辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部网格及光子加密方法技术

本发明专利技术提供一种辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部网格及光子加密方法：首先，对传播介质内不同组成部分依据对应组成部分的光学特性及形状结构选用尺寸不同的网格；其次，根据最稀疏网格的网格尺寸选取所述传播介质内光传播计算所需的总光子数，总光子数的大小应满足按所述最稀疏网格的网格尺寸计算时网格内光子能量分布的统计学要求，当光子由网格尺寸较大的稀疏网格进入网格尺寸较小的细密网格时，光子进行分裂，本发明专利技术在现有“基于网格的蒙特卡洛方法”的基础上，依据传播介质的光学特性及形状结构，提出局部网格及光子加密方法，极大地提高了蒙特卡洛方法的计算效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热辐射计算领域，主要涉及针对不同传播介质或具有多种组成的传播介质内辐射能传播蒙特卡洛计算方法的改进算法。
技术介绍
辐射传播是热量传递的主要三种形势之一，在工业生产及生活领域具有广泛的应用。例如利用复色光辐射能——太阳能进行发电，或利用单色光辐射能——激光进行工业材料处理或临床激光热疗。由于辐射能在介质内部(如太阳能集热器、工业材料或生物组织内)的传播并不可见，因而数值计算成为了一种有效地“可视化”方法，以增强对辐射能与传播介质间相互作用的理解并以此提高其工程实际应用的效果。在众多的热辐射计算方法中蒙特卡洛方法是目前应用最广的辐射能传播及分布求解方法之一。蒙特卡洛方法是利用统计学模型求解物理过程的数学方法。由于辐射能传播介质的几何形状往往具有高度复杂性，光子在介质内不同组分界面(以下简称界面)上的折射及散射计算是蒙特卡洛方法实施中的关键问题。Wang等的多层蒙特卡洛模拟方法(Multi-layered Monte Carlo method)是目前应用较广的光传播蒙特卡洛方法(Lihong W,Jacques SL,Liqiong Z.MCML-Monte Carlo modeling of light transport in multi-layered tissues.Computer Methods and Programs in Biomedicine,1995,47(2):131-146.)，然而该方法只能处理与坐标平面垂直的界面。Pfefer等人开发的“基于网格的蒙特卡洛方法”(Voxel-based Monte Carlo method)是目前公认的可以较好处理这类问题的蒙特卡洛方法(Pfefer TJ,Barton JK,Chan EK,et al.A three-dimensional modular adaptable grid numerical model for light propagation during laser irradiation of skin tissue.Ieee Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,1996,2(4):934-942.)。与传统蒙特卡洛方法中网格单纯的能量统计功能不同，基于网格的蒙特卡洛方法最大的特点就是光子的运行与网格设置紧密相连，连续的复杂曲面被离散的微小的网格界面所替代，利用光子与网格界面的相互作用替代与曲面间的相互作用。通过该方法极大地简化了复杂界面上折射、反射的求解难度。Binzoni等人研究结果表明，“基于网格的蒙特卡洛计算方法”中，由于网格尺寸选取不当造成的计算误差可达20％以上(Binzoni T,Leung TS,Giust R,et al.Light transport in tissue by 3D Monte Carlo:Influence of boundary voxelization.Computer Methods and Programs in Biomedicine,2008,89(1):14-23.)。另一方面，蒙特卡洛方法具有统计学特性，其结果依赖于光子数的选择，光子数越多其计算结果越接近真实结果，网格数越多所需要的光子数也越多。因而，蒙特卡洛方法的计算效率与网格及光子数的选取有着密切的关系。但是，截至目前为止，针对蒙特卡洛方法中网格尺寸及光子数选择判据的研究依然未见报道。蒙特卡洛计算中网格尺寸及光子数的选择多根据经验而无科学依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部网格及光子加密方法，可以显著提高基于网络的蒙特卡洛算法计算辐射能传播及分布时的效率。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：首先，对辐射能传播介质(以下简称介质)不同组成部分依据该介质对应组成部分的光学特性及形状结构选用尺寸不同的网格；其次，根据最稀疏网格的网格尺寸选取所述介质内辐射能传播蒙特卡洛计算所需的总光子数，总光子数的大小应满足按所述最稀疏网格的网格尺寸计算时网格内光子能量分布的统计学要求，当光子由网格尺寸较大的稀疏网格进入网格尺寸较小的细密网格时，光子进行分裂，分裂后光子的数目应满足所述细密网格内的光子能量分布的统计学要求。对所述介质中光吸收较弱的组成部分采用网格尺寸较大的稀疏网格，而对所述介质中光吸收较强的组成部分采用网格尺寸较小的细密网格；对所述介质中形状结构较简单的组成部分采用网格尺寸较大的稀疏网格，而对所述介质中形状结构较复杂的组成部分采用网格尺寸较小的细密网格。所述介质不同组成部分的网格尺寸的最大允许值依据如下关系式进行选取：Δw*=0.2rmax*rmax*≤1Δw*=0.2rmax*≥1---(1)]]>其中，Δw*是无量纲网格尺寸，Δw*＝Δwμt，Δw为实际网格尺寸，μt为辐射能在介质中的衰减系数，是介质中不同组成部分边界上无量纲曲率半径最大值，rmax是介质中不同组成部分边界上曲率半径最大值。为满足光子能量分布的统计学要求，单个网格内平均光子数应大于等于5。本专利技术的有益效果体现在：本专利技术在现有基于网格的蒙特卡洛方法的基础上，依据介质的光学特性及形状结构，提出局部网格及光子加密方法，极大地提高了蒙特卡洛方法的计算效率。附图说明图1是含有单根圆柱辐射能吸收体的传播介质示意图；图2是网格加密区示意图；图3是非加密区网格划分示意图；图4是加密区网格划分示意图；图5是光子数加密示意图；图6是网格局部加密对蒙特卡洛计算时间(Computation time)的影响；图7是光子增值倍数对蒙特卡洛计算时间的影响；图8是无光子分裂(a)及光子分裂10倍(b)及100倍(c)后，加密区光密度分布图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细描述。利用蒙特卡洛方法计算介质辐射能传播及吸收时网格及光子加密的基本思路是：依据介质各组成部分(简称成分)的形状结构及光学参数，针对各个组成部分划分不同尺寸的网格。光学吸收性强，且形状复杂的组成部分要选取较小的网格尺寸。随后，依据计算区域内最大网格选取蒙特卡洛计算所需的光子数，当光子运行过程中进入较细密的网格区域时，光子分裂为若干个相同权值的子光子，以满足细密网格内蒙特卡洛方法对于光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部网格及光子加密方法，其特征在于：包括以下步骤：首先，对辐射能传播介质不同组成部分依据该介质对应组成部分的光学特性及形状结构选用尺寸不同的网格；其次，根据最稀疏网格的网格尺寸选取所述介质内辐射能传播蒙特卡洛计算所需的总光子数，总光子数的大小应满足按所述最稀疏网格的网格尺寸计算时网格内光子能量分布的统计学要求，当光子由网格尺寸较大的稀疏网格进入网格尺寸较小的细密网格时，光子进行分裂，分裂后光子的数目应满足所述细密网格内的光子能量分布的统计学要求。

【技术特征摘要】
1.一种辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部网格及光子加密方法，
其特征在于：包括以下步骤：
首先，对辐射能传播介质不同组成部分依据该介质对应组成部分
的光学特性及形状结构选用尺寸不同的网格；其次，根据最稀疏网格
的网格尺寸选取所述介质内辐射能传播蒙特卡洛计算所需的总光子
数，总光子数的大小应满足按所述最稀疏网格的网格尺寸计算时网格
内光子能量分布的统计学要求，当光子由网格尺寸较大的稀疏网格进
入网格尺寸较小的细密网格时，光子进行分裂，分裂后光子的数目应
满足所述细密网格内的光子能量分布的统计学要求。
2.根据权利要求1所述一种辐射能传播蒙特卡洛算法中的局部
网格及光子加密方法，其特征在于：对所述介质中光吸收较弱的组成
部分采用网格尺寸较大的稀疏网格，而对所述介质中光吸收较强的组
成部分采用网格尺寸较小的细密网格；对所述介质中形状结构较简单
的组成部分采用网...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东，陈斌，王国祥，何雅玲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61