基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法技术

技术编号:11485402 阅读:145 留言:0更新日期:2015-05-21 02:13
基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法,本发明专利技术涉及GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数的方法。本发明专利技术为了解决现有技术中悬浮溶液辐射特性参数测量结果准确率低,以及耗费大量的计算机的问题。具体是按照以下步骤进行的:步骤一、准备待测悬浮溶液,将待测悬浮溶液装在石英玻璃做的样品容器中;步骤二、测量装有悬浮溶液的样品容器的BSDF,获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;步骤三、基于GPU加速算法结合优化算法进行样品容器悬浮液的辐射特性参数的反演,悬浮溶液的辐射特性参数为消光系数β、散射系数σs和不对称因子g。本发明专利技术应用于悬浮溶液光学特性测量技术领域。

【技术实现步骤摘要】
基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法
本专利技术涉及GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数的方法。
技术介绍
以往的基于CPU的单线程MC模拟计算需要大量的计算机,自2006年英伟达公司(NVIDIA)提出异构(CUDA)并行计算架构,使利用图形显卡(GPU)并行计算的编程语言得到了极大的简化,与此同时显卡的性能也在不断的提高,使MC方法求解辐射传递方程的模拟时间得到极大的降低,这为使用MC方法结合优化算法(如粒子群优化算法PSO,遗传算法GA)进行反演打下了基础。一般来讲对于悬浮粒子溶液测量其辐射特性参数的方法有以下两种:直接测量的方法和通过散射信号结合反问题模型间接的获得悬浮溶液辐射特性的方法;直接测量的方法要求悬浮溶液具有散射特性,还要考虑装载溶液的容器对散射信号的影响,导致悬浮溶液辐射特性参数测量结果准确率低。通过散射信号结合反问题模型间接的获得悬浮溶液辐射特性的方法耗费大量的计算机。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中悬浮溶液辐射特性参数测量结果准确率低,以及耗费大量的计算机的问题,而提出了基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的:步骤一、准备待测悬浮溶液,将待测悬浮溶液装在石英玻璃做的样品容器中,实验测量过程中将待测悬浮溶液混合均匀;步骤二、测量装有待测悬浮溶液的样品容器的BSDF:将激光光源沿着与样品容器表面垂直的方向入射到样品容器左侧面,使用布置于样品容器外部的可旋转探测器测量样品容器左侧面到右侧面范围内不同散射方向的散射信号,样品容器左侧面到右侧面范围为0度~180度,即获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;BSDF为双向散射分布函数,其定义如下;式中,θi为入射天顶角,为入射方位角,θs为散射天顶角,为散射方位角,sr为立体角的单位,Li是单位立体角的入射辐射强度,dLs表示散射辐射强度,d表示微分算符,ωx表示入射立体角;步骤三、基于GPU加速算法结合优化算法进行样品容器悬浮溶液的辐射特性参数的反演,其中,所述悬浮溶液的辐射特性参数为消光系数β、散射系数σs和不对称因子g;1)设定悬浮溶液的辐射特性参数的初值,包括消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′,然后使用基于GPU的MC算法对装有悬浮液的样品容器内的辐射传递过程进行求解,得到样品容器光散射不同方向上的一组BSDF模拟数据BSDFsim;其中,所述β′和σs′为随机选取数值;g′为在[-1,1]范围内随机选取数值;MC为正问题辐射传递方程的求解算法;GPU为图形处理器;2)使用优化算法对消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′后的值消光系数β、散射系数σs和不对称因子g进行优化,使目标函数F(x)的值不断减小;当目标函数F(x)的值小于设定的精度值或达到设定的迭代步数时,则停止优化,把反演得到的消光系数β、散射系数σs和不对称因子g的值作为样品容器的辐射特性参数。专利技术效果采用本专利技术的基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法,(1)本专利技术通过建立悬浮溶液样品容器散射信号测量的反问题求解模型,实验测量获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;使用基于GPU的MC方法可以对辐射强度场进行三维求解,得到样品容器光散射不同方向上的一组BSDF模拟数据BSDFsim;求解辐射传递方程结合优化算法,对消光系数β的初值、散射系数σs的初值和不对称因子g的初值后的值进行优化,使目标函数F(x)的值不断减小;当目标函数F(x)的值小于设定的精度值或达到设定的迭代步数时,则停止优化,把反演得到的消光系数β、散射系数σs和不对称因子g的值作为样品容器的辐射特性参数,完成基于GPU的悬浮溶液的辐射特性测量求解,该方法可以实现装载悬浮溶液的样品容器对悬浮溶液的散射信号无影响,解决了悬浮溶液辐射特性参数测量结果准确率低的问题,使悬浮溶液辐射特性参数测量结果准确率提高了22%。(2)本专利技术结合GPU的强大的并行计算能力,使用激光光源照射样品容器得到样品容器的散射信号,基于散射信号结合反问题求解算法间接获得样品容器的辐射特性参数,采用粒子群优化算法优化悬浮溶液的辐射特性参数的初值后的辐射特性参数,该算法求解优化问题时具有受初值影响小和灵敏度高的优点,不需要耗费大量的计算机,一台计算机就可以完成基于GPU并行计算的悬浮溶液的辐射特性反演方法。本专利技术中提出的基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法在时间上与CPU计算相比实现了2个数量级以上的加速比,本专利技术提出的GPU相比于现有CPU在光学厚度取0.1、反照率取0.1以及不对称因子取0.9的条件下,可以实现163.5倍的加速比。附图说明图1为本专利技术流程图;图2为具体实施方式一所述悬浮溶液样品池左侧受到激光照射时的散射信号测量示意图;图中位于中央部分的三层模型为悬浮溶液样品池,外围的一周为探测器,A为激光光源,B为悬浮溶液,C为玻璃,D为探测器;x为坐标轴X轴,y为坐标轴y轴,z为坐标轴z轴,o为坐标轴o轴;图3为BSDF数据对比图,横坐标为散射角,单位为度,纵坐标为双向散射分布函数,单位为sr-1;图4为目标函数收敛图,横坐标为迭代步,纵坐标为目标函数;图5为光学厚度收敛图,横坐标为迭代步,纵坐标为光学厚度;图6为反照率收敛图,横坐标为迭代步,纵坐标为反照率;图7为不对称因子收敛图,横坐标为迭代步,纵坐标为不对称因子。具体实施方式具体实施方式一:结合图1说明本实施方式,基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法具体是按照以下步骤进行的:步骤一、准备待测悬浮溶液,将待测悬浮溶液装在石英玻璃做的样品容器中,实验测量过程中将待测悬浮溶液混合均匀;步骤二、测量装有待测悬浮溶液的样品容器的BSDF,将激光光源沿着与样品容器表面垂直的方向入射到样品容器左侧面,使用布置于样品容器外部的可旋转探测器测量样品容器左侧面到右侧面范围内不同散射方向的散射信号,样品容器左侧面到右侧面范围为0度~180度,即获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;如图2;BSDF为双向散射分布函数,其定义如下;式中,θi为入射天顶角,为入射方位角,θs为散射天顶角,为散射方位角,sr为立体角的单位,Li是单位立体角的入射辐射强度,dLs表示散射辐射强度,d表示微分算符,ωi表示入射立体角;步骤三、基于GPU加速算法结合优化算法进行样品容器悬浮溶液的辐射特性参数的反演,其中,所述悬浮溶液的辐射特性参数为消光系数β、散射系数σs和不对称因子g;1)设定悬浮溶液的辐射特性参数的初值,包括消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′,然后使用基于GPU的MC算法对装有悬浮液的样品容器内的辐射传递过程进行求解,得到样品容器光散射不同方向上的一组BSDF模拟数据BSDFsim;其中,所述β′和σs′为随机选取数值;g′为在[-1,1]范围内随机选取数值;MC为正问题辐射传递方程的求解算法;GPU为图形处理器;2)使用优化算法对消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′后的值消光系数β、散射系数σs和不本文档来自技高网...
基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法

【技术保护点】
基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法,其特征在于:基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法具体是按照以下步骤进行的:步骤一、准备待测悬浮溶液,将待测悬浮溶液装在石英玻璃做的样品容器中;步骤二、测量装有待测悬浮溶液的样品容器的BSDF:将激光光源沿着与样品容器表面垂直的方向入射到样品容器左侧面,使用布置于样品容器外部的可旋转探测器测量样品容器左侧面到右侧面范围内不同散射方向的散射信号,样品容器左侧面到右侧面范围为0度~180度,即获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;BSDF为双向散射分布函数,其定义如下;式中,θi为入射天顶角,为入射方位角,θs为散射天顶角,为散射方位角,sr为立体角的单位,Li是单位立体角的入射辐射强度,dLs表示散射辐射强度,d表示微分算符,ωi表示入射立体角;步骤三、基于GPU加速算法结合优化算法进行样品容器悬浮溶液的辐射特性参数的反演,其中,所述悬浮溶液的辐射特性参数为消光系数β、散射系数σs和不对称因子g;1)设定悬浮溶液的辐射特性参数的初值,包括消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′,然后使用基于GPU的MC算法对装有悬浮液的样品容器内的辐射传递过程进行求解,得到样品容器光散射不同方向上的一组BSDF模拟数据BSDFsim;其中,所述β′和σs′为随机选取数值;g′为在[‑1,1]范围内随机选取数值;MC为正问题辐射传递方程的求解算法;GPU为图形处理器;2)使用优化算法对消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′后的值消光系数β、散射系数σs和不对称因子g进行优化,使目标函数F(x)的值不断减小;当目标函数F(x)的值小于设定的精度值或达到设定的迭代步数时,则停止优化,把反演得到的消光系数β、散射系数σs和不对称因子g的值作为样品容器的辐射特性参数。...

【技术特征摘要】
1.基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法,其特征在于:基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法具体是按照以下步骤进行的:步骤一、准备待测悬浮溶液,将待测悬浮溶液装在石英玻璃做的样品容器中;步骤二、测量装有待测悬浮溶液的样品容器的BSDF:将激光光源沿着与样品容器表面垂直的方向入射到样品容器左侧面,使用布置于样品容器外部的可旋转探测器测量样品容器左侧面到右侧面范围内不同散射方向的散射信号,样品容器左侧面到右侧面范围为0度~180度,即获得不同散射方向的一组BSDF实验测量数据BSDFexp;BSDF为双向散射分布函数,其定义如下;式中,θi为入射天顶角,为入射方位角,θs为散射天顶角,为散射方位角,sr为立体角的单位,Li是单位立体角的入射辐射强度,dLs表示散射辐射强度,d表示微分算符,ωi表示入射立体角;步骤三、基于GPU加速算法结合优化算法进行样品容器悬浮溶液的辐射特性参数的反演,其中,所述悬浮溶液的辐射特性参数为消光系数β、散射系数σs和不对称因子g;1)设定悬浮溶液的辐射特性参数的初值,包括消光系数β的初值β′、散射系数σs的初值σs′和不对称因子g的初值g′,然后使用基于GPU的MC算法对装有悬浮液的样品容器内的辐射传递过程进行求解,得到样品容器光散射不同方向上的一组BSDF模拟数据BSDFsim;其中,所述β′和σs′为随机选取数值;g′为在[-1,1]范围内随机选取数值;MC为正问题辐射传递方程的求解算法;GPU为图形处理器;2)使用优化算法对消光系数β、散射系数σs和不对称因子g的值进行优化,使目标函数F(x)的值不断减小;当目标函数F(x)的值小于设定的精度值或达到设定的迭代步数时,则...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵军明马春阳裘俊刘林华
申请(专利权)人:哈尔滨工业大学
类型:发明
国别省市:黑龙江;23

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1