[發明專利]一種基于GPU并行的探地雷達電磁波數值模擬計算方法

有效

• 申請號: 202010182487.5
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111324972B
• 公開（公告）日: 2023-02-24
• 發明（設計）人: 方宏遠;雷建偉;薛冰寒;李銀萍;胡浩幫;張超
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10
• 代理公司: 鄭州銀河專利代理有限公司 41158
• 代理人: 陳玄

本發明提供了一種基于GPU并行的探地雷達電磁波數值模擬計算方法，將電場和磁場在相同的空間網格節點和相同的時間步長上離散，通過GPU將并行計算技術和曲面共形技術應用到含有CPML吸收邊界的辛計算方法中，形成了基于GPU并行加速的含有CPML吸收邊界的共形辛計算方法，在提高數值模擬精度的同時，極大地提高了探地雷達電磁波數值模擬計算效率，大大節約了模擬計算的時間，能精確高效的解釋實測的探地雷達數據，有助探地雷達在無損檢測中應用。

技術領域

本發明涉及地球物理領域的探地雷達電磁波數值模擬技術領域，尤其涉及一種基于GPU并行的探地雷達電磁波數值模擬計算方法。

背景技術

探地雷達是利用電磁波的穿透能力來確定地下結構中物質分布的一種無損檢測方法。利用探地雷達正演模擬技術，對地下目標的電磁響應進行數值模擬和分析，得到地下目標在地表的反射波形，了解地下結構中電磁波的傳播規律。同時，可以加深對探地雷達實測剖面的認識，從而提高探地雷達探測數據的處理和解釋精度。此外，正演模擬仍然是基于探地雷達測量信號確定地下目標結構參數反演的基礎。準確高效的正演模擬對提高反演精度和速度具有重要意義。

目前，探地雷達正演模擬方法主要有有限元法、射線追蹤法、偽譜時域法、快速多極子法、時域有限差分法、交替方向隱式時域有限差分法、辛歐拉法等。盡管這些方法能夠精確地模擬探地雷達電磁波在地下結構中的傳播，但這些計算方法在效率和精度上都存在一些不足。例如，有限元法適用于求解復雜邊界條件問題或復雜介質定解問題，但其計算程序復雜，求解時間長，容易產生偽解現象。時域有限差分法(FDTD)是目前應用最為廣泛的時域電磁場數值模擬技術，具有實現簡單、應用范圍廣、適于并行計算等優點。然而，該方法的計算效率受到Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)穩定性條件的限制，對于大尺寸或精細結構目標的計算效率不高。對于二維問題，辛歐拉計算方法只能用兩個方程來描述電磁場。辛計算方法的計算效率和計算機占用率均優于FDTD方法，但仍然是一種差分計算方法，因而受到CFL穩定性條件的限制。因此，開發一種精確高效的探地雷達正演模擬計算方法迫切需要的，這對于探地雷達理論研究，探測方式的研究具有重要意義。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明開發了一種基于GPU并行的探地雷達電磁波數值模擬計算方法。

一種基于GPU并行的探地雷達電磁波數值模擬計算方法，具體步驟如下：

步驟1、將待求解的地下結構模型區域劃分為大小相同的網格，電場和磁場定義在網格正中心；在計算機的CPU上分配存儲空間，用于儲存二維平面地下結構離散區域的長度和寬度、離散區域的網格步長和時間步長、磁場的磁導率、電場的電導率、介電常數參數，并對所述參數初始化；同時在GPU上也分配存儲空間用于存儲：二維平面地下結構離散區域的長度和寬度、離散區域的網格步長和時間步長、磁場的磁導率、電場的電導率、介電常數參數，并對這些參數初始化；其中在CPU上定義地下結構模型區域的離散劃分的各網格磁場和電場的結構體數組，用于在GPU上存儲通過磁場和電場公式(1)并行計算得到的各時間步各網格的磁場值和電場值，所述的時間步，就是把整體的時間分為n段，每一段就是一個時間步，在第一個時間步內，計算各網格的磁場和電場，然后保存數據，在第二個時間步內再全部計算各網格的磁場和電場，在計算第二個時間步時需要第一個時間步的磁場和電場的值，依次一直計算到第n個時間步；這些并行計算得到的場值通過傳輸函數cudaMemcpy傳輸到CPU上定義的各磁場和電場的結構體數組，其中所述磁場和電場的初始值都為0；

步驟2、利用下面公式計算地下結構模型區域離散各網格的磁場和電場的值，二維辛計算方法的磁場A和電場U的計算公式如式(1)所示：