PD法测量激光波前的GPU快速计算方法研究

论文摘要

激光波前是评价激光性能优劣的重要指标,同时与激光的传输、聚焦等特性密切相关,如何准确快速的测量激光波前是激光技术中一个非常重要的研究方向。在测量激光波前的众多方法中,相位差异法（Phase Diversity,PD法）具有系统结构简单、易于实现、成本低、对事后的图像处理不需要参考目标等优点,但是缺点是计算量大,运算耗时。本研究将GPU加速运用到PD法测量激光波前的计算过程中,利用GPU并行计算的优势对PD法测量激光波前进行加速。本文首先对PD法测量激光波前的原理进行分析,将PD法测量激光波前过程中构建的目标函数、梯度函数、L-BFGS最优化算法等环节进行并行化改造,使PD算法能够在GPU上并行处理;分析PD法测量激光波前的整个耗时情况,找出该过程中最为耗时的傅里叶变换、求和、矩阵相乘等环节,对这些环节具有针对性的GPU加速计算;结合光学原理对PD算法中点扩散函数的冗余计算进行剔除,提高算法的计算效率。最后进行PD法测量激光波前的GPU加速实验,构建硬件系统和软件系统,分别用CPU和CPU+GPU的方式计算不同光斑图像尺寸下的激光波前,并与BeamWave 500波前测量仪测得的数据进行比较,在保证测量结果有效的前提下比较加速效果。实验结果表明:GPU加速的PD法测量激光波前在测量效果方面与参考值接近,满足测量结果的有效性要求;对256×256像素大小的图像利用GPU加速的方式计算激光波前,测量时间保持在6秒之内,与CPU测量的速度进行比较,加速比达到53.7,加速效果明显,可以极大提高算法的运行效率。PD法测量激光波前的GPU快速计算方法研究对激光波前的快速准确测量具有重要意义。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PD法测量激光波前研究现状

1.2.2 GPU并行加速研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本论文的章节安排

第2章 PD法测量激光波前的方法研究

2.1 光学成像理论

2.1.1 激光成像系统模型

2.1.2 像差原理

2.1.3 Zernike多项式

2.2 PD法测量激光波前基本原理

2.3 非线性最优化算法

2.3.1 无约束优化问题

2.3.2 L-BFGS算法

2.3.3 Wolfe准则

2.4 PD法计算过程耗时分析

2.4.1 最耗时环节

2.4.2 最耗时计算单元

2.5 本章小结

第3章 PD算法并行化改造

3.1 GPU通用计算

3.2 CUDA计算平台

3.2.1 CUDA编程模型

3.2.2 CUDA存储器模型

3.3 L-BFGS算法并行化

3.3.1 近似广义柯西点

3.3.2 回溯线搜索方法

3.4 目标函数并行化改造

3.5 本章小结

第4章基于GPU的 PD算法并行实现与优化

4.1 数据传输

4.2 线程划分

4.3 基于GPU的傅里叶变换实现与优化

4.3.1 行方向一维傅里叶变换

4.3.2 列方向一维傅里叶变换

4.4 基于GPU的点扩散函数快速傅里叶变换

4.4.1 光瞳函数有效区域确定

4.4.2 点扩散函数能量区确定

4.4.3 点扩散函数傅里叶变换的冗余计算剔除

4.5 并行缩减求和

4.6 L-BFGS高维矩阵相乘的并行化

4.7 本章小结

第5章 PD法测量激光波前的GPU加速实验

5.1 总体设计方案

5.2 硬件系统组成

5.2.1 BeamWave500 激光波前测量仪

5.2.2 GPU型号选择

5.3 软件系统组成

5.4 基于 GPU 加速的激光波前测量实验

5.4.1 实验参数

5.4.2 实验平台搭建

5.4.3 图像采集

5.4.4 PD法计算激光波前

5.5 实验结果分析

5.5.1 基于GPU测量激光波前的效果比较

5.5.2 基于GPU加速的激光波前测量速度比较

5.6 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 白东阳

导师: 王晓曼,景文博

关键词: 激光波前,相位差异法,加速,并行计算,傅里叶变换

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 长春理工大学

分类号: TN24

总页数: 85

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