Kompleks ve elektriksel olarak büyük hedeflerin radar kesit alanı hesabı için kullanılan seken ışın yöntemi ve fiziksel kırınım kuramı çözücülerinin CPU ve GPU donanımlarında paralelleştirerek hızlandırılması
Acceleration of shooting and bouncing rays method and physical theory of diffraction solvers used for radar cross section calculation of complex and electrical large targets on CPU and GPU hardware through parallelization
Yazar: ÖZKAN KIRIK
Danışman: PROF. DR. CANER ÖZDEMİR
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik saçılma = Electromagnetic scattering ; Radar = Radar ; Radar görüntüleri = Radar images ; Radar kesit alanı = Radar cross section ; Radar sistemleri = Radar systems

Özet:
Bilgisayar destekli tasarım (BDT) modellerinin radar kesit alanlarının (RKA) elde edilmesi için farklı yöntemler ve farklı varsayımlar mevcuttur. Yüksek frekans RKA hesaplaması yapan çözümlerin çoğu metot olarak Geometrik Optik tekniğine dayanan Ling ve arkadaşları tarafından geliştirilen Seken Işın Yöntemi'ni (SIY) kullanmaktadır. 3 Boyutlu BDT modellerinden saçılan elektromanyetik alanların hesaplanması, kullanılan BDT modelinin yüzey sayısı, ihtiyaç duyulan bant genişliği ve açı aralığına göre sonuçları hesaplaması günlerce zaman almaktadır. Bu süre, çözünürlük kalitesinin artması beklentileriyle birlikte oldukça uzamaktadır. Elektromanyetik alanın gerçeğe maksimum derecede yaklaşması için hesaplamalar esnasında kayan nokta hesaplamalarında da yüksek hassasiyet gerekmektedir. Bu bağlamda SIY'nin hızlandırılabilmesi hedefiyle paralelleştirme yöntemleri ve Graphics Processing Unit (GPU) implementasyonu yöntemleri araştırılmış ve uygulanmıştır.
Bu tez çalışması kapsamında birinci aşamada tek CPU ile çalışabilen SIY kullanan RKA hesaplama yazılımı kodlanmıştır. Referans hedefler üzerine yapılan karşılaştırmaların tutarlılığından emin olduktan sonra ikinci aşama olarak kodun paralelleştirilmesi yoluna gidilmiştir. İşçi iş parçacığı (worker thread) yapısı ile paralelleştirilen kod, önemli performans kazanımları sağlamıştır. SIY'nin üzerine Fiziksel Kırınım Teorisi (FKT) kodlanarak, simülasyon sonuçları ölçüm sonuçlarına neredeyse eşit noktaya ulaşmıştır. FKT ile özellikle keskin kenarlı geometriye sahip yapılarda, çok daha doğru hesaplama sonuçları elde edilmiştir. FKT kodlanması sürecinde, BDT modelinin kamalarının tespit edilmesi ihtiyacı doğmuş bu doğrultuda çok iş parçacıklı (multi threaded) kama tespit metodu geliştirilmiştir. Daha sonra FKT kodu da paralelleştirilmiştir. SIY hesaplama performansının daha da arttırılabilmesi için GPU teknolojilerinden faydalanma yoluna gidilmiştir. GPU kodlaması aşamasında NVIDIA CUDA kullanılmış olup hem çift duyarlıklı kayan nokta hem de tek duyarlıklı kayan nokta kullanan 2 ayrı SIY kodu geliştirilmiştir. Yeniden kodlanan CUDA tabanlı SIY kodları ile dramatik performans artışı elde edilmiştir. CPU üzerinde çalışabilen kod ile GPU kodu çıktıları arasında kabul edilebilir seviyede sayısal parazit oluşmakta ve sonuçlarda herhangi bir hesaplama hatası bulunmamaktadır.

Abstract:
There are different methods and assumptions available for obtaining the radar cross-section (RCS) of Computer Aided Design (CAD) models. Most of the solutions that calculate the high-frequency RCS rely on the Geometric Optics (GO) technique and utilize the "Shooting and Bouncing Ray" (SBR) method. Calculating the scattered electromagnetic field from 3D CAD models can take days depending on the surface count of the CAD model, the required bandwidth, and the angle range. This duration is getting considerably longer with expectations of improved resolution quality. High precision is also required for floating-point calculations during the calculations to achieve maximum proximity to the electromagnetic field. Parallelization methods and Graphics Processing Unit (GPU) implementation methods have been investigated and applied to accelerate the SBR method.
Within the scope of this thesis, a RCS calculation software was coded in the first stage using the SBR method, which can run on a single CPU. After ensuring the consistency of comparisons made on benchmark targets, the code was parallelized in the second stage. The code, parallelized with the worker thread structure, provided significant performance gains. By coding the Physical Theory of Diffraction (PTD) on the SBR, simulation results reached a point nearly equivalent to measurement results. Especially in structures with wedges, more accurate results were obtained using the PTD. During the PTD coding process, the need arose to identify the edges of the CAD model, and a multi-threaded edge detection method was developed. Later, the PTD code was also parallelized. To further increase the SBR calculation performance, the GPU technology was utilized. For the GPU implementation, NVIDIA CUDA was used, and two separate SBR codes, one using single-precision floating-point arithmetic and the other using double-precision floating-point arithmetic, were developed. The newly coded GPU CUDA-based SBR codes achieved dramatic performance improvements. There was a numerically acceptable level of numerical noise between the CPU-based code and GPU code outputs, and there were no calculation errors in the results.