基于DDA的目标电磁散射及GPU加速研究

摘要

基于会聚激光束所产生的力学效应，光镊可以对微纳粒子进行操控。关于光束的力学效应研究，必须涉及到任意形状粒子与光束的相互作用。离散偶极子近似（DDA）可以用于任意形状粒子对任意波束的电磁（光）散射研究。基于此，DDA可以用于研究光束对非规则粒子的力学效应，有助于光镊技术的发展，以及新的力学效应的发现和新的光镊技术的开发。在DDA的发展过程中始终存在计算速度慢、内存消耗高等突出问题，阻碍了DDA的推广与应用。采用GPU并行计算架构可以加速DDA中算法的计算速度，增加DDA的计算能力。本文利用GPU对DDA进行了加速，研究了粒子对波束（平面波、高斯波束和矢量贝塞尔波束）的散射，以及波束对粒子的力学效应。本文的主要研究工作如下：
　　1.矩矢相乘是DDA中的主要运算操作，决定着整个方法的用时与内存消耗。本文将GPU与开源软件ADDA有机结合，实现了对DDA的加速。首先验证了基于GPU的并行程序与串行程序的结果一致性，然后讨论了随着偶极子个数不断增加的情况下，串、并行的加速比。数值结果表明，在偶极子个数达到1,099,136个时，基于CPU串行的计算时间大约是基于GPU并行的75倍。
　　2.分别计算了平面波、高斯波束以及矢量贝塞尔波束入射下球形粒子入射场、近场和内场分布以及波束对粒子的辐射力。在计算电场分布时，分别讨论了不同波束中心、束腰半径高斯波束，以及不同阶数、波束中心与半锥角矢量贝塞尔波束入射下球形粒子近场及内场分布。同时也对非均匀粒子进行了仿真，讨论了不同波束中心高斯波束，以及不同阶数矢量贝塞尔波束照射下空壳粒子的电场分布。辐射力的计算分为两种情形，平面波与高斯波束入射时，讨论的是每个偶极子位置处的辐射力，而在矢量贝塞尔波束入射情况下讨论的是整个散射体受到的辐射力。利用广义米理论（GLMT）分别计算了高斯波束与矢量贝塞尔波束入射下球形粒子的内场与近场分布并利用Debye级数讨论了单次散射对整个散射过程的贡献。数值结果表明，不同的Debye阶数可以保存不同的光线而过滤掉其余光线。当p=1时，在球内经过一次折射的光线得以保留；p=2时，在球内经过两次折射的光线没有被过滤掉。
　　3.利用DDA计算了不同波束对不同形状粒子的力学效应。本文选取了三种形状粒子（球形、椭球粒子与长方体粒子），计算了在矢量贝塞尔波束照射下作用在三种粒子上的辐射力分布。数值结果表明，不同形状的粒子在矢量贝塞尔波束场中辐射力分布与粒子的形状相关。作用在球形粒子的辐射力呈现同心圆分布；作用在椭球型粒子的辐射力分布呈椭圆分布；作用在长方体粒子上的辐射力呈矩形分布。

目录

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插图索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.2 离散偶极子近似的研究现状

1.3 基于GPU加速的目标散射研究现状

1.4 本文的主要内容

1.5 本章小结

第二章 电磁散射基本理论介绍

2.2 LMT理论与GLMT理论

2.3 几何光学模型

2.4 数值方法

2.5 本章小结

第三章 串行模式下的DDA

3.1 离散偶极子近似

3.2 计算结果与讨论

3.3 与精确解的对比

3.4 本章小结

第四章 并行模式下的DDA

4.1 GPU并行计算简介

4.2 离散傅里叶变换与共轭梯度算法

4.3 数值结果与分析

4.4 本章小结

第五章 波束照射下非球形粒子的电场分布及力学效应

5.1 不同形状的粒子

5.2 本章小结

第六章 总结与展望

6.2 创新点

附录A 矢量贝塞尔波束电场表达式

附录B 矢量贝塞尔波束波形系数

附录C ADDA环境配置

参考文献

致谢

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