粗糙表面散射的FDTD网络并行计算

曾浩  郭立新  李娟  
【摘要】:随机粗糙表面光散射理论在现代军事、遥感、辐射定标以及光学无损检测等领域有着广泛的应用。在研究粗糙表面散射问题中,时域有限差分方法(FiniteDifference Time Domain Method,FDTD)有其独特的优越性,然而,传统的FDTD算法在处理电大尺寸问题时很大程度上受到了计算机容量以及计算能力的限制。本文利用基于消息传递平台(Message Passing Interface,MPI)的网络并行FDTD算法研究了一维高斯随机粗糙表面的光散射问题。首先介绍了用Monte Carlo(MC)方法模拟生成随机粗糙表面轮廓,以及FDTD方法的各种基本原理:UPML吸收边界条件、连接边界条件(TF/SF)设置和近一远场外推方法;接着阐述了PC集群(Cluster ofWorkstation,COW)以及MPI的基本知识,进而介绍了网络并行FDTD方法的各种基本技术:区域分解、数据交换以及同步技术;然后,借助由12台PC机组成的计算机集群对本文所描述的网络并行FDTD算法的可靠性进行了测试,通过一些求解高斯粗糙表面散射特性的数值算例验证了网络并行FDTD算法的可行性,研究了该并行算法的并行加速比以及并行效率,并利用此算法计算了掠入射下高斯粗糙表面散射特性,讨论了粗糙表面均方根高度、相关长度、介电常数以及电导率对散射特性的影响,所得出的结论均与以往相关文献上一致;最后,给出了相应的结论以及我们下一步的研究重点。结果表明,与传统串行FDTD算法相比,网络并行FDTD算法在解决随机粗糙表面光散射问题(尤其是掠入射问题)时表现出很大的优越性,上述网络并行FDTD算法可以推广到三维情况下实际随机粗糙表面散射特性的研究(尤其是掠入射以及粗糙表面与复杂目标的复合散射),可以很大程度上突破传统串行FDTD算法在计算时间以及受单机存储容量的限制。

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