CN115688398A - 基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置，包括：在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。本发明结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

Description

基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域，具体而言，涉及一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置。

背景技术

随着光学系统指标需求的提高，光学系统外部杂散光仿真和分析也被广泛的应用在各类高像质、高杂散抑制比的光学系统当中。光学系统外部杂散光仿真和分析主要通过非序列光线追迹技术，将杂散光转化为带有方向、能量的光线，追迹所有外部杂散光光线，并在像面处进行统计最后得到杂散光的路径和结果。

目前，传统的非序列光线追迹技术较多针对的是以图形渲染为目的的光线追迹技术，以几何光学作为计算模型，且现有的非序列光线追迹直接遍历所有光线从而完成光源到接收器的计算。以渲染方程为核心的技术以视觉效果和逼真程度为主要目的，不适用于高精度、高效分析光学系统杂散光。传统的非序列光线遍历追迹方法在速度上和分析能力上，受到遍历法的影响，每条光线均需追迹完成才能进行下一条光线追迹。因此，存在着追迹过程不能打断，追迹结果来源不易分析，追迹速度收到光线数量和能量阈值影响大的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置，以至少解决现有方法光线追迹的速度低和结果准确度低的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，包括以下步骤：

在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

进一步地，在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法包括：

在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真。

进一步地，在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真包括：

获取光线初始信息：从光源发出的光线起始坐标(x₀,y₀,z₀)、方向向量(l₀,m₀,n₀)、光线携带能量E₀、波长λ；

确定光线交点：找到与光线相交的第一个表面，若无交点，则此条光线停止追迹，若存在交点时，确定交点坐标(x₁,y₁,z₁)、法线方向向量(l_n1,m_n1,n_n1)，并获取该表面的光学属性；

出射光线方向：光线传递方向的空间分布有镜面反射、折射、散射；若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向及能量；若光学表面为镜面散射，通过双向反射分布函数BRDF分配出射方向与能量；

通过上述过程，完成一个表面的一次光线追迹，新生成的光线交点(x₁,y₁,z₁)、方向向量(l₁,m₁,n₁)、光线携带能量E₁即为下一步追迹的起始条件；在光线追迹过程中，每条光线均有上述计算过程组成。

进一步地，在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真还包括：

光线截止：光线追迹的终止条件为光线到达预设像面；光线能量小于阈值。

进一步地，在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法包括：

在温度非均匀的光学系统红外自身辐射仿真过程中，首先确定非均匀分布温度表面，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真。

进一步地，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真包括：

网格划分：将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元；

微面元的辐射照度计算：取微元面内温度T_i和该元件的比辐射率ε，根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度；

能束发射点模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发射点的坐标(x_i,y_i,z_i)；

能束发射方向模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发方向的俯仰角θ_i及方位角

辐射传输能量计算：利用能量传导理论计算发射微元面到接收微元面的光通量dφ_c；

通过上述过程，完成一个微元面到另一个微元面的辐射计算，通过逐次计算微元面的辐射传递因子B_ij、能束发射点交点(x_i,y_i,z_i)、能束发射方向

最终通过计算得到各微元面到达探测器微元面的辐射传递因子B_ij进而计算得到温度梯度元件的辐照度。

进一步地，将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元过程中，其温度、热通量、热通量在单位微元内是均匀的。

进一步地，在使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程中采用异构并行GPU加速处理方法。

进一步地，异构并行GPU加速处理方法计算过程包括：

采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算；

将均匀温度场下的光线追迹与非均匀温度场下的热辐射计算任务分解，独立分配计算单元，构造适于GPU并行处理的指令集。

本发明的另一实施例，提供了一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，包括：

传统光线追迹单元，用于在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

辐射传输追迹单元，用于在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法的程序文件。

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法。

本发明实施例中的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法及装置，结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统的光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，相对于传统杂散光分析方法，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法的流程图；

图2为本发明基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法整体流程图；

图3为本发明中双向反射分布函数BSDF描述图；

图4为本发明中能量传导过程图；

图5为本发明基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置的模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，参见图1，包括以下步骤：

S101:在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

S102:在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

本发明实施例中的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统的光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，相对于传统杂散光分析方法，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

其中，在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法包括：

在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真。

其中，在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真包括：

获取光线初始信息：从光源发出的光线起始坐标(x₀,y₀,z₀)、方向向量(l₀,m₀,n₀)、光线携带能量E₀、波长λ；

确定光线交点：找到与光线相交的第一个表面，若无交点，则此条光线停止追迹，若存在交点时，确定交点坐标(x₁,y₁,z₁)、法线方向向量(l_n1,m_n1,n_n1)，并获取该表面的光学属性；

出射光线方向：光线传递方向的空间分布有镜面反射、折射、散射；若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向及能量；若光学表面为镜面散射，通过双向反射分布函数BRDF分配出射方向与能量；

通过上述过程，完成一个表面的一次光线追迹，新生成的光线交点(x₁,y₁,z₁)、方向向量(l₁,m₁,n₁)、光线携带能量E₁即为下一步追迹的起始条件；在光线追迹过程中，每条光线均有上述计算过程组成。

其中，在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真还包括：

光线截止：光线追迹的终止条件为光线到达预设像面；光线能量小于阈值。

其中，在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法包括：

在温度非均匀的光学系统红外自身辐射仿真过程中，首先确定非均匀分布温度表面，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真。

其中，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真包括：

网格划分：将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元；

微面元的辐射照度计算：取微元面内温度T_i和该元件的比辐射率ε，根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度；

能束发射点模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发射点的坐标(x_i,y_i,z_i)；

能束发射方向模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发方向的俯仰角θ_i及方位角

辐射传输能量计算：利用能量传导理论计算发射微元面到接收微元面的光通量dφ_c；

通过上述过程，完成一个微元面到另一个微元面的辐射计算，通过逐次计算微元面的辐射传递因子B_ij、能束发射点交点(x_i,y_i,z_i)、能束发射方向

最终通过计算得到各微元面到达探测器微元面的辐射传递因子B_ij进而计算得到温度梯度元件的辐照度。

其中，将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元过程中，其温度、热通量、热通量在单位微元内是均匀的。

其中，在使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程中采用异构并行GPU加速处理方法。

其中，异构并行GPU加速处理方法计算过程包括：

采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算；

将均匀温度场下的光线追迹与非均匀温度场下的热辐射计算任务分解，独立分配计算单元，构造适于GPU并行处理的指令集。

下面以具体实施例，对本发明的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法进行详细说明：

基于目前应用的光线交互式杂散辐射分析技术，每次追迹的表面均为一个整体，没有考虑实际应用中的温度不均匀性及系统应用中的热传递效应，从而影响仿真的准确度。本发明提出一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统的光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，相对于传统杂散光分析方法，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

本发明中，传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立，适用于异构并行加速算法，结合GPU对节点任务分配，光线追迹的速度和结果的准确度将大范围提升。

本实施例公开的一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其整体流程如图2所示。在温度非均匀的光学系统红外自身辐射仿真过程中，首先确定非均匀分布温度表面，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法，其余表面采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法。仿真过程中，两种方式共同使用且相互独立，计算过程中利用异构并行GPU处理方法提高仿真效率。

(1)杂散光光线追迹蒙特卡罗方法

获取光线初始信息：从光源发出的光线起始坐标(x₀,y₀,z₀)、方向向量(l₀,m₀,n₀)、光线携带能量E₀、波长λ。

确定光线交点：用网格化处理方法将光学系统结构模型进行空间均匀分割，利用空间包围盒方法进行递归，直至达到最大递归深度，完成布尔运算求交。通过不断缩小子空间，找到与光线相交的第一个表面，若无交点，则此条光线停止追迹，若存在交点时，确定交点坐标(x₁,y₁,z₁)、法线方向向量(l_n1,m_n1,n_n1)，并获取该表面的光学属性。

出射光线方向：光线传递方向的空间分布有镜面反射、折射、散射几种情况。若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向及能量。若光学表面为散射属性，通过双向反射分布函数BRDF分配出射方向与能量。若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向，反射公式和折射公式如下：

θ_r＝θ_i

其中，入射光线入射角为θ_i，出射光线夹角为θ_r，n₁、n₂分别为介质两边的透过率。

光滑表面上的能量分布遵循能量守恒定律，即反射率R、透射率T与介质表面吸收率A之和为1。

R+T+A＝1

则反射及折射光线能量分别为：

若光学表面为散射属性，表面的各向异性反射特性由双向反射分布函数BRDF描述，如图3所示，BRDF的函数表达形式如下公式：

当光线到达散射表面时，利用蒙特卡洛方法随机生成光线的方向向量，并根据BRDF和总累积散射TIS分配相应光线能量值，例如朗伯散射中，BRDF如下：

通过上述过程，可完成一个表面的一次光线追迹，新生成的光线交点(x₁,y₁,z₁)、方向向量(l₁,m₁,n₁)、光线携带能量E₁即为下一步追迹的起始条件。在光线追迹过程中，每条光线均有上述计算过程组成。

光线截止：光线追迹的终止条件如下：

光线到达预设像面；

光线能量小于一定的阈值，则光线追迹终止。

(2)基于辐射传输模型的蒙特卡罗方法

网格划分：将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元，认为温度、热通量或热通量在单位微元内是均匀的。

微面元的辐射照度计算：取微元面内温度T_i和该元件的比辐射率ε，根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度。根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度公式如下：

能束发射点模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发射点，以直角坐标系下的三维矩形为例，能束发射点的坐标可用均匀投点法产生。令[x_min,x_max]、[y_min,y_max]、[z_min,z_max]分别为该能束在x方向、Y方向、z方向的取值范围，R_x、R_y为[[0，1]区间内均匀分布的随机数，则发射点的坐标(x_i,y_i,z_i)。分别为：

x_i＝R_x(x_max-x_min)+x_min

y_i＝R_y(y_max-y_min)+y_min

z_i＝f(x_i,y_i)

能束发射方向模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发方向，对于各向异性发射面元，在发射坐标系内，能束发射方向的俯仰角θ及方位角

分别为：

对于各向同性发射体元，能束发射方向的天顶角及周向角分别为：

式中R_θ、

分别为俯仰角θ和方位角

的均匀分布随机数。

辐射传输能量计算：利用能量传导理论计算发射微元面到接收微元面的光通量dφ_c。

光机系统中的辐射传输过程符合能量传导理论，在同一介质中的辐射在两个微元面之间的传播如图4所示，公式如下：

式中，dφ_c为接收微元面的光通量，L_S为发射微元面的光照度，dA_s为发射微元面的面积，dA_c为接收微元面的面积，θ_c和θ_s为接收微元面和发射微元面连线与各自法线的夹角，R为接收微元面和发射微元面中心连线的长度。

由于L_S＝BRDF·E_S，则：

通过上述过程，可完成一个微元面到另一个微元面的辐射计算，通过逐次计算微元面的辐射传递因子B_ij、能束发射点交点(x_i,y_i,z_i)、能束发射方向

最终通过计算得到各微元面到达探测器微元面的辐射传递因子B_ij进而计算得到温度梯度元件的辐照度，计算公式如下:

(3)异构并行GPU加速计算过程如下：

由于面元数据和光线数据之间在计算时都相互独立，不同数据处理过程间不需要进行数据交互，彼此互不干扰，耦合度极低，与GPU平台的并行数据处理能力相匹配，因此追迹过程可以并行计算。此类计算属于密集型指令计算，因此，采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算。将均匀温度场下的光线追迹与非均匀温度场下的热辐射计算任务分解，独立分配计算单元，构造适于GPU并行处理的指令集。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

(1)仿真精度高

相对传统杂散辐射仿真方法，本发明通过区分光学系统中的均匀温度元件和非均匀温度元件，均匀温度元件采用光线追迹仿真方法，非均匀温度元件采用热辐射分析方法。相较于传统仿真方法，可以实现温度梯度元件的设置和仿真，计算结果更趋近于实际情况，仿真精度从原理上得到了提高。

(2)计算速度快

本发明将仿真过程离散化，分为逐个面元计算和光线计算的子过程，每个单元计算过程相对独立，藕合度极低，与GPU平台的并行数据处理能力相匹配，采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算，与传统杂散辐射仿真方法相比，极大提升了计算效率。

本发明产品已经过仿真验证，效果好，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

实施例2

根据本发明的另一实施例，提供了一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，参见图5，包括：

传统光线追迹单元201，用于在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

辐射传输追迹单元202，用于在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

本发明实施例中的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统的光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，相对于传统杂散光分析方法，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

下面以具体实施例，对本发明的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置进行详细说明：

基于目前应用的光线交互式杂散辐射分析技术，每次追迹的表面均为一个整体，没有考虑实际应用中的温度不均匀性及系统应用中的热传递效应，从而影响仿真的准确度。本发明提出一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，结合传统的非序列光线追迹方法，将热辐射传输过程与杂散光分析过程结合，在均匀温度场的元件范围内采用传统的光线追迹方法，在非均匀温度场内引入辐射传递因子，采用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程，相对于传统杂散光分析方法，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

本发明中，传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立，适用于异构并行加速算法，结合GPU对节点任务分配，光线追迹的速度和结果的准确度将大范围提升。

本实施例公开的一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，其整体流程如图2所示。在温度非均匀的光学系统红外自身辐射仿真过程中，首先确定非均匀分布温度表面，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法，其余表面采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法。仿真过程中，两种方式共同使用且相互独立，计算过程中利用异构并行GPU处理方法提高仿真效率。

(1)杂散光光线追迹蒙特卡罗方法

获取光线初始信息：从光源发出的光线起始坐标(x₀,y₀,z₀)、方向向量(l₀,m₀,n₀)、光线携带能量E₀、波长λ。

确定光线交点：用网格化处理方法将光学系统结构模型进行空间均匀分割，利用空间包围盒方法进行递归，直至达到最大递归深度，完成布尔运算求交。通过不断缩小子空间，找到与光线相交的第一个表面，若无交点，则此条光线停止追迹，若存在交点时，确定交点坐标(x₁,y₁,z₁)、法线方向向量(l_n1,m_n1,n_n1)，并获取该表面的光学属性。

出射光线方向：光线传递方向的空间分布有镜面反射、折射、散射几种情况。若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向及能量。若光学表面为散射属性，通过双向反射分布函数BRDF分配出射方向与能量。若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向，反射公式和折射公式如下：

θ_r＝θ_i

其中，入射光线入射角为θ_i，出射光线夹角为θ_r，n₁、n₂分别为介质两边的透过率。

光滑表面上的能量分布遵循能量守恒定律，即反射率R、透射率T与介质表面吸收率A之和为1。

R+T+A＝1

则反射及折射光线能量分别为：

若光学表面为散射属性，表面的各向异性反射特性由双向反射分布函数BRDF描述，如图3所示，BRDF的函数表达形式如下公式：

当光线到达散射表面时，利用蒙特卡洛方法随机生成光线的方向向量，并根据BRDF和总累积散射TIS分配相应光线能量值，例如朗伯散射中，BRDF如下：

通过上述过程，可完成一个表面的一次光线追迹，新生成的光线交点(x₁,y₁,z₁)、方向向量(l₁,m₁,n₁)、光线携带能量E₁即为下一步追迹的起始条件。在光线追迹过程中，每条光线均有上述计算过程组成。

光线截止：光线追迹的终止条件如下：

光线到达预设像面；

光线能量小于一定的阈值，则光线追迹终止。

(2)基于辐射传输模型的蒙特卡罗方法

网格划分：将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元，认为温度、热通量或热通量在单位微元内是均匀的。

微面元的辐射照度计算：取微元面内温度T_i和该元件的比辐射率ε，根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度。根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度公式如下：

能束发射点模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发射点，以直角坐标系下的三维矩形为例，能束发射点的坐标可用均匀投点法产生。令[x_min,x_max]、[y_min,y_max]、[z_min,z_max]分别为该能束在x方向、Y方向、z方向的取值范围，R_x、R_y为[[0，1]区间内均匀分布的随机数，则发射点的坐标(x_i,y_i,z_i)。分别为：

x_i＝R_x(x_max-x_min)+x_min

y_i＝R_y(y_max-y_min)+y_min

z_i＝f(x_i,y_i)

能束发射方向模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发方向，对于各向异性发射面元，在发射坐标系内，能束发射方向的俯仰角θ及方位角

分别为：

对于各向同性发射体元，能束发射方向的天顶角及周向角分别为：

式中R_θ、

分别为俯仰角θ和方位角

的均匀分布随机数。

辐射传输能量计算：利用能量传导理论计算发射微元面到接收微元面的光通量dφ_c。

光机系统中的辐射传输过程符合能量传导理论，在同一介质中的辐射在两个微元面之间的传播如图4所示，公式如下：

式中，dφ_c为接收微元面的光通量，L_S为发射微元面的光照度，dA_s为发射微元面的面积，dA_c为接收微元面的面积，θ_c和θ_s为接收微元面和发射微元面连线与各自法线的夹角，R为接收微元面和发射微元面中心连线的长度。

由于L_S＝BRDF·E_S，则：

通过上述过程，可完成一个微元面到另一个微元面的辐射计算，通过逐次计算微元面的辐射传递因子B_ij、能束发射点交点(x_i,y_i,z_i)、能束发射方向

最终通过计算得到各微元面到达探测器微元面的辐射传递因子B_ij进而计算得到温度梯度元件的辐照度，计算公式如下:

(3)异构并行GPU加速计算过程如下：

由于面元数据和光线数据之间在计算时都相互独立，不同数据处理过程间不需要进行数据交互，彼此互不干扰，耦合度极低，与GPU平台的并行数据处理能力相匹配，因此追迹过程可以并行计算。此类计算属于密集型指令计算，因此，采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算。将均匀温度场下的光线追迹与非均匀温度场下的热辐射计算任务分解，独立分配计算单元，构造适于GPU并行处理的指令集。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

(1)仿真精度高

相对传统杂散辐射仿真方法，本发明通过区分光学系统中的均匀温度元件和非均匀温度元件，均匀温度元件采用光线追迹仿真方法，非均匀温度元件采用热辐射分析方法。相较于传统仿真方法，可以实现温度梯度元件的设置和仿真，计算结果更趋近于实际情况，仿真精度从原理上得到了提高。

(2)计算速度快

本发明将仿真过程离散化，分为逐个面元计算和光线计算的子过程，每个单元计算过程相对独立，藕合度极低，与GPU平台的并行数据处理能力相匹配，采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算，与传统杂散辐射仿真方法相比，极大提升了计算效率。

本发明产品已经过仿真验证，效果好，热辐射杂散光集成分析仿真结果具有实时性和直观性，适用于非均匀温度场及温度梯度系统的仿真应用。

实施例3

一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法的程序文件。

实施例4

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，包括以下步骤：

在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

2.根据权利要求1所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法包括：

在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真。

3.根据权利要求2所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真包括：

获取光线初始信息：从光源发出的光线起始坐标(x₀,y₀,z₀)、方向向量(l₀,m₀,n₀)、光线携带能量E₀、波长λ；

确定光线交点：找到与光线相交的第一个表面，若无交点，则此条光线停止追迹，若存在交点时，确定交点坐标(x₁,y₁,z₁)、法线方向向量(l_n1,m_n1,n_n1)，并获取该表面的光学属性；

出射光线方向：光线传递方向的空间分布有镜面反射、折射、散射；若光学表面为镜面反射或折射，通过反射或折射公式计算光线的出射方向及能量；若光学表面为镜面散射，通过双向反射分布函数BRDF分配出射方向与能量；

通过上述过程，完成一个表面的一次光线追迹，新生成的光线交点(x₁,y₁,z₁)、方向向量(l₁,m₁,n₁)、光线携带能量E₁即为下一步追迹的起始条件；在光线追迹过程中，每条光线均有上述计算过程组成。

4.根据权利要求3所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述在均匀温度场的元件范围内采用杂散光光线追迹蒙特卡罗方法进行仿真还包括：

光线截止：光线追迹的终止条件为光线到达预设像面；光线能量小于阈值。

5.根据权利要求1所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法包括：

在温度非均匀的光学系统红外自身辐射仿真过程中，首先确定非均匀分布温度表面，在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真。

6.根据权利要求5所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述在非均匀温度分布表面采用热辐射传输的蒙特卡罗方法进行仿真包括：

网格划分：将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元；

微面元的辐射照度计算：取微元面内温度T_i和该元件的比辐射率ε，根据普朗克辐射定律计算得到该元件微元面在其使用波段上的辐射照度；

能束发射点模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发射点的坐标(x_i,y_i,z_i)；

能束发射方向模型：利用蒙特卡罗方法确定能束发方向的俯仰角θ_i及方位角

辐射传输能量计算：利用能量传导理论计算发射微元面到接收微元面的光通量dφ_c；

通过上述过程，完成一个微元面到另一个微元面的辐射计算，通过逐次计算微元面的辐射传递因子B_ij、能束发射点交点(x_i,y_i,z_i)、能束发射方向

最终通过计算得到各微元面到达探测器微元面的辐射传递因子B_ij进而计算得到温度梯度元件的辐照度。

7.根据权利要求6所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，将光学系统各元件进行网格划分，划分为微面元和微体元过程中，其温度、热通量、热通量在单位微元内是均匀的。

8.根据权利要求1所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，在使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程中采用异构并行GPU加速处理方法。

9.根据权利要求8所述的基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹方法，其特征在于，所述异构并行GPU加速处理方法计算过程包括：

采用GPU加速方法对算法进行优化，利用CUDA并行计算架构使GPU实现并行通用计算；

将均匀温度场下的光线追迹与非均匀温度场下的热辐射计算任务分解，独立分配计算单元，构造适于GPU并行处理的指令集。

10.一种基于辐射传输模型的杂散辐射光线追迹装置，其特征在于，包括：

传统光线追迹单元，用于在均匀温度场的元件范围内采用传统光线追迹方法；

辐射传输追迹单元，用于在非均匀温度场内采用辐射传输追迹方法，使用辐射传输模型计算微元面的能束传输过程；

其中传统光线追迹与辐射传输追迹过程独立，每条光线的追迹过程独立，每个微元面的能束传输过程独立。

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