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基于GPU的实时部分相干光并行生成算法研究

宋卢军  
【摘要】:无线激光通讯中,高相干性的激光光束更容易受大气的影响,降低了通讯系统的性能。最新理论与实验研究表明部分相干光束受湍流影响较小。针对利用液晶空间光调制器(LC SLM)实时、便捷生成部分相干光,采用了一种基于GPU并行加速的方法,全文主要包括四个部分。第一部分主要分析了CUDA架构GPU的硬件设计架构、存储器组织模型、线程结构、软件体系架构以及编程模型。第二部分引入部分相干光的基本概念,并从空间-时间域和空间-频率域内对一般部分相干的理论进行研究。介绍了分别采用毛玻璃和液晶空间光调制器实验生成部分相干光的原理。第三部分液晶空间光调制器法中生成特定相干度的相位掩膜时需进行二维卷积运算。本文研究了卷积在CUDA平台上并行优化实现,即基于共享内存的分离卷积计算方式与基于CUFFT库的卷积计算方式。为比较GPU并行优化后的性能,在CPU上同样实现两种算法,实验结果表明:基于FFT的卷积计算在GPU加速后性能可提升30至45倍,而可分离卷积并行优化后的性能可提升12至24倍。第四部分搭建实时生成部分相干光与相干长度检测实验装置,验证生成部分相干光满足实时性与相干长度准确性的要求。实验结果表明:针对256×256像素的LC SLM,生成相干长度为0.15mm、0.9mm以及1.5mm的相位屏,GPU所用时间分别为0.95ms、2.2ms以及2.8ms;考虑CPU读取、发送数据及液晶响应的时间,采用GPU并行加速的部分相干光实时生成方法的频率可达150Hz。生成相干长度为0.15mm和1.5mm部分相干光束,光束相干度均方根误差分别为0.022011和0.020883,峰谷值分别为0.074325和0.072998。所以该方法满足实时性与准确生成定相干长度要求。


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