基于gpu并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以往的基于CPU的單線程MC模擬計算需要大量的計算機，自2006年英偉達公司 (NVIDIA)提出異構(gòu)（CUDA)并行計算架構(gòu)，使利用圖形顯卡（GPU)并行計算的編程語言得到 了極大的簡化，與此同時顯卡的性能也在不斷的提高，使MC方法求解輻射傳遞方程的模擬 時間得到極大的降低，這為使用MC方法結(jié)合優(yōu)化算法（如粒子群優(yōu)化算法PSO,遺傳算法 GA)進行反演打下了基礎。
[0003] -般來講對于懸浮粒子溶液測量其輻射特性參數(shù)的方法有以下兩種：
[0004] 直接測量的方法和通過散射信號結(jié)合反問題模型間接的獲得懸浮溶液輻射特性 的方法；
[0005] 直接測量的方法要求懸浮溶液具有散射特性，還要考慮裝載溶液的容器對散射信 號的影響，導致懸浮溶液輻射特性參數(shù)測量結(jié)果準確率低。
[0006] 通過散射信號結(jié)合反問題模型間接的獲得懸浮溶液輻射特性的方法耗費大量的 計算機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中懸浮溶液輻射特性參數(shù)測量結(jié)果準確率低，以及耗費 大量的計算機的問題，而提出了基于GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法。
[0008] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0009] 步驟一、準備待測懸浮溶液，將待測懸浮溶液裝在石英玻璃做的樣品容器中，實驗 測量過程中將待測懸浮溶液混合均勻；
[0010] 步驟二、測量裝有待測懸浮溶液的樣品容器的BSDF :
[0011] 將激光光源沿著與樣品容器表面垂直的方向入射到樣品容器左側(cè)面，使用布置于 樣品容器外部的可旋轉(zhuǎn)探測器測量樣品容器左側(cè)面到右側(cè)面范圍內(nèi)不同散射方向的散射 信號，樣品容器左側(cè)面到右側(cè)面范圍為〇度~180度，即獲得不同散射方向的一組BSDF實 驗測量數(shù)據(jù)BSDF exp;
[0012] BSDF為雙向散射分布函數(shù)，其定義如下；
[0013]
【主權(quán)項】
1. 基于GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法，其特征在于：基于GPU并 行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法具體是按照以下步驟進行的： 步驟一、準備待測懸浮溶液，將待測懸浮溶液裝在石英玻璃做的樣品容器中； 步驟二、測量裝有待測懸浮溶液的樣品容器的BSDF : 將激光光源沿著與樣品容器表面垂直的方向入射到樣品容器左側(cè)面，使用布置于樣品 容器外部的可旋轉(zhuǎn)探測器測量樣品容器左側(cè)面到右側(cè)面范圍內(nèi)不同散射方向的散射信號， 樣品容器左側(cè)面到右側(cè)面范圍為O度~180度，即獲得不同散射方向的一組BSDF實驗測量 數(shù)據(jù) BSDFexp; BSDF為雙向散射分布函數(shù)，其定義如下；
式中，Qi為入射天頂角，仍:為入射方位角，0s為散射天頂角，只為散射方位角，sr為 立體角的單位，Li是單位立體角的入射輻射強度，dLs表示散射輻射強度，d表示微分算符， Wi表示入射立體角； 步驟三、基于GPU加速算法結(jié)合優(yōu)化算法進行樣品容器懸浮溶液的輻射特性參數(shù)的反 演，其中，所述懸浮溶液的輻射特性參數(shù)為消光系數(shù)β、散射系數(shù)〇s和不對稱因子g; 1) 設定懸浮溶液的輻射特性參數(shù)的初值，包括消光系數(shù)β的初值β '、散射系數(shù)〇s 的初值。^和不對稱因子g的初值^，然后使用基于GPU的MC算法對裝有懸浮液的樣 品容器內(nèi)的輻射傳遞過程進行求解，得到樣品容器光散射不同方向上的一組BSDF模擬數(shù) 據(jù) BSDFsim; 其中，所述和〇s'為隨機選取數(shù)值； g'為在[-1，1]范圍內(nèi)隨機選取數(shù)值； MC為正問題輻射傳遞方程的求解算法； GTO為圖形處理器； 2) 使用優(yōu)化算法對消光系數(shù)β的初值β '、散射系數(shù)〇s的初值σ s'和不對稱因子 g的初值f后的值消光系數(shù)β、散射系數(shù)〇s和不對稱因子g進行優(yōu)化，使目標函數(shù)F(X) 的值不斷減??； 當目標函數(shù)F(X)的值小于設定的精度值或達到設定的迭代步數(shù)時，則停止優(yōu)化，把反 演得到的消光系數(shù)β、散射系數(shù)σ s和不對稱因子g的值作為樣品容器的輻射特性參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法，其 特征在于，所述步驟三中假定懸浮溶液的輻射特性參數(shù)的初值，包括消光系數(shù)β、散射系數(shù) σ s和不對稱因子g的初值，然后使用基于GPU的MC算法對裝有懸浮液的樣品容器內(nèi)的輻 射傳遞過程進行求解，得到樣品容器光散射不同方向上的一組BSDF模擬數(shù)據(jù)BSDF sim;具體 過程為： 樣品容器內(nèi)的輻射傳遞過程利用輻射傳輸方程進行求解： s · V/(r, s) + βΙ{τ, s) = - f /(r，s)(I)(s' 4 s)diV (I) 4 尤：Ω'=4χ
式中，I (r，S)為輻射強度，r為輻射場位置矢量，S為方向矢量，β '為消光系數(shù)β的 初值，Φ (s' - s)為散射相函數(shù)，Ω '為立體角，σ Z為散射系數(shù)σ 3的初值，Φ為散射 相函數(shù)，Θ為散射角，V為哈密頓算符，g'為不對稱因子g的初值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法，其特 征在于，所述步驟三中目標函數(shù)F(X)為： 結(jié)合以下公式：
式中，τ為光學厚度，ω為反照率，g為不對稱因子，g取值范圍為[-1，1]，Nd為使用 的散射角度數(shù)量。
【專利摘要】基于GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)反演的方法，本發(fā)明涉及GPU并行加速的懸浮溶液輻射特性參數(shù)的方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中懸浮溶液輻射特性參數(shù)測量結(jié)果準確率低，以及耗費大量的計算機的問題。具體是按照以下步驟進行的：步驟一、準備待測懸浮溶液，將待測懸浮溶液裝在石英玻璃做的樣品容器中；步驟二、測量裝有懸浮溶液的樣品容器的BSDF，獲得不同散射方向的一組BSDF實驗測量數(shù)據(jù)BSDFexp；步驟三、基于GPU加速算法結(jié)合優(yōu)化算法進行樣品容器懸浮液的輻射特性參數(shù)的反演，懸浮溶液的輻射特性參數(shù)為消光系數(shù)β、散射系數(shù)σs和不對稱因子g。本發(fā)明應用于懸浮溶液光學特性測量技術(shù)領域。
【IPC分類】G01N21-51
【公開號】CN104634761
【申請?zhí)枴緾N201510069532
【發(fā)明人】趙軍明, 馬春陽, 裘俊, 劉林華
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月10日