基于光线网格的激光动力学求解方法及系统与流程

本发明涉及光学有限元分析领域，尤其涉及一种基于光线网格的激光动力学求解方法及系统。
背景技术：
：目前，由于受限于计算能力和几何算法限制，传统的用于介质的激光动力学过程算法通常是基于六面体网格的，甚至很多只能基于立方体网格。如图6所示，以板条形状的激光介质为例，传统做法是将板条沿长、宽、高三个方向剖分网格，网格大小为dx*dy*dz。然后计算光场传输，由场坐标(x,y,z)除以网格大小，可以获得网格在x,y,z方向的数组序号：i＝x/dx,j＝y/dy,k＝z/dz。由此，获得该(x,y,z)点处的增益单元的信息。传统方法应用场景较单一，这种六面体网格只能用于块状固体介质，一旦用于其他构型介质，例如圆柱体，就无法描述物体表面特征。因为，现有方法只能将圆形构型等效为阶梯状的形状进行逼近，无法完美描述这些物体的表面特征。而且，随着颗粒度减小，对内存的需求也急剧增加，导致实际应用效果较差。此外，对于圆柱形物体，还可以通过减小颗粒度逼近，对于带有顶角的物体，尤其是锐角，则完全无法应用该方法求解激光动力学过程。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于光线网格的激光动力学求解方法及系统。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于光线网格的激光动力学求解方法，包括：根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息；根据光线在所述目标物中穿过的轨迹确定光线网格，根据所述顺序信息确定每个所述光线网格内光线线段的数据；根据每个所述光线网格内光线线段的数据求解激光动力学问题。本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于光线网格的激光动力学求解系统，包括：第一网格建立单元，用于根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息；第二网格建立单元，用于根据光线在所述目标物中穿过的轨迹确定光线网格，根据所述顺序信息确定每个所述光线网格内光线线段的数据；计算单元，用于根据每个所述光线网格内光线线段的数据求解激光动力学问题。本发明的有益效果是：本发明通过引入四面体网格，用于描述异形介质的增益计算问题，然后创造光线网格，以记录光线追迹的数据，拓展光学放大过程的计算应用场景，解决了现有求解方法只能用于立方体构型介质的问题，将激光传播过程统一在光线网格内，省却了反复更换网格的繁琐过程，使得采用四面体网格求解激光动力学问题成为可能，并且由于采用了四面体网格研究激光动力学过程，整个研究对象不再局限于规则形状的物体，还可以完整描述光线在介质表面的物理过程。即使是曲面，由于不均匀网格可以调整颗粒度以满足不同曲率的表面，因此整个表面的光学过程可以更完美的由计算机仿真。本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。附图说明图1为本发明激光动力学求解方法的实施例提供的流程示意图；图2为本发明激光动力学求解方法的其他实施例提供的光线网格结构示意图；图3为本发明激光动力学求解方法的其他实施例提供的红黑树结构示意图；图4为本发明激光动力学求解方法的其他实施例提供的四面体网格编号示意图；图5为本发明激光动力学求解系统的实施例提供的结构框架示意图；图6为传统六面体网格分割的几何构型示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，四面体有限元算法早已成熟应用于工程力学、热学等领域，用以解决有限元单元上的场函数问题，如图6所示，提供了一种示例性的传统六面体网格分割的几何构型示意图。但整个激光动力学过程不但包含光与介质的相互作用(局域场函数求解)，还包含光束传播放大过程(输运问题)。而且，实际过程中这个局域场函数与输运问题是互相影响的。针对这种特殊情况，本申请基于四面体有限元算法提出了光线网格，用以同时描述光线传输的输运问题，能够同时描述光线与网格的影响，以最小的内存消耗解决了四面体网格的激光动力学求解问题。下面结合实例说明。如图1所示，为本发明激光动力学求解方法的实施例提供的流程示意图，该激光动力学求解方法基于光线网格实现，适用于不规则形状物体的激光动力学求解，包括：s1，根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息；s2，根据光线在目标物中穿过的轨迹确定光线网格，根据顺序信息确定每个光线网格内光线线段的数据；s3，根据每个光线网格内光线线段的数据求解激光动力学问题。应理解，具体使用何种程序进行有限元分析，可以根据实际需求设置。例如，可以使用femap+nxnastran、comsolmultiphysics或pfepg等软件进行有限元分析。如图2所示，提供了一种示例性的四面体有限元网格结构示意，光线网格相当于光线在四面体有限元网格中传输时，依次碰到四面体网格的表面，由这些表面将光线分成了不等长的线段。为便于说明，假设目标物为立方体的晶体，采用图2所示的方法对晶体进行四面体剖分，虚线为光线，虚线的箭头为光线的传播方向，光线从晶体左侧穿过晶体，光线在穿过整个四面体网格的过程中，光线先碰到网格c1的表面三角形s0，然后网格c1内的光线r1传播一段距离，碰到c1与c2的接触面s1，接着进入c2网格，然后网格c2内的光线r2传播一段距离，碰到c2与c3的接触面s2，持续这个过程，直到碰到最后的一个表面网格。以网格c1为例，网格本身就是体单元，网格c1的每个表面三角形就是表面单元。可以在四面体网格内进行光线追迹，从而获得光线与四面体网格交叉而形成的光线网格，应理解，可以使用现有的软件和系统实现对光线的追迹，也可以使用原创的程序对光线进行追迹。例如，可以使用tracepro，zemax等商业软件。应理解，每个光线网格内光线线段的数据可以根据实际需求选择和设置，例如，可以记录当前光线线段的长度、当前光线线段所属的网格、当前光线线段出射的表面三角形、当前光线线段的物理参数如光强等，具体根据计算需求设定。例如，如果要求解粒子数翻转方程，那么记录的信息可以为粒子数翻转密度。此时，光线r由一段光线线段序列rk(k＝1,2,...,k)代替，k为光线线段的数量。由于光线网格的存在，使得整个激光动力学求解问题可以在光线网格上实现。而光线网格中，而且影响i点局域场的光线网格必然是cid等于i的光线网格。此外，光线传播问题也可以在光线网格上直接求解，原本需要在有限元网格上的局域场求解和在光线上的光放大过程都可以统一在光线网格上求解。其中，i为在建立四面体有限元网格时记录的网格序号，cid为与光线相交的四面体网格的id。本实施例通过引入四面体网格，用于描述异形介质的增益计算问题，然后创造光线网格，以记录光线追迹的数据，拓展光学放大过程的计算应用场景，解决了现有求解方法只能用于立方体构型介质的问题，将激光传播过程统一在光线网格内，省却了反复更换网格的繁琐过程，使得采用四面体网格求解激光动力学问题成为可能，并且由于采用了四面体网格研究激光动力学过程，整个研究对象不再局限于规则形状的物体，还可以完整描述光线在介质表面的物理过程。即使是曲面，由于不均匀网格可以调整颗粒度以满足不同曲率的表面，因此整个表面的光学过程可以更完美的由计算机仿真。可选地，在一些可能的实施方式中，根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息，具体包括：根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的id和每个表面单元的id。具体地，可以建立vec_cell和vec_triangle，vec_cell记录该四面体的顺序顶点坐标，从而等于记录了他的四个表面三角形顶点序号，vec_triangle记录三角形的顶点序号。应理解，vec_triangle只记录不同的表面三角形，即共用顶点的表面三角形只记录一次，防止重复记录。在记录了vec_cell和vec_triangle后，就可以根据四面体的顺序顶点坐标确定四面体的id，根据表面三角形顶点序号确定表面三角形的id，下面给出具体实例。如图4所示，网格i的四个顶点按顺序记录为i1，i2，i3，i4，那么对应顶点的表面三角形分别命名为s1，s2，s3，s4，以s1为例，其对面的顶点为i1，组成s1的3个顶点分别为i2，i3，i4，那么对全部的表面三角形进行记录后，得到的数据如表1所示。表1表面三角形编号表面三角形对应顶点顺序s1i2,i4,i3s2i1,i3,i4s3i1,i4,i2s4i1,i2,i3应理解，顶点顺序可以按照预设规则记录，例如，可以按照左手定则进行记录，这样可以对顶点顺序使用左手定则，从而便于每个表面三角形的法线矢量方向，以便后续计算。例如，按照左手定则，顺着i2，i4和i3的方向，可以得出表面三角形s1的方向指向顶点i1。按以上方法记录全部网格，只需要4n*8个字节，n为体单元数量，能够减少记录重复的三角形。需要说明的是，可以通过光线追迹获得通量，再以此为依据确定光线与有限元表面单元的交叉，从而获得表面单元的序号，但是，却无法获得该段光线所处的体单元序号，因此，通过记录每个体单元的id和每个表面单元的id，能够便于确定每段光线所处的体单元序号。可选地，在一些可能的实施方式中，根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息之后，还包括：以表面单元的id为键，以体单元的id为值，根据表面单元与体单元的从属关系建立红黑树，红黑树用于根据表面单元的id查找所属的体单元的id。需要说明的是，可以通过光线追迹获得通量，再以此为依据确定光线与有限元表面单元的交叉，从而获得表面单元的序号，但是，却无法获得该段光线所处的体单元序号，而通过引入红黑树，可以解决这一问题。红黑树是一种自平衡二叉查找树，是在计算机科学中用到的一种数据结构，典型的用途是实现关联数组。例如，假设规定大于节点键值在右，小于节点键值在左，那么如图3所示，提供了一种示例性的红黑树结构。以第一个节点为例，其键为s4，值为c1，表明序号为s4的表面单元，其属于序号为c1的体单元；以左子树的第一个节点为例，其键为s2，值为c2和c3，表明序号为s2的表面单元，其属于序号为c2的体单元或属于序号为c3的体单元。需要说明的，通过红黑树查找体单元序号，不仅成功的使得光线网格方法成为可能，并且整体效果使得内存消耗减少，算法复杂度由o(n)降低到o(logn)。以计算千万网格为例，现有方法方法查询一次耗时约1秒左右，本发明提供的方法只要几微秒即可完成，速度提高了10万倍。因为本发明建立红黑树的操作需要占用最多3k*8+2s*8字节，在网格数很大的时候，k≈n/2。其中，k为全部不重复的表面单元数量，n为体单元数量，s是光线穿过的表面单元数量，一般有s～n^(2/3)。即使往高估计，整个建立红黑树的操作消耗内存也只有3n*8字节。结合前面建立网格的内存消耗，整个方案消耗内存7n*8字节。也小于原技术方案的9n*8字节。以四面体网格为例，显然本方案能够减少记录重复的三角形，重复的三角形定义为顶点相同，顺序不同，即按右手法则获得的三角形法线矢量方向完全相反的两个三角形，节省了内存。可选地，在一些可能的实施方式中，根据顺序信息确定每个光线网格内光线线段的数据，具体包括：对光线进行追迹，根据追迹结果确定光线穿过的表面单元的id；以表面单元的id为键，从红黑树中查找与键对应的值，根据与键对应的值确定光线穿过的体单元的id；根据光线穿过的体单元的id确定每个光线网格内用于求解激光动力学问题的物理参数。具体地，可以通过以下方式进行追迹。对穿过目标物的光线进行追迹，确定光线的通量，根据通量求解光线的速率方程，得到用通量描述的场函数，根据场函数确定光线与表面单元的交叉点，根据交叉点确定光线穿过的表面单元的id。例如，场函数可以为粒子数反转的标量场，确定场函数后，可以使用aabbtree算法快速获得光线与有限元表面单元的交叉，从而获得表面单元的序号，即表面单元的id。通过确定光线的场函数，能够快速获得光线穿过的表面单元的序号，具有查找速度快的优点。可选地，在一些可能的实施方式中，根据以下公式求解激光动力学问题：其中，f()为激光动力学函数，r(k)为光线线段的序列，k＝1,2,.…..,k，k为目标物内光线线段的数量，cid为每个光线网格的id，i为体单元的序号，u(i)为以体单元序号i顺序记录的每个体单元内的变量。应理解，f()可以为任何激光动力学函数，常用的如粒子数翻转函数，通常，这是一个迭代求解的过程，因为场函数u(i)也会影响光线的功率。下面结合上述公式给出具体示例。例如，在激光放大过程中，常取u(i)为粒子数翻转密度n2，粒子数翻转与泵浦光强ip、信号光强il的关系如下式所示。其中，是介质在泵浦光波长的吸收截面，是介质在泵浦光波长的发射截面，是介质在信号波长的吸收截面，是介质在信号波长的发射截面。τf是上能级寿命。h是普朗克常数，vp是泵浦光的频率，vl是信号光的频率。ntot是离子掺杂浓度。在光线网格计算中，上式化简后写为：其中，rk为光线线段的序列，δpp/δv＝αip是泵浦功率吸收密度，是泵浦吸收系数。δpl/δv＝gil是信号功率提取密度，是饱和增益。由于光线网格的存在，使得整个激光动力学求解问题可以在光线网格上实现。而光线网格中，而且影响i点局域场的光线网格必然是cid等于i的光线网格，从而能够使原本需要在有限元网格上的局域场求解和在光线上的光放大过程都可以统一在光线网格上求解。可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。如图5所示，为本发明激光动力学求解系统的实施例提供的结构框架示意图，该激光动力学求解方法基于光线网格实现，适用于不规则形状物体的激光动力学求解，包括：第一网格建立单元1，用于根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的顺序信息；第二网格建立单元2，用于根据光线在目标物中穿过的轨迹确定光线网格，根据顺序信息确定每个光线网格内光线线段的数据；计算单元3，用于根据每个光线网格内光线线段的数据求解激光动力学问题。本实施例通过引入四面体网格，用于描述异形介质的增益计算问题，然后创造光线网格，以记录光线追迹的数据，拓展光学放大过程的计算应用场景，解决了现有求解方法只能用于立方体构型介质的问题，将激光传播过程统一在光线网格内，省却了反复更换网格的繁琐过程，使得采用四面体网格求解激光动力学问题成为可能，并且由于采用了四面体网格研究激光动力学过程，整个研究对象不再局限于规则形状的物体，还可以完整描述光线在介质表面的物理过程。即使是曲面，由于不均匀网格可以调整颗粒度以满足不同曲率的表面，因此整个表面的光学过程可以更完美的由计算机仿真。可选地，在一些可能的实施方式中，第一网格建立单元1具体用于根据有限元分析算法对目标物进行网格剖分，建立四面体网格列表，记录每个体单元的id和每个表面单元的id。可选地，在一些可能的实施方式中，还包括：建模单元，用于以表面单元的id为键，以体单元的id为值，根据表面单元与体单元的从属关系建立红黑树，红黑树用于根据表面单元的id查找所属的体单元的id。可选地，在一些可能的实施方式中，第二网格建立单元2具体用于对光线进行追迹，根据追迹结果确定光线穿过的表面单元的id；以表面单元的id为键，从红黑树中查找与键对应的值，根据与键对应的值确定光线穿过的体单元的id；根据光线穿过的体单元的id确定每个光线网格内用于求解激光动力学问题的物理参数。可选地，在一些可能的实施方式中，计算单元3具体用于根据以下公式求解激光动力学问题：其中，f()为激光动力学函数，r(k)为光线线段的序列，k＝1,2,.…..,k，k为目标物内光线线段的数量，cid为每个光线网格的id，i为体单元的序号，u(i)为以体单元序号i顺序记录的每个体单元内的变量。可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。需要说明的是，上述各实施方式是与在先方法实施例对应的产品实施例，对于产品实施方式的说明可以参考上述各方法实施方式中的对应说明，在此不再赘述。读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。当前第1页12