[发明专利]激光大气湍流传输的分布式计算机集群并行模拟方法

摘要

本发明涉及一种激光大气湍流传输的分布式计算机集群并行模拟方法，该方法使用基于稀疏谱模型的随机相位屏生成技术来产生随机相位屏的采样值；在模拟开始前，由控制结点计算机负责生成每个随机相位屏对应的随机复振幅集合和随机二维波失量集合，并把它们传送给各台模拟结点计算机；在模拟过程中，各台模拟结点计算机动态地向控制结点计算机申请模拟任务。该方法能用控制结点计算机把激光大气湍流传输的空时变化特性模拟任务动态地分配给各台模拟结点计算机，从而能够充分地利用分布式计算机集群的并行计算能力来缩短计算机数值模拟时间。

主权项

激光大气湍流传输的分布式计算机集群并行模拟方法，其特征在于：分布式计算机集群包含1台控制结点计算机、1台数据库服务器和Nw台模拟结点计算机；控制结点计算机、数据库服务器和所有模拟结点计算机通过网络交换机互联在一起；首先在控制结点计算机上，按照基于稀疏谱模型的随机相位屏生成方法，产生与传输路径上的每个相位屏相对应的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}，其中NS表示谱采样点数；然后控制结点计算机通过网络把与传输路径上的每个相位屏相对应的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}发送给所有模拟结点计算机；每台模拟结点计算机在没有模拟任务需要执行时便向控制结点计算机申请一个模拟任务，在获得批准后即开始执行模拟计算，执行完成后再通过网络把得到的接收平面光场样本保存到数据库服务器的数据库中；具体实现步骤如下：1)启动分布式计算机集群并设置模拟参数，具体步骤如下：启动分布式计算机集群的控制结点计算机、数据库服务器、所有模拟结点计算机和网络交换机，使它们处于工作状态；把用基于多随机相位屏的分步光束传输计算机数值模拟技术来模拟激光大气湍流传输所需的模拟参数PARAMS输入到控制结点计算机中；控制结点计算机通过网络把模拟参数PARAMS传送给分布式计算机集群的每台模拟结点计算机；分布式计算机集群的每台模拟结点计算机收到控制结点计算机发来的模拟参数PARAMS后，把模拟参数PARAMS保存在自己的存储器中；2)在控制结点计算机中产生传输路径上的每个随机相位屏对应的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}，并通过网络把它们传送给分布式计算机集群的每台模拟结点计算机，每台模拟结点计算机保存收到的数据，具体步骤如下：步骤Step201：在用基于多随机相位屏的分步光束传输计算机数值模拟技术来模拟激光大气湍流传输的过程中，需要在传输路径上放置Np个分离的随机相位屏；在控制结点计算机上，对于i＝1,2,…,Np，针对放置在传输路径上的Np个分离的随机相位屏中的第i个随机相位屏A001，做如下操作：按照基于稀疏谱模型的随机相位屏生成方法，根据输入到控制结点计算机中的模拟参数PARAMS，为随机相位屏A001产生与之对应的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}；通过网络把随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}发送给分布式计算机集群的每台模拟结点计算机；步骤Step202：对于i＝1,2,…,Np，分布式计算机集群的每台模拟结点计算机把收到的传输路径上的Np个分离的随机相位屏中的第i个随机相位屏A001对应的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}保存在自己的存储器中；3)控制结点计算机处理模拟结点计算机的任务请求，具体步骤如下：步骤Step301：令表示对z向上取整，T表示要模拟的时间长度，Δt表示时间采样步长；在控制结点计算机中创建一个计数器counter，设置计数器counter的初始值为Nsim，即令counter＝Nsim；步骤Step302：判断counter是否大于0，如果为否，则转步骤Step304；步骤Step303：控制结点计算机接收一个从模拟结点计算机发送来的任务请求B001；令当前模拟的时刻tsim＝(Nsim‑counter)×Δt；控制结点计算机通过网络把tsim作为数据发送给任务请求B001对应的模拟结点计算机；令counter＝counter‑1；转步骤Step302；步骤Step304：令counter＝Nw；步骤Step305：判断counter是否大于0，如果为否，则转步骤Step307；步骤Step306：控制结点计算机接收一个从模拟结点计算机发送来的任务请求B001；控制结点计算机通过网络向任务请求B001对应的模拟结点计算机发送终止模拟命令数据；令counter＝counter‑1；转步骤Step305；步骤Step307：控制结点计算机的模拟控制工作结束；4)分布式计算机集群的每台模拟结点计算机执行如下操作：步骤Step401：通过网络向控制结点计算机发出任务请求B001；步骤Step402：接收从控制结点计算机发送来数据C001；如果数据C001是终止模拟命令数据，则转步骤Step405；步骤Step403：对于i＝1,2,…,Np，针对放置在传输路径上的Np个分离的随机相位屏中的第i个随机相位屏A001，执行如下操作：步骤Step403‑1：根据保存在模拟结点计算机存储器中的模拟参数PARAMS，在随机相位屏A001所在平面上的一个矩形区域内按等间隔产生二维采样点阵C002，点阵C002的所有点构成采样点集合{rst|s＝1,2,…,Nrow，t＝1,2,…,Ncol}，s表示二维采样点在点阵C002中的行号，t表示二维采样点在点阵C002中的列号，Nrow表示点阵C002的行数，Ncol表示点阵C002的列数，rst＝(rstx,rsty)表示一个二维采样点坐标，其中rst的x坐标分量rstx＝(‑Ncol/2+t‑1)×δcol+tsim×V，rst的y坐标分量rsty＝(‑Nrow/2+s‑1)×δrow，δcol表示x坐标方向上的采样步长，δrow表示y坐标方向上的采样步长，V表示垂直于传输路径的风速，tsim为数据C001表示的当前模拟的时刻；步骤Step403‑2：根据随机相位屏A001对应的保存在模拟结点计算机存储器中的随机复振幅集合{an|n＝1,2,…,NS}和随机二维波失量集合{Kn|n＝1,2,…,NS}，计算采样点集合{rst|s＝1,2,…,Nrow，t＝1,2,…,Ncol}中的每个采样点对应的随机相位值集合就是在时刻tsim的随机相位屏A001的采样值，其在基于多随机相位屏的分步光束传输计算机数值模拟过程中被用来模拟传输路径上的大气湍流对激光传输的影响；步骤Step404：用基于多随机相位屏的分步光束传输计算机数值模拟技术来模拟激光大气湍流传输，并得到传输到达接收平面的光场样本C003，其中传输路径上的各个随机相位屏的采样值由步骤Step403‑2计算得到；把时刻tsim和光场样本C003组合成一条数据库记录C004，记录C004包含时间字段和光场样本字段，记录C004的时间字段的值为tsim的值，记录C004的光场样本字段的值为光场样本C003的值；模拟结点计算机通过网络把记录C004添加到数据库服务器的数据库中；转步骤Step401；步骤Step405：模拟结点计算机的模拟工作结束；首先执行第1)部分的操作，然后执行第2)部分的操作，接着同时开始执行第3)和第4)部分的操作，即第3)和第4)部分的操作是并行执行的。