一种光路追踪计算方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种光路追踪计算方法及系统，包括：采集被测激光的参数值；基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点。本发明专利技术提供的技术方案根据浮点稳定性计算理论，采用高精度计算方法求解光线参数方程，提高了光路追踪的准确性。

A Calculating Method and System for Optical Tracking

The invention provides an optical path tracing calculation method and system, which includes: acquiring the parameters of the laser under test; solving the pre-constructed optical parameter equation by high-precision calculation method based on the collected parameters, calculating the laser propagation time; and calculating the laser trajectory points based on the laser propagation time. According to the floating point stability calculation theory, the technical scheme of the invention solves the ray parameter equation with high precision calculation method, and improves the accuracy of light path tracing.

【技术实现步骤摘要】
一种光路追踪计算方法及系统
本专利技术涉及科学研究计算中的高性能计算领域，具体涉及一种光路追踪计算方法。
技术介绍
激光在等离子体中的能量沉积问题是激光间接驱动惯性约束聚变(ICF，InertialConfinementFusion)中的重要物理过程，其模拟精度会影响ICF全过程数值模拟结果的正确性。在ICF整体数值模拟中，目前激光主要采用几何光路建模，在模拟中需要通过求解光线与网格的相交关系来确定光线的运动轨迹。光路追踪算法有广泛的应用，例如无限通信系统、晶体光学、电磁辐射传播及碰撞检测、激光的传播等。在大规模并行机上实现快速高精度光路追踪计算一直是一件有挑战性的任务。计算光路与一系列(3-D或2-D)几何体的交点是光路追踪算法的核心组成部分。光的传播轨迹是由光线与几何体的交点组成的。相交点处及附近区域的物质特性决定了光线的状态和传播方向。如何提高算法的精度和效率往往因应用问题而异。在激光约束聚变问题中，激光作为聚变的源项出现在物理建模之中。具体地，通常采用几何光线近似来模拟激光在等离子体中吸收与传播。激光束被表示成多条激光光线(直线或曲线)。每条光线被赋予一定的激光能量。随着激光的传播，其携带的能量沉积到沿途的等离子体中。在每个计算网格的电子数密度线性分布的假设下，求交算法的核心就是求出光线参数方程与每个网格边线段的交点。在算法的设计上，一方面需要考虑到电子数密度为常数等可能的退化情形，另一方面需要考虑到计算机数字的有限表示位数，理论上相同数值上不同的算法可能会得到不同的数值解。由于浮点计算的局限性，很多常用的算法难以计算出理论上的精确解。而且在计算交点的算法中当判据或阈值达到计算机浮点精度的量级时，数值结果还可能会因计算机不同而不同，数值结果不同可能会引起光路传播方向的改变，或者传播路径长度的改变。IEEE二进制浮点数算术标准(IEEE754)是20世纪80年代以来最广泛使用的浮点数运算标准，为许多CPU与浮点运算器所采用，这个标准定义了表示浮点数的格式与反常值，一些特殊数值，例如：无穷(Inf)与非数值(NaN)，以及这些数值的“浮点数运算符”；它也指明了四种数值舍入规则和五种例外状况，包括例外发生的时机与处理方式。因为IEEE754标准指明了浮点数的有效存储位数，导致浮点数在计算机中运算结果的不精确性来自于浮点数的有限位数无法精确表达自然界中的一个自然数，进一步导致了一些算法在理论上正确无误，但在计算机上则可能计算结果与真实数值不同，而计算错误。
技术实现思路
为解决上述技术的不足，本专利技术提供一种光路追踪计算方法，根据浮点稳定性计算理论，采用扩展精度浮点数计算方法求解光线参数方程，解决了减法相消带来的计算错误，提高了光线参数方程求解的准确性，能精准地实现光路的追踪。一种光路追踪计算方法，其改进之处在于，所述方法包括：采集被测激光的参数值；基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点；所述光线参数方程包括一元四次方程。优选地，所述基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间包括：将一元四次光线参数方程简化为一元三次方程；基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解所述一元三次方程得到所述一元三次方程的根；基于所述一元三次方程的根，计算一元四次光线参数方程的解，得到激光传播时间；其中，所述扩展精度浮点数包括精度高于双精度的浮点数。优选地，所述基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解所述一元三次方程包括：计算所述一元三次方程的判别式；基于所述判别式结果求解所述一元三次方程，得到求解结果；基于所述求解结果确定所述一元三次方程的根。优选地，所述基于所述判别式结果求解所述一元三次方程，得到求解结果包括：当所述一元三次方程的判别式≥0时，采用单精度或双精度浮点数对所述一元三次方程求根公式进行求解；否则，判断求根公式中是否出现减法相消，当出现减法相消时，采用扩展精度浮点数对所述一元三次方程的求根公式求解；当不出现减法相消时，采用单精度或双精度浮点数对所述一元三次方程求根公式进行求解。优选地，所述基于所述求解结果确定所述一元三次方程的根包括：采用牛顿迭代法对所述求解结果进行迭代计算；当所述一元三次方程的判别式＜0时，检测迭代计算后的根是否有重根；若存在重根，对其中一个重根采用牛顿迭代法再次进行迭代计算，直至不出现重根为止；将所述迭代计算结果作为所述一元三次方程的根。优选地，所述是否出现减法相消按下式进行判断：式中，m：求根公式中第一浮点数；n：求根公式中第二浮点数，m和n的大小非常接近；ε：检测减法相消的阈值。优选地，所述一元三次方程的判别式如下式所示：式中：Δ：判别式；p、q：消去二次项后的一元三次方程的系数；其中：p按下式进行计算：q按下式进行计算：优选地，所述一元三次方程的判别式＜0时，所述一元三次方程的根的个数为3个，求根公式如下式所示：式中：x1、x2、x3：一元三次方程的根；θ：采用三角函数法求解一元三次方程时的参数；其中，θ按下式进行计算：优选地，所述基于所述激光传播时间计算激光的轨迹点包括：将所述激光传播时间代入到关于光线传播时间的光线参数方程，得到激光的轨迹点。一种光路追踪计算系统，包括参数采集模块、时间获取模块和轨迹点获取模块；参数采集模块：用于采集被测激光的参数值；时间获取模块：基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；轨迹点获取模块：基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点；所述光线参数方程包括一元四次方程。与最接近的已有技术比，本专利技术提供的技术方案具有以下有益效果：本专利技术提供的技术方案，根据浮点稳定性计算理论，采用扩展精度浮点数计算方法求解光线参数方程，解决了减法相消带来的计算错误，提高了光线参数方程求解的准确性，精准地实现光路的追踪。本专利技术提供的技术方案，采用扩展精度运算、迭代提炼精度和重根检测的方法优化解的精度，提高了光线参数方程求解算法的稳定性。附图说明图1是本专利技术光路追踪计算方法的示意图；图2是本专利技术基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解一元三次方程的流程图；图3是本专利技术光路追踪计算系统的示意图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例一、一种光路追踪计算方法，如图1所示，包括：步骤1：采集被测激光的参数值；步骤2：基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；步骤3：基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点；所述光线参数方程包括一元四次方程。步骤1：采集被测激光的参数值。步骤2：基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间。具体地，所述采用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间包括：将一元四次光线参数方程简化为一元三次方程；基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解所述一元三次方程得到所述一元三次方程的根；基于所述一元三次方程的根，计算一元四次光线参数方程的解，得到激光传播时间；其中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光路追踪计算方法，其特征在于，所述方法包括：采集被测激光的参数值；基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点；所述光线参数方程包括一元四次方程。

【技术特征摘要】
1.一种光路追踪计算方法，其特征在于，所述方法包括：采集被测激光的参数值；基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间；基于所述激光传播时间计算所述激光的轨迹点；所述光线参数方程包括一元四次方程。2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述基于所述采集的参数值，利用高精度计算方法求解预先构建的光线参数方程，计算激光传播时间包括：将一元四次光线参数方程简化为一元三次方程；基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解所述一元三次方程得到所述一元三次方程的根；基于所述一元三次方程的根，计算一元四次光线参数方程的解，得到激光传播时间；其中，所述扩展精度浮点数包括精度高于双精度的浮点数。3.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述基于扩展精度浮点数采用三角函数法求解所述一元三次方程包括：计算所述一元三次方程的判别式；基于所述判别式结果求解所述一元三次方程，得到求解结果；基于所述求解结果确定所述一元三次方程的根。4.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述基于所述判别式结果求解所述一元三次方程，得到求解结果包括：当所述一元三次方程的判别式≥0时，采用单精度或双精度浮点数对所述一元三次方程求根公式进行求解；否则，判断求根公式中是否出现减法相消，当出现减法相消时，采用扩展精度浮点数对所述一元三次方程的求根公式求解；当不出现减法相消时，采用单精度或双精度浮点数对所述一元三次方程求根公式进行求解。5.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述基于所述求解结果确定所述一元三次方程的根包括：采用牛顿迭代法对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：任小广，周浩，肖震，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11