一種雷射非線性傳輸並行仿真方法

2023-09-10 03:50:55

一種雷射非線性傳輸並行仿真方法
【專利摘要】本發明涉及一種雷射非線性傳輸並行仿真方法。當前強雷射在透明介質中可以保持強光強傳輸千米以上，但仿真計算效率低很難達到預測應用的要求而提出的。本基於分步傅立葉方法，顯著提高了強雷射非線性傳輸的仿真速度，22個CPU核心運算速度可提高20倍，仿真強雷射在空氣中傳輸一千米只需一天時間，滿足應用要求。具體方案為(1)確定強雷射光束參數以及介質參數，確定仿真的空間域和時間域，確定要調度的CPU數量。(2)同時劃分時間域和空間域為每個CPU分配相應的時間向量和空間向量。(3)每個CPU在確定的空間向量和時間向量交替運行，根據數據交換最少原則確定CPU在空間向量還是在時間向量運行。
【專利說明】一種雷射非線性傳輸並行仿真方法 【技術領域】 本發明涉及計算機模擬仿真，尤其涉及對強雷射在空氣中傳輸進行長距離高效仿真技 術領域。 【背景技術】 由於很強的非線性效應，強雷射在透明介質中傳輸能夠突破衍射極限光強隨傳輸距離 增加而增加。當強雷射在透明介質中傳輸時，衍射、群速度色散、克爾自聚焦、等離子體散 焦、高階克爾散焦等物理過程相互競爭動態平衡，在空氣中會形成自引導傳播現象。強雷射 傳輸的特點使其能夠應用於以下方面： 1.遠距離遙感，2.產生超連續光譜，3.雷射引雷，4.產生太赫茲波。 這些應用都需要對強雷射在空氣中傳輸的光強的時空分布進行準確預測，有些應用需 要預測強雷射在透明介質中傳輸千米以上，常用的方法是在空間進行Crank-Nicholson差 分的分步傅立葉方法，但其串行方法計算千米以上傳輸需要數周的計算時間，由於計算效 率低，目前文獻上對強雷射仿真的最多傳輸距離在百米量級，而強雷射傳輸的應用需要計 算其在空氣中傳輸千米以上，強雷射在透明介質中的仿真效率不能滿足應用的需要。 隨著計算機硬體的發展，計算機處理器核心數目越來越多，為多核並行提供硬體支持。 目前分步傅立葉方法研究在大多在一維層次，其方法單純對傅立葉變換並行化，進程（線 程）間需要交換大量數據，加速比低，並且不能表示強雷射在垂直於傳輸方向截面的光強 分布狀況。
【發明內容】
鑑於現有技術的以上不足，本發明的目的是提供一種雷射非線性傳輸並行仿真方法， 採用並行的方式，不以單一域劃分任務，使之克服現有技術的缺點，提高強雷射在非線性介 質中傳輸的仿真效率。 本發明所使用的方法為： 一種雷射非線性傳輸並行仿真方法，包括以下步驟： 確定雷射光束參數以及介質參數，根據雷射參數和介質參數建立非線性薛丁格方程， 確定仿真空間域和時間域，確定調度的CPU數量；剖分網格，計算初始脈衝；根據時間域和 與強雷射傳輸方向垂直的空間域為CPU分配時間向量和空間向量，每個CPU對應一個時間 向量和空間向量；把計算任務分配給P個CPU ;每個CPU按時間向量並行計算非線性薛丁格 方程用Crank-Nicholson差分格式尚散生成的尚散矩陣，按空間向量並行求解-按時間向 量並行求解-按空間向量並行求解，每個過程每個CPU獨立完成其劃分時間向量或空間向 量的任務；等待P個CPU完成仿真運算，並查看緩衝區將仿真結果存儲到硬碟； 所述P個CPU中每個CPU的仿真方法如下： 每個CPU按時間向量並行計算用Crank-Nicholson差分格式離散非線性薛丁格方程生 成的離散矩陣；按空間向量仿真1-等待-按時間向量求解-等待-按空間向量仿真2,每 個過程每個CPU獨立完成其劃分任務；按空間向量求解模塊1為傳統分步傅立葉方法中非 線性求解模塊和傅立葉變換的組合，按時間向量求解模塊為線性模塊中的在頻域中求解模 塊，按空間向量求解模塊2為傳統分步傅立葉方法中的逆傅立葉變換和非線性求解模塊組 合；如果仿真結果為需要的數據，則將仿真結果輸出到緩衝區。 所述雷射脈衝的光束參數包括脈衝類型、載波頻率、束腰、脈衝寬度、啁啾參數；所述激 光脈衝的介質參數包括：群速度色散參數、折射率、克爾係數、高階克爾係數、多光子電離系 數。 在把計算任務分配給P個CPU時，同時為每個CPU分配時間向量和空間向量，不以單一 時間或空間劃分，時間和空間同時劃分，並在內存中一一對應其時間向量和空間向量。 本發明顯著提高了強雷射非線性傳輸的仿真速度，22個CPU核心運算速度可提高20 倍，仿真強雷射在空氣中傳輸一千米只需一天時間，滿足應用要求。具體方案為（1)確定強 雷射光束參數以及介質參數，確定仿真的空間域和時間域，確定要調度的CPU數量。（2)同 時劃分時間域和空間域為每個CPU分配相應的時間向量和空間向量。（3)每個CPU在確定 的空間向量和時間向量交替運行，根據數據交換最少原則確定CPU在空間向量還是在時間 向量運行。測試結果表明，20核以內仿真加速比可達95%以上，30核一天內可以仿真一千 米以上。 【專利附圖】

【附圖說明】 圖1是傳統串行仿真過程框圖。 圖2是本發明的仿真過程框圖。 圖3是第i個CPU的仿真過程框圖。 【具體實施方式】： 本發明的具體過程如圖2和圖3所示。 實施例 根據輸入文件確定需要解決的問題，一個輸入文件格式的例子如下，每行#以後為對 這一行的注釋：
【權利要求】
1. 一種雷射非線性傳輸並行仿真方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟： 確定雷射光束參數以及介質參數，根據雷射參數和介質參數建立非線性薛丁格方程， 確定仿真空間域和時間域，確定調度的CPU數量；剖分網格，計算初始脈衝；根據時間域和 與強雷射傳輸方向垂直的空間域為CPU分配時間向量和空間向量，每個CPU對應一個時間 向量和空間向量；把計算任務分配給P個CPU ;每個CPU按時間向量並行計算非線性薛丁格 方程用Crank-Nicholson差分格式尚散生成的尚散矩陣，按空間向量並行求解1-按時間 向量並行求解-按空間向量並行求解，每個過程每個CPU獨立完成其劃分時間向量或空間 向量的任務；等待P個CPU完成仿真運算，並查看緩衝區將仿真結果存儲到硬碟； 所述P個CPU中每個CPU的仿真方法如下： 每個CPU按時間向量並行計算非線性薛丁格方程用Crank-Nicholson差分格式離散生 成的離散矩陣；按空間向量仿真1-等待-按時間向量求解-等待-按空間向量仿真2,每 個過程每個CPU獨立完成其劃分任務；按空間向量求解模塊1為傳統分步傅立葉方法中非 線性求解模塊和傅立葉變換的組合，按時間向量求解模塊為線性模塊中的在頻域中求解模 塊，按空間向量求解模塊2為傳統分步傅立葉方法中的逆傅立葉變換和非線性求解模塊組 合；如果仿真結果為需要的數據，則將仿真結果輸出到緩衝區。
2. 根據權利要求1所述的雷射非線性傳輸的並行仿真方法，其特徵在於，所述雷射脈 衝的光束參數包括脈衝類型、載波頻率、束腰、脈衝寬度、啁啾參數；所述雷射脈衝的介質參 數包括：群速度色散參數、折射率、克爾係數、高階克爾係數、多光子電離係數。
3. 根據權利要求1所述的雷射非線性傳輸的並行仿真方法，其特徵在於，在把計算任 務分配給P個CPU時，同時為每個CPU分配時間向量和空間向量，不以單一時間或空間劃 分，時間和空間同時劃分，並在內存中 對應其時間向量和空間向量。
【文檔編號】G06F9/455GK104298542SQ201410620686
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】林文斌, 馬存良 申請人:西南交通大學