基于GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数反演的方法

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，本发明涉及GPU并行加速的悬浮溶液辐射特性参数的方法。本发明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BSDF_exp；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σ_s和不对称因子g。本发明应用于悬浮溶液光学特性测量技术领域。

主权项

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BSDF_exp；BSDF为双向散射分布函数，其定义如下；式中，θ_i为入射天顶角，为入射方位角，θ_s为散射天顶角，为散射方位角，sr为立体角的单位，L_i是单位立体角的入射辐射强度，dL_s表示散射辐射强度，d表示微分算符，ω_i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σ_s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σ_s的初值σ_s′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BSDF_sim；其中，所述β′和σ_s′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σ_s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，则停止优化，把反演得到的消光系数β、散射系数σ_s和不对称因子g的值作为样品容器的辐射特性参数；所述步骤三中假定悬浮溶液的辐射特性参数的初值，包括消光系数β、散射系数σ_s和不对称因子g的初值，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BSDF_sim；具体过程为：样品容器内的辐射传递过程利用辐射传输方程进行求解：$s·▿I(r,s)+\beta I(r,s)=\frac{{\sigma }_s}{4\pi }{\int }_{{\Omega }^{\prime }=4\pi }I(r,s)\Phi (s^{\prime }\to s){\mathrm{d\Omega }}^{\prime }---\left(1\right)$$\Phi (s^{\prime }\to s)=\Phi \left(cos\Theta \right)=\frac{1-g^2}{{(1+g^2-2gcos\Theta )}^{3/2}}---\left(2\right)$式中，I(r,s)为辐射强度，r为辐射场位置矢量，s为方向矢量，β为消光系数，Φ(s′→s)为散射相函数，Ω′为立体角，σ_s为散射系数，Φ为散射相函数，Θ为散射角，为哈密顿算符，g为不对称因子；所述步骤三中目标函数F(x)为：结合以下公式：$F\left(x\right)=F(\tau ,\omega ,g)=\underset{i=1}{\overset{N_d}{\Sigma }}{v}_i^2{({\mathrm{BSDF}}_{i,sim}-{\mathrm{BSDF}}_{i,\exp })}^2---\left(3\right)$$v_i=\frac{1}{{\mathrm{BSDF}}_{\exp ,i}},i=1,...,N_d---\left(4\right)$式中，τ为光学厚度，ω为反照率，g为不对称因子，g取值范围为[‑1,1]，N_d为使用的散射角度数量。