一种激光非线性传输并行仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光非线性传输并行仿真方法。当前强激光在透明介质中可以保持强光强传输千米以上，但仿真计算效率低很难达到预测应用的要求而提出的。本基于分步傅里叶方法，显著提高了强激光非线性传输的仿真速度，22个CPU核心运算速度可提高20倍，仿真强激光在空气中传输一千米只需一天时间，满足应用要求。具体方案为(1)确定强激光光束参数以及介质参数，确定仿真的空间域和时间域，确定要调度的CPU数量。(2)同时划分时间域和空间域为每个CPU分配相应的时间向量和空间向量。(3)每个CPU在确定的空间向量和时间向量交替运行，根据数据交换最少原则确定CPU在空间向量还是在时间向量运行。
【专利说明】一种激光非线性传输并行仿真方法 【技术领域】 本发明涉及计算机模拟仿真，尤其涉及对强激光在空气中传输进行长距离高效仿真技 术领域。 【背景技术】 由于很强的非线性效应，强激光在透明介质中传输能够突破衍射极限光强随传输距离 增加而增加。当强激光在透明介质中传输时，衍射、群速度色散、克尔自聚焦、等离子体散 焦、高阶克尔散焦等物理过程相互竞争动态平衡，在空气中会形成自引导传播现象。强激光 传输的特点使其能够应用于以下方面： 1.远距离遥感，2.产生超连续光谱，3.激光引雷，4.产生太赫兹波。 这些应用都需要对强激光在空气中传输的光强的时空分布进行准确预测，有些应用需 要预测强激光在透明介质中传输千米以上，常用的方法是在空间进行Crank-Nicholson差 分的分步傅里叶方法，但其串行方法计算千米以上传输需要数周的计算时间，由于计算效 率低，目前文献上对强激光仿真的最多传输距离在百米量级，而强激光传输的应用需要计 算其在空气中传输千米以上，强激光在透明介质中的仿真效率不能满足应用的需要。 随着计算机硬件的发展，计算机处理器核心数目越来越多，为多核并行提供硬件支持。 目前分步傅里叶方法研究在大多在一维层次，其方法单纯对傅里叶变换并行化，进程（线 程）间需要交换大量数据，加速比低，并且不能表示强激光在垂直于传输方向截面的光强 分布状况。
【发明内容】
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种激光非线性传输并行仿真方法， 采用并行的方式，不以单一域划分任务，使之克服现有技术的缺点，提高强激光在非线性介 质中传输的仿真效率。 本发明所使用的方法为： 一种激光非线性传输并行仿真方法，包括以下步骤： 确定激光光束参数以及介质参数，根据激光参数和介质参数建立非线性薛定谔方程， 确定仿真空间域和时间域，确定调度的CPU数量；剖分网格，计算初始脉冲；根据时间域和 与强激光传输方向垂直的空间域为CPU分配时间向量和空间向量，每个CPU对应一个时间 向量和空间向量；把计算任务分配给P个CPU ;每个CPU按时间向量并行计算非线性薛定谔 方程用Crank-Nicholson差分格式尚散生成的尚散矩阵，按空间向量并行求解-按时间向 量并行求解-按空间向量并行求解，每个过程每个CPU独立完成其划分时间向量或空间向 量的任务；等待P个CPU完成仿真运算，并查看缓冲区将仿真结果存储到硬盘； 所述P个CPU中每个CPU的仿真方法如下： 每个CPU按时间向量并行计算用Crank-Nicholson差分格式离散非线性薛定谔方程生 成的离散矩阵；按空间向量仿真1-等待-按时间向量求解-等待-按空间向量仿真2,每 个过程每个CPU独立完成其划分任务；按空间向量求解模块1为传统分步傅里叶方法中非 线性求解模块和傅里叶变换的组合，按时间向量求解模块为线性模块中的在频域中求解模 块，按空间向量求解模块2为传统分步傅里叶方法中的逆傅里叶变换和非线性求解模块组 合；如果仿真结果为需要的数据，则将仿真结果输出到缓冲区。 所述激光脉冲的光束参数包括脉冲类型、载波频率、束腰、脉冲宽度、啁啾参数；所述激 光脉冲的介质参数包括：群速度色散参数、折射率、克尔系数、高阶克尔系数、多光子电离系 数。 在把计算任务分配给P个CPU时，同时为每个CPU分配时间向量和空间向量，不以单一 时间或空间划分，时间和空间同时划分，并在内存中一一对应其时间向量和空间向量。 本发明显著提高了强激光非线性传输的仿真速度，22个CPU核心运算速度可提高20 倍，仿真强激光在空气中传输一千米只需一天时间，满足应用要求。具体方案为（1)确定强 激光光束参数以及介质参数，确定仿真的空间域和时间域，确定要调度的CPU数量。（2)同 时划分时间域和空间域为每个CPU分配相应的时间向量和空间向量。（3)每个CPU在确定 的空间向量和时间向量交替运行，根据数据交换最少原则确定CPU在空间向量还是在时间 向量运行。测试结果表明，20核以内仿真加速比可达95%以上，30核一天内可以仿真一千 米以上。 【专利附图】
【附图说明】 图1是传统串行仿真过程框图。 图2是本发明的仿真过程框图。 图3是第i个CPU的仿真过程框图。 【具体实施方式】： 本发明的具体过程如图2和图3所示。 实施例 根据输入文件确定需要解决的问题，一个输入文件格式的例子如下，每行#以后为对 这一行的注释：
【权利要求】
1. 一种激光非线性传输并行仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 确定激光光束参数以及介质参数，根据激光参数和介质参数建立非线性薛定谔方程， 确定仿真空间域和时间域，确定调度的CPU数量；剖分网格，计算初始脉冲；根据时间域和 与强激光传输方向垂直的空间域为CPU分配时间向量和空间向量，每个CPU对应一个时间 向量和空间向量；把计算任务分配给P个CPU ;每个CPU按时间向量并行计算非线性薛定谔 方程用Crank-Nicholson差分格式尚散生成的尚散矩阵，按空间向量并行求解1-按时间 向量并行求解-按空间向量并行求解，每个过程每个CPU独立完成其划分时间向量或空间 向量的任务；等待P个CPU完成仿真运算，并查看缓冲区将仿真结果存储到硬盘； 所述P个CPU中每个CPU的仿真方法如下： 每个CPU按时间向量并行计算非线性薛定谔方程用Crank-Nicholson差分格式离散生 成的离散矩阵；按空间向量仿真1-等待-按时间向量求解-等待-按空间向量仿真2,每 个过程每个CPU独立完成其划分任务；按空间向量求解模块1为传统分步傅里叶方法中非 线性求解模块和傅里叶变换的组合，按时间向量求解模块为线性模块中的在频域中求解模 块，按空间向量求解模块2为传统分步傅里叶方法中的逆傅里叶变换和非线性求解模块组 合；如果仿真结果为需要的数据，则将仿真结果输出到缓冲区。
2. 根据权利要求1所述的激光非线性传输的并行仿真方法，其特征在于，所述激光脉 冲的光束参数包括脉冲类型、载波频率、束腰、脉冲宽度、啁啾参数；所述激光脉冲的介质参 数包括：群速度色散参数、折射率、克尔系数、高阶克尔系数、多光子电离系数。
3. 根据权利要求1所述的激光非线性传输的并行仿真方法，其特征在于，在把计算任 务分配给P个CPU时，同时为每个CPU分配时间向量和空间向量，不以单一时间或空间划 分，时间和空间同时划分，并在内存中 对应其时间向量和空间向量。
【文档编号】G06F9/455GK104298542SQ201410620686
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】林文斌, 马存良 申请人:西南交通大学