多重散射介质中辐射传输的 GPU 加速 Monte Carlo 模拟与实验研究
光学
2025-08-01 v1
摘要
针对光学测量、生物医学成像、环境监测等领域中由浑浊介质引起的光子多重散射干扰问题，现有的 Monte Carlo 光散射模拟广泛采用 Henyey-Greenstein (H-G) 相函数近似模型。然而，传统计算资源的限制和高数值复杂性制约了精确散射模型的应用。此外，单参数各向异性因子假设忽略了高阶散射效应和后向散射强度，无法准确表征复杂介质的多阶散射特性。为了解决这些问题，我们提出了一种用于复杂散射环境的 GPU 加速 Monte Carlo 严格 Mie 散射传输模型。该模型采用严格的 Mie 散射理论代替 H-G 近似，通过预计算的累积分布函数优化以及与 CUDA 并行架构的深度融合，实现了相函数采样和复杂散射过程的高效并行处理。为了验证模型的准确性，搭建了基于 5m 聚苯乙烯微球的标准散射实验平台，设计了多种光学深度实验条件，并采用空间配准技术实现了模拟图像与实验图像的精确对齐。研究结果定量地证明了严格 Mie 散射相函数在模拟横向散射光强分布方面相对于 H-G 近似的系统性精度优势，为复杂散射环境中的高精度光学应用提供了可靠的理论基础和技术支持。
引用
@article{arxiv.2507.23189,
title = {GPU-Accelerated Monte Carlo Simulation and Experimental Study of Radiative Transfer in Multiple Scattering Media},
author = {Binhan Wang and Peng Sun and Gao Wang and Haijian Liang and Jinge Guan and Xiaohang Dong and Xiuhao Du and Ruichen Liu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.23189},
year = {2025}
}
备注
23 pages