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高功率激光驱动器的仿真模拟研究

黄新明

  激光聚变研究是国际性的大科学项目之一,关系到一个国家的国防和能源战略。世界各主要国家都在这一项目上投入了大量的资金和人力。以美国为例,在进行这一课题研究的三十多年的时间里,已投入几百亿美元的资金,人力资源更是庞大。美国计划花11亿美元建造一个名为国家点火装置(NIF)的192路大型高功率激光装置。激光聚变的基本理论原理是由中国的王淦昌院士于1964年最先提出的,中国在这一领域的研究水平也是国际领先的。目前我国正在投资30亿元人民币实施“神光Ⅲ”计划,同时也开展了对高功率激光驱动器的仿真模拟的研究。本课题就是在这一课题上的研究成果之一。对于这一课题的重要性,我们可以看看美国专家的态度。美国对高功率激光驱动器的研究已经进行了十几年,平均每年投入的资金达八百多万美元,在2000年对这一课题进行总结时,得出一个结论:投入的钱太少。本课题是国家863课题子课题,编号为863—416—1.2。本课题的研究目的就是要运用科学可视化技术、仿真技术和虚拟现实技术在在计算机平台上验证和修正理论原型,并且可以在计算机平台上进行人员培训,进行部分替代行试验,从而可以节省大量资金和时间。本课题的研究分为三个步骤:科学可视化、系统总体设计的动态模拟和虚拟现实。科学可视化运用可视化技术在三维数据场上显示科学计算结果,包括逻辑布局的仿真模拟、计算结果数据的后处理和交互处理。这一过程是进行总体设计的重要依据;动态模拟运用图形图像技术模拟系统运行现场,主要用于演示和培训;虚拟现实则运用虚拟现实技术,在设计时演练激光器元件布局、装卸,以便为激光器元件的设计、系统的设计提供依据,在运行时通过模拟的真实现场为培训和替代试验提供手段。2000年6月,武汉理工大学智能制造与控制研究所和华南师范大学传输光学实验室就高功率激光驱动器的仿真模拟这一课题进行合作,先后投入了大量科研资源对这一课题进行研究,并取得了一定的成果。本课题的研究成果主要武汉理工大学硕士学位论文有三个:一是完成了高功率激光驱动器的仿真模拟系统的系统设计;二是基本完成了逻辑布局仿真和科学可视化系统的设计和开发,完成了大部分激光器元件的数学建模和组件化;三是对分布式交互仿真和虚拟布局进行了初步的探索,建立了基本的模型,并实现了部分模型。本质上,本课题的目的是要开发一个满足高功率激光驱动器特定需求的软件系统。而要开发出具有良好鲁棒性和可维护性的软件系统,在软件系统的开发过程中必须遵循软件工程的规律。在本系统的开发过程中,作者遵循软件开发的规律,根据系统的特点和用户需求,对系统进行了总体设计和基于Rose一U’ML的软件建模。Rational公司推出的Rational Rose是目前较好的基于U’ML的 CASE(Computer ided Software Engineering)工具。它把 U’ML和谐地集成进面向对象的软件开发过程中。不论是在系统需求阶段,还是在对象的分析与设计、软件的实现与测试阶段,它都提供了清晰的U’ML表达方法和完善的工具,方便建立起相应的软件模型。作者运用Rational Rose进行软件建模的过程在论文中会有比较详细的论述。激光器元件逻辑布局的仿真模拟模拟了激光从光源通过各种激光元件到达靶丸的全部逻辑过程,包括激光器元件的添加、删除、移动、属性修改、次序修改等操作。高功率激光驱动器元件的逻辑布局仿真的实现主要有五个要点:一是激光驱动器元件属性的可视化获取;二激光驱动器元件的数学建模;三是是逻辑布局仿真过程和操作的实现;四是数据串行化;五就是基于COM的高功率激光驱动器元件组件化应用。高功率激光驱动器元件的逻辑布局仿真系统是整个系统最复杂的部分之一,涉及到的激光元件主要有:光源、自由空间、空间滤波器、掩模光圈、透镜、棒状放大器、盘状放大器、惰性介质、靶丸等。所涉及到的算法很多,这一部分的工作量非常庞大。为了增加程序代码的可复用性,我完成了激光元件的组件化的工作。三维数据场的可视化是本课题要研究的主要问题之一。三维数据场的可视化包括生成数据的前处理,数据的显示,数据场的操作(旋转、缩放、移动、动画、保存、选择与反馈、图象保存等人这涉及三维数据场等值面的构造和 OpenGL特性的应用。例如 OpenGL颜色特性应用、光照处理、消隐处理、空间变换应用、帧缓冲应用、选择与反馈应用、打印应用等。论文还对基于网络的分布式交互仿真(DIS)和虚拟布局做了初步的探索,并设计了相应的技术模型。作者认为,在基于网络的DIS应用中,XML技术的11武汉理工大学硕士学位论文引入引人注目,因为XML技术的引入大大改善了Web数据的结构化特性、可操作性和链接速度,这对于视景的快速显示和交互性至关重要。而且,在基于Web的虚拟布局中,XML技术作为一种新的构建虚拟场景的工具,其?……   
[关键词]:“激光核聚变”;“激光驱动器”;“科学可视化”;“仿真”;“虚拟现实”;“DIS”;“UML”;“等值线”
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:武汉理工大学2002年
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