含时Schrödinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法——高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3, 4): symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散, 空间上采用四阶精度的同位差分格式离散, 建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时, 辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3, 4)法和FDTD(2, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明: SFDTD(3, 4)法较传统的FDTD(2, 2)法及高阶FDTD(2, 4)法有着更好的计算精度和收敛性, 且SFDTD(3, 4)法能够保持量子系统的能量守恒, 适用于长时间仿真.     

含时Schrdinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法—高阶辛时域有限差分法(SFDTD(3,4):symplectic finite-difference time-domain)求解含时薛定谔方程.在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性.通过理论上的分析及数值算例表明:当空间采用高阶同位差分格式时,辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD(3,4)法和FDTD(2,4)法较传统的FDTD(2,2)法数值色散性明显改善.对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明:SFDTD(3,4)法较传统的FDTD(2,2)法及高阶FDTD(2,4)法有着更好的计算精度和收敛性,且SFDTD(3,4)法能够保持量子系统的能量守恒,适用于长时间仿真.     

传输线方程的高精度龙格−库塔数值求解方法

提出了一种求解传输线方程的高精度龙格-库塔(RK)方法。此方法在空间上采取高阶泰勒展开,提高了对空间微分的近似精度,减少了数值色散所带来的误差。与传统的时域有限差分法(FDTD)方法相比,在每波长采样数相同时,RK方法的计算精度更高。同时,根据Taylor模型,对外界平面波激励源进行离散,成功利用RK方法对外部场激励传输线进行求解,扩大了龙格-库塔方法在求解传输线方程时的应用范围。通过编程对平面波辐照下无限大地平面上的单导体与双导体的算例分别应用FDTD方法与RK方法进行了计算,验证了RK方法的正确性。结果表明同等计算条件下RK方法的计算精度更高。     

含时Schroedinger方程的高阶辛FDTD算法研究

提出了一种新的算法一高阶辛时域有限差分法（SFDTD（3,4）：symplectic finite—difference time-domain）求解含时薛定谔方程．在时间上采用三阶辛积分格式离散,空间上采用四阶精度的同位差分格式离散,建立了求解含时薛定谔方程的高阶离散辛框架;探讨了高阶辛算法的稳定性及数值色散性．通过理论上的分析及数值算例表明：当空间采用高阶同位差分格式时,辛积分可提高算法的稳定度;SFDTD（3,4）法和FDTD（2,4）法较传统的FDTD（2,2）法数值色散性明显改善．对二维量子阱和谐振子的仿真结果表明：SFDTD（3,4）法较传统的FDTD（2,2）法及高阶FDTD（2,4）法有着更好的计算精度和收敛性,且SFDTD（3,4）法能够保持量子系统的能量守恒,适用于长时间仿真．     

高阶间断伽辽金时域有限元方法分析三维谐振腔

从一阶麦克斯韦旋度方程出发,研究一种区域分解时域有限元目的——高阶间断伽辽金时域有限元目的.其中对时间的离散采用Crank-Nicolson差分格式,电场和磁场采用相同阶数的高阶矢量基函数展开.分析三维谐振腔问题,数值结果表明,目的 中时间步长的选取可以摆脱CFL稳定性条件的限制;此外,与基于常用Whitney矢量基函数的目的 相比,采用高阶矢量基函数可以明显地提高计算精度及计算效率.     

插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件

应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.     

高阶辛算法的稳定性与数值色散性分析

利用Maxwell方程的哈密尔顿函数,导出对应的欧拉-哈密尔顿方程.利用辛积分技术与高阶交错差分技术,建立求解三维时域Maxwell方程的高阶辛算法;结合电磁场中的物理概念,借助矩阵分析和张量分析理论,获得高阶时域方法及高阶辛算法的稳定性和数值色散性的统一处理新方法.用数值结果证实方法的正确性,与FDTD算法和其它时域高阶方法相比,高阶辛算法具有较大的计算优势,为电磁计算提供了新的途径.     

周期对称结构R-FDTD方法及其减元优化

论述减缩时域有限差分方法(R-FDTD)中暂存场分量边值补充计算的必要性,提出周期对称结构R-FDTD方法,基于对称关系和周期边界条件(PBC),给出需要补充计算的暂存分量表达式.利用对称性,将计算空间缩减为原来的1/4,对称面外侧场分量由对称关系得到,1/4空间周期对称结构R-FDTD可更进一步将计算区域的内存使用量降为FDTD算法的1/6,且不影响计算精度.计算无限大钢筋网和钢筋混凝土墙壁的电磁脉冲响应,结果与FDTD的计算结果吻合.改进的算法在内存使用和计算时间上具有明显的优势.     

高阶辛算法在典型量子器件模拟中的应用

利用辛积分和高阶交错差分方法建立了求解含时薛定谔方程的高阶辛算法(SFDTD(4,4)).对空间部分的二阶导数采用四阶准确度的差分格式离散得到随时间演化的多维系统再引入四阶辛积分格式离散;探讨了SFDTD(4,4)法的稳定性,获得了含时薛定谔方程的一维以及多维的稳定性条件,并得到在含势能情况下该稳定性条件的具体表达式;借助复坐标沿伸概念,实现了SFDTD(4,4)法在量子器件模拟中的完全匹配层吸收边界条件.结合一维量子阱和金属场效应管传输的仿真,结果表明较传统的时域有限差分算法,SFDTD(4,4)有着更好的计算准确度,适用于长时间仿真.算法及相关结果可为实际量子器件的设计提供必要的参考.     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

有耗介质层上多导体传输线的电磁耦合时域分析方法

目前,针对空间电磁场作用有耗介质层上传输线的电磁耦合,仍缺乏有效的数值分析方法.因此,本文提出一种高效的时域混合算法,很好地解决了有耗介质层上传输线电磁耦合建模难的问题.首先,对经典传输线方程进行改进,推导了适用于有耗介质层上多导体传输线电磁耦合分析的修正传输线方程.然后,结合时域有限差分方法和相应插值技术,求解修正传输线方程,获得多导线及其端接负载上的电压和电流响应,并实现空间电磁场辐射与多导线瞬态响应的同步计算.最后,通过相应计算实例的数值模拟,与CST软件的仿真结果进行对比,验证了时域混合算法的正确性和高效性.     

High performance BLAS formulation of the multipole-to-local operator in the fast multipole method

The multipole-to-local (M2L) operator is the most time-consuming part of the far field computation in the fast multipole method for Laplace equation. Its natural expression, though commonly used, does not respect a sharp error bound: we here first prove the correctness of a second expression. We then propose a matrix formulation implemented with basic linear algebra subprograms (BLAS) routines in order to speed up its computation for these two expressions. We also introduce special data storages in memory to gain greater computational efficiency. This BLAS scheme is finally compared, for uniform distributions, to other M2L improvements such as block FFT, FFT with polynomial scaling, rotations and plane wave expansions. When considering runtime, extra memory storage, numerical stability and common precisions for Laplace equation, the BLAS version appears as the best one.     

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.     

一种计算分层半空间上方导线瞬态响应的新方法

提出了一种将时域积分方程(time domain integral equation, TDIE)方法和时域有限差分(finite differnce time domain, FDTD)方法相结合计算分层有耗半空间上方导线瞬态电磁响应的新方法.其中,一维FDTD方法用于计算入射电磁波经分层半空间反射的时域波形.TDIE用于求解细导线在加入两个激励源(直接入射电磁波和经分层半空间反射的电磁波)时的瞬态响应.相关计算理论和数值模拟结果说明了本文方法是一种解决了分层有耗介质上方水平放置导线瞬态响应的高效解决方案. 关键词： 时域积分方程 时域有限差分 细导线 分层半空间     

The spectral order of accuracy: A new unified tool in the design methodology of excitation-adaptive wave equation FDTD schemes

We define a new concept, termed the spectral order of accuracy (SOoA), which is the spectral domain analogue of the familiar order of accuracy (OoA). The SOoA is pivotal in a refined version of a recently-introduced methodology for formulating excitation-adaptive wave equation FDTD (WE-FDTD) schemes, described below. This concept is the basis for a unified classification for both existing and new schemes. Both one- and two-dimensional cases are presented for boundless, source free, homogeneous, isotropic and lossless media. The 1-D and 2-D cases are developed in detail for the (3, 2M + 1) (temporal, spatial) and (3, 3) 2-D stencils, respectively. Stability analysis is built into the methodology in terms of either analytical conditions or “stability maps” defined herein. The methodology is seen as a generalization of many existing schemes that also provides a unified tool for a systematical design of WE-FDTD schemes subject to specific requirements in terms of the spectral content of the excitation. The computational efficiency for all schemes remains the same for a given stencil, since the core of the FDTD code is unchanged between schemes, the difference being only in the values of scheme coefficients.     

Electric and magnetic losses modeled by a stable hybrid with explicit–implicit time-stepping for Maxwell’s equations

A stable hybridization of the finite-element method (FEM) and the finite-difference time-domain (FDTD) scheme for Maxwell’s equations with electric and magnetic losses is presented for two-dimensional problems. The hybrid method combines the flexibility of the FEM with the efficiency of the FDTD scheme and it is based directly on Ampère’s and Faraday’s law. The electric and magnetic losses can be treated implicitly by the FEM on an unstructured mesh, which allows for local mesh refinement in order to resolve rapid variations in the material parameters and/or the electromagnetic field. It is also feasible to handle larger homogeneous regions with losses by the explicit FDTD scheme connected to an implicitly time-stepped and lossy FEM region. The hybrid method shows second-order convergence for smooth scatterers. The bistatic radar cross section (RCS) for a circular metal cylinder with a lossy coating converges to the analytical solution and an accuracy of 2% is achieved for about 20 points per wavelength. The monostatic RCS for an airfoil that features sharp corners yields a lower order of convergence and it is found to agree well with what can be expected for singular fields at the sharp corners. A careful convergence study with resolutions from 20 to 140 points per wavelength provides accurate extrapolated results for this non-trivial test case, which makes it possible to use as a reference problem for scattering codes that model both electric and magnetic losses.     

Efficient parallel resolution of the simplified transport equations in mixed-dual formulation

A reactivity computation consists of computing the highest eigenvalue of a generalized eigenvalue problem, for which an inverse power algorithm is commonly used. Very fine modelizations are difficult to treat for our sequential solver, based on the simplified transport equations, in terms of memory consumption and computational time.A first implementation of a Lagrangian based domain decomposition method brings to a poor parallel efficiency because of an increase in the power iterations [1]. In order to obtain a high parallel efficiency, we improve the parallelization scheme by changing the location of the loop over the subdomains in the overall algorithm and by benefiting from the characteristics of the Raviart–Thomas finite element. The new parallel algorithm still allows us to locally adapt the numerical scheme (mesh, finite element order). However, it can be significantly optimized for the matching grid case. The good behavior of the new parallelization scheme is demonstrated for the matching grid case on several hundreds of nodes for computations based on a pin-by-pin discretization.     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.