[發明專利]面向大尺度復雜目標模型的電磁波陰影處理方法

在審

• 申請號: 201310058844.7
• 申請日: 2013-02-25
• 公開（公告）號: CN104008217A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發明（設計）人: 石嵩;李華芳
• 申請（專利權）人: 北京市勞動保護科學研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/30
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及電磁波陰影處理技術領域，具體涉及一種面向大尺度復雜目標模型的電磁波陰影處理方法。

背景技術

基于電磁波陰影處理的研究的進展非常緩慢，原因在于對于任意大型復雜目標模型，由于電磁波的多重反射和折射，在三維空間中電磁波陰影的處理變得異常復雜。反射或折射的非陰影區域的電磁波作為二次或多次電磁波源繼續產生新的電磁波陰影，反射、折射以及繞射電磁波，而觀測點最終的電磁場是這些非陰影區域電磁波的多次反射以及折射電磁波場的矢量疊加的結果。下面對現有技術中的幾種電磁波陰影處理方法分別加以介紹。

網格刨分方法是在計算機仿真之前進行網格刨分，也就是將計算模型事先劃分為一定數量的基面，由于簡單易于實現，被廣泛應用于主流商用電磁波仿真軟件中；隨著電磁技術的發展，對電磁波仿真的要求日益增加，需要處理的電磁傳播模型越來越大，越來越復雜，在高精度處理大型復雜目標模型的電磁波陰影時，這種方法的仿真精度依賴于網格刨分的數量，網格刨分的越細，仿真度越高，隨之而來的問題是對計算機系統內存和計算能力的帶來了巨大的挑戰，在某些情況下，甚至無法進行仿真計算。

近年來射線追蹤法被應用于電磁波陰影處理的研究中，并衍生出多種改良算法。其基本思想是把從源點輻射出的電磁波看作一條條射線，能量在各自獨立的射線管內傳播：對每一條射線的傳播進行追蹤，直到射線到達目標點或射線能量低于需要考慮限度時停止追蹤，計算出在這過程中射線的能量，求得所有到達場點的射線后，采用矢量疊加的方法得出輻射源的影響。

射線追蹤方法是在幾何光學理論、幾何繞射理論以及一致繞射理論基礎上發展起來的，為獲得有用的仿真結果提供了精確的特定點方法。另外射線追蹤方法也可以用來建立統計模型。根據射線追蹤方法，傳播機制包括直射射線(在可視區域內)、反射射線、透射射線、繞射射線、漫散射射線以及這些射線的組合，如果考慮上述全部射線，在真實的傳播環境中，其計算量會非常大。

當前常用的射線追蹤方法有發射反彈射線算法，鏡像法以及二者的混合算法。發射反彈射線算法是一種正向射線追蹤技術，因為它是從射線的源開始追蹤射線傳播來模擬電磁波傳播的。鏡像方法具有較高的準確度，但是當反射面數量和反射次數都增大時，由于需要確定的鏡像太多而使計算效率降低。另外，這種方法采用求解源點的多次鏡像的方法即多鏡像方法來求解反射波，因而只適用于規則分布的區域，而不適于目標模型任意分布的區域。

射線追蹤方法雖然簡單實用，并在特定點預測模型中得到了廣泛應用。但由于射線方法計算效率不高，因此射線追蹤方法的加速技術就受到了廣泛的重視。射線追蹤的加速方法有可視區域有效射線的找尋方法，角度Z-緩沖區算法和路徑搜索算法。

可視區域有效射線找尋法是一種點對點的射線追蹤方法，它不需要引入接收源，并采用斜率范圍進行遮擋測試代替傳統的相交測試以及先二維后三維的追蹤方法，減小了計算量，而計算精度也相對較高；另外，該方法采用可視反射面和繞射面樹結構，通過它可以找出所有的有效射線；再采用減小計算量的方法求結果；理論上該方法可以應用到任何復雜的環境中；但是當層數考慮太多，尤其是繞射波階數考慮較高時，使用該方法會導致計算量和內存大大增加；并且，該方法考慮的環境是理想環境，沒有考慮到實際環境的多樣性，離實用還有一定距離。

角度Z-緩沖區算法是在計算機圖形學中的光緩存技術的基礎上發展起來的，其基本思想是把源輻射的空間分成角域，并把環境所在地中的多面體儲存在它們所屬的角域中，通過減少每條射線必須處理的多面體的數量來減少相交測試的數目。

射線路徑搜索算法的基本思想是只把射線追蹤應用于射線可能存在的區域，如源點的可視區域等，從而減少射線與障礙物的相交測試。對于多次反射，可建立可視圖，第一層是源點的可視區域內障礙物對源點的可視面，第二層是第一層內各個射線(如反射、透射、繞射射線等)的可視面，依此類推就可以得到其余各層。從源點發出的射線只要與可視圖第一層所包含的障礙物進行相交測試，就可以確定射線路徑上與障礙物相交的第一個點（可以是反射、繞射或者透射點）。

綜上所述，射線追蹤法及其改良算法的都有其限定的應用范圍：或者只適用于規則分布的區域，而不適于目標模型任意分布的區域；或者考慮的環境是理想環境，沒有考慮到實際環境的多樣性，離實用還有一定距離。同時，由于此類方法均需要預先引入假設的射線，帶來一部分人為誤差，導致總誤差進一步擴大，從而很難得到較準確的電磁傳播路徑。因此，射線追蹤方法只適用于一些典型的規范環境，目前還不具備商用價值，不能應用于商用電磁仿真軟件工具中。

發明內容