MATLAB und Simulink in der Physik

Experimente steuern, Daten erfassen und analysieren und mit Simulationen vergleichen

Physiker weltweit verlassen sich auf MATLAB® und Simulink®, um damit sowohl explorative als auch rechnerisch anspruchsvolle Simulationen durchzuführen. Die matrixorientierte Rechnerumgebung macht MATLAB zur idealen Option für schnelle Codeentwicklung bei der Suche nach innovativer Physik und die Zusammenarbeit mit der Industrie. MATLAB und Simulink bieten außerdem einen integrierten Ansatz für die Hardware-Codegenerierung, Datenerfassung, Echtzeitsimulation und -prüfung, Datenanalyse und skalierbare Berechnungen.

Physiker entscheiden sich für MATLAB und Simulink, um:

  • KI-Methoden mit Arbeitsabläufen zur Analyse und Visualisierung von Daten zu integrieren
  • Teilchenbeschleuniger zu betreiben
  • von Radioteleskopen und Gravitationswellendetektoren empfangene Signale zu verarbeiten
  • eine Vielzahl an „Kleinlabor“-Hardware zu steuern
  • Simulationen mit experimentellen Daten zu vergleichen
  • Physik zu unterrichten und die eigene Arbeit mit anderen Physikern zu teilen

„Für das LIGO haben wir MATLAB verwendet, um die fundamentalen Geräusche zu analysieren, die die Leistung des Gravitationswellendetektors begrenzen, die optische Antwort unserer Interferometer zu berechnen und die gesamte Kontrollkette zu verifizieren ...“

Matthew Evans, MIT

MATLAB und Simulink in der Physik verwenden

MATLAB und Simulink für Physik in „Kleinlaboren“

Physiker verwenden MATLAB und Simulink, um Laborhardware, wie z. B. kundenspezifische Mikroskope zu verbinden und zu steuern, verschiedene spektroskopische Analysen durchzuführen, KI-verstärkte Sensoren zu entwickeln und Daten zu analysieren.

Hochoptimierte Operationen auf dichten und dünn besetzten Matrizen eignen sich für eine schnelle Code-Entwicklung zur Simulation klassischer und Quanten-Vielkörpersysteme. Die symbolische Mathematik ermöglicht Berechnungen mit beliebiger Genauigkeit.

Mithilfe von MATLAB und Simulink können Physiker:

  • automatisch HDL und C/C++ Code für Hardware-Konnektivität generieren und C/C++ Code innerhalb von MATLAB verwenden
  • Daten in Echtzeit von Hardware und Instrumenten steuern und erfassen
  • Berechnungen in Clustern für große Datenmengen oder anspruchsvolle Berechnungen bereitstellen
  • Codes mit intuitiven Live Scripts und GUIs austauschen
  • KI und andere rechenintensive Analysen auf GPUs beschleunigen
  • mit MATLAB Parallel Server™ Berechnungen auf Cluster und Wolken skalieren
  • Anhand eines interaktiven Lehrplans Physik unterrichten

MATLAB und Simulink für Physik in „Großlaboren“

MATLAB und Simulink ermöglichen Rapid Prototyping und die Modellierung von Echtzeitsteuerungssystemen für große Versuchsanordnungen wie z. B. dem LIGO. Die Lesbarkeit des Codes und die Abwärtskompatibilität sind besonders attraktive Merkmale von MATLAB. Sie bilden die Grundlage für eine umfangreiche und langfristige Zusammenarbeit.

Physiker in der Beschleunigerphysik verwenden MATLAB zur Steuerung von Synchrotronen und Linacs auf der ganzen Welt. Mit MATLAB überwachen sie auch Teilchenstrahlen und vergleichen das Strahlverhalten mit simulierten Versionen. MATLAB und einige von Wissenschaftlern aus der Beschleunigerphysik geschriebene Community-Toolboxen stellen ein weltweit erprobtes Rapid Prototyping- und Bereitstellungssystem zur Verfügung.

Mit MATLAB und Simulink können Physiker und Ingenieure:

  • Filtermodule mit verbesserter KI für Rauschunterdrückung und Signalverarbeitung entwerfen
  • ungeplante Ausfallzeiten „großer Maschinen“ vermeiden
  • mit der Hardware unter Verwendung intuitiver Skripting- und GUI-Umgebungen interagieren
  • Codegenerierung für PLCs, FPGAs und ASICs verwenden
  • Regelungssysteme entwerfen
  • nahtlos von der Desktop-Simulation zu Echtzeit-Tests mit Simulink Real-Time™ und Speedgoat übergehen

MATLAB für medizinische Physik

Medizinphysiker nutzen MATLAB als einheitliche Plattform für die Behandlungsplanung. Dies ist besonders für Lehre und Forschung eine hervorragende Lösung. Mit MATLAB können Strahlentherapeuten halbautomatische Kennzeichnungswerkzeuge einsetzen, die die Integration von KI-Methoden in Arbeitsabläufe für Anwendungen wie bildgeführte Strahlentherapie erleichtern.

Mit MATLAB und den Community-Toolboxen können Medizinphysiker:

  • klinisch genaue Behandlungspläne erstellen
  • eine intensitätsmodulierte Strahlentherapie für mehrere Modalitäten planen
  • Daten vorverarbeiten und exportieren, um Deep-Learning-Autosegmentierungsmodelle zu trainieren, beginnend mit DICOM oder anderen Dateiformaten
  • Deep-Learning-Modelle mit Mehrkanalbildern durch verschiedene Transformationen und Methoden zur Bestückung von Bildkanälen trainieren
  • akustische und Ultraschall-Simulationen im Zeitbereich in komplexen und gewebe-realistischen Medien durchführen