面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電磁波陰影處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法。該方法無需事先進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網(wǎng)格刨分法由于網(wǎng)格細(xì)分精度而產(chǎn)生的電磁波陰影邊界舍入誤差，同時(shí)也克服了射線追蹤方法需要預(yù)先引入假設(shè)的射線而帶來的人為誤差；同時(shí)，本發(fā)明的方法不做任何假設(shè)，適用于任何復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理；并且，由于本發(fā)明算法不事先細(xì)分網(wǎng)格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標(biāo)信息，占用的系統(tǒng)內(nèi)存以及所需運(yùn)算量可以做到最小，因此，本發(fā)明算法適用于大型復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影的處理。
【專利說明】面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁波陰影處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于電磁波陰影處理的研究的進(jìn)展非常緩慢，原因在于對于任意大型復(fù)雜目標(biāo)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(fù)雜。反射或折射的非陰影區(qū)域的電磁波作為二次或多次電磁波源繼續(xù)產(chǎn)生新的電磁波陰影，反射、折射以及繞射電磁波，而觀測點(diǎn)最終的電磁場是這些非陰影區(qū)域電磁波的多次反射以及折射電磁波場的矢量疊加的結(jié)果。下面對現(xiàn)有技術(shù)中的幾種電磁波陰影處理方法分別加以介紹。
[0003]網(wǎng)格刨分方法是在計(jì)算機(jī)仿真之前進(jìn)行網(wǎng)格刨分，也就是將計(jì)算模型事先劃分為一定數(shù)量的基面，由于簡單易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于主流商用電磁波仿真軟件中；隨著電磁技術(shù)的發(fā)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(fù)雜，在高精度處理大型復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影時(shí)，這種方法的仿真精度依賴于網(wǎng)格刨分的數(shù)量，網(wǎng)格刨分的越細(xì)，仿真度越高，隨之而來的問題是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算能力的帶來了巨大的挑戰(zhàn)，在某些情況下，甚至無法進(jìn)行仿真計(jì)算。
[0004]近年來射線追蹤法被應(yīng)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(diǎn)輻射出的電磁波看作一條條射線，能量在各自獨(dú)立的射線管內(nèi)傳播:對每一條射線的傳播進(jìn)行追蹤，直到射線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)或射線能量低于需要考慮限度時(shí)停止追蹤，計(jì)算出在這過程中射線的能量，求得所有到達(dá)場點(diǎn)的射線后，采用矢量疊加的方法得出輻射源的影響。
[0005]射線追蹤方法是在幾何光學(xué)理論、幾何繞射理論以及一致繞射理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為獲得有用的仿真結(jié)果提供了精確的特定點(diǎn)方法。另外射線追蹤方法也可以用來建立統(tǒng)計(jì)模型。根據(jù)射線追蹤方法，傳播機(jī)制包括直射射線(在可視區(qū)域內(nèi))、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(shí)的傳播環(huán)境中，其計(jì)算量會(huì)非常大。
[0006]當(dāng)前常用的射線追蹤方法有發(fā)射反彈射線算法，鏡像法以及二者的混合算法。發(fā)射反彈射線算法是一種正向射線追蹤技術(shù)，因?yàn)樗菑纳渚€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(zhǔn)確度，但是當(dāng)反射面數(shù)量和反射次數(shù)都增大時(shí)，由于需要確定的鏡像太多而使計(jì)算效率降低。另外，這種方法采用求解源點(diǎn)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(guī)則分布的區(qū)域，而不適于目標(biāo)模型任意分布的區(qū)域。
[0007]射線追蹤方法雖然簡單實(shí)用，并在特定點(diǎn)預(yù)測模型中得到了廣泛應(yīng)用。但由于射線方法計(jì)算效率不高，因此射線追蹤方法的加速技術(shù)就受到了廣泛的重視。射線追蹤的加速方法有可視區(qū)域有效射線的找尋方法，角度Z-緩沖區(qū)算法和路徑搜索算法。[0008]可視區(qū)域有效射線找尋法是一種點(diǎn)對點(diǎn)的射線追蹤方法，它不需要引入接收源，并采用斜率范圍進(jìn)行遮擋測試代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相交測試以及先二維后三維的追蹤方法，減小了計(jì)算量，而計(jì)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(jié)構(gòu)，通過它可以找出所有的有效射線；再采用減小計(jì)算量的方法求結(jié)果；理論上該方法可以應(yīng)用到任何復(fù)雜的環(huán)境中；但是當(dāng)層數(shù)考慮太多，尤其是繞射波階數(shù)考慮較高時(shí)，使用該方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量和內(nèi)存大大增加；并且，該方法考慮的環(huán)境是理想環(huán)境，沒有考慮到實(shí)際環(huán)境的多樣性，離實(shí)用還有一定距離。
[0009]角度Z-緩沖區(qū)算法是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的光緩存技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本思想是把源輻射的空間分成角域，并把環(huán)境所在地中的多面體儲(chǔ)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(shù)量來減少相交測試的數(shù)目。
[0010]射線路徑搜索算法的基本思想是只把射線追蹤應(yīng)用于射線可能存在的區(qū)域，如源點(diǎn)的可視區(qū)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(diǎn)的可視區(qū)域內(nèi)障礙物對源點(diǎn)的可視面，第二層是第一層內(nèi)各個(gè)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(diǎn)發(fā)出的射線只要與可視圖第一層所包含的障礙物進(jìn)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(gè)點(diǎn)(可以是反射、繞射或者透射點(diǎn))。
[0011]綜上所述，射線追蹤法及其改良算法的都有其限定的應(yīng)用范圍:或者只適用于規(guī)則分布的區(qū)域，而不適于目標(biāo)模型任意分布的區(qū)域；或者考慮的環(huán)境是理想環(huán)境，沒有考慮到實(shí)際環(huán)境的多樣性，離實(shí)用還有一定距離。同時(shí)，由于此類方法均需要預(yù)先引入假設(shè)的射線，帶來一部分人為誤差，導(dǎo)致總誤差進(jìn)一步擴(kuò)大，從而很難得到較準(zhǔn)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(guī)范環(huán)境，目前還不具備商用價(jià)值，不能應(yīng)用于商用電磁仿真軟件工具中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012](一)要解決的技術(shù)問題
[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種適用于大型復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法，使大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波仿真計(jì)算在大幅度提高計(jì)算精度的同時(shí)極大地降低對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算能力的要求，為電磁波陰影處理提供技術(shù)支持。
[0014](二)技術(shù)方案
[0015]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0016]一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法，所述目標(biāo)模型由三角基面組成；包括步驟:
[0017]S1.以電磁波入射方向?yàn)閦軸建立新坐標(biāo)系，將目標(biāo)模型從原坐標(biāo)系變換至所述新坐標(biāo)系；
[0018]S2.在新坐標(biāo)系下，將目標(biāo)模型全部基面沿z軸方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐標(biāo)；
[0019]S3.依次以目標(biāo)模型各個(gè)基面為目標(biāo)基面，計(jì)算目標(biāo)基面由于位于其前面的其它基面的遮蔽所產(chǎn)生的第一電磁波陰影，并將目標(biāo)基面投影與所述第一電磁波陰影進(jìn)行補(bǔ)集運(yùn)算，得到除去電磁波陰影的三角基面組；[0020]S4.將上述各三角基面組從新坐標(biāo)系變換至原坐標(biāo)系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點(diǎn)的電磁場有貢獻(xiàn)的目標(biāo)模型基面部分。
[0021]優(yōu)選的，所述步驟S3包括:
[0022]S301.除去z坐標(biāo)的最小值大于目標(biāo)基面的z坐標(biāo)的最大值的所有基面；
[0023]S302.計(jì)算目標(biāo)基面在新坐標(biāo)系下的xy平面的坐標(biāo)范圍，除去不在此坐標(biāo)范圍內(nèi)的其它基面；
[0024]S303.做目標(biāo)基面投影與剩余其它基面投影的交集運(yùn)算；
[0025]S304.將目標(biāo)基面投影與此電磁波陰影進(jìn)行補(bǔ)集運(yùn)算，結(jié)果為一個(gè)或多個(gè)多邊形；
[0026]S305.將上述多邊形變換為三角基面組。
[0027](三)有益效果
[0028]本發(fā)明提出的電磁波陰影處理機(jī)制，無需事先進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，在仿真過程中根據(jù)電磁波照射過程中產(chǎn)生的電磁波陰影的實(shí)際情況對目標(biāo)模型基面進(jìn)行智能化(自適應(yīng))分割處理，使大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波仿真計(jì)算在大幅度提高計(jì)算精度的同時(shí)極大地降低了對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算能力的要求。本發(fā)明算法得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網(wǎng)格刨分法由于刨分精度而產(chǎn)生的電磁波陰影邊界舍入誤差，同時(shí)也克服了射線追蹤方法需要預(yù)先引入假設(shè)的射線而帶來的人為誤差；同時(shí)，本發(fā)明的方法不做任何假設(shè)，適用于任何復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理；并且，由于本發(fā)明算法不事先細(xì)分網(wǎng)格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標(biāo)信息，占用的系統(tǒng)內(nèi)存以及所需運(yùn)算量可以做到最小，因此，本發(fā)明算法適用于大型復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理。綜上所述，本發(fā)明提供的電磁波陰影處理算法具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值，并且可以應(yīng)用于商用電磁仿真分析軟件的電磁波陰影處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的一種面向電磁傳播模型的電磁波陰影處理方法的流程示意圖；
[0030]圖2至圖8為本發(fā)明實(shí)施例中電磁波陰影處理方法的過程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0032]下面以如圖2中所示的目標(biāo)模型為例進(jìn)行說明，圖示的目標(biāo)模型由7個(gè)三角基面組成；假設(shè)電磁波的入射方向?yàn)棣?70°，φ=30°;由于電磁波的照射，在基面7的后方的其他基面的部分區(qū)域上可能產(chǎn)生電磁波陰影。
[0033]流程圖如圖1中所示的一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法，主要包括以下步驟:
[0034]S1.以電磁波入射方向(Θ =70°，φ=30°)為Z軸建立新坐標(biāo)系，將目標(biāo)模型從原坐標(biāo)系變換至所述新坐標(biāo)系。
[0035]S2.在新坐標(biāo)系下，將目標(biāo)模型全部7個(gè)基面(序號1，2，3，4，5，6，7)沿ζ軸方向投影，得到xy平面上的全部7個(gè)基面的投影坐標(biāo)。由于電磁波的入射方向與新坐標(biāo)系的ζ軸方向相同，原有的3維目標(biāo)模型的電磁波陰影處理在新坐標(biāo)系下可以轉(zhuǎn)化為2維電磁波陰影處理，如圖3所示。
[0036]S3.計(jì)算目標(biāo)模型的每個(gè)基面(目標(biāo)基面)由于位于其前面的其它基面對此基面的遮蔽部分(陰影)所產(chǎn)生的電磁波陰影，步驟S3包括:
[0037]對于基面I (目標(biāo)基面)，
[0038]S301.除去ζ坐標(biāo)的最小值大于目標(biāo)基面的ζ坐標(biāo)的最大值的所有基面。對于本實(shí)施例，沒有基面被除去。
[0039]S302.計(jì)算目標(biāo)基面在新坐標(biāo)系下的xy平面的坐標(biāo)范圍，除去不在此坐標(biāo)范圍內(nèi)的其它基面。對于本實(shí)施例，沒有基面被除去。
[0040]S303.做目標(biāo)基面投影與剩余其它基面投影的交集運(yùn)算，本實(shí)施例中目標(biāo)基面投影與基面7投影的交集非空，此交集即為基面7在目標(biāo)基面上產(chǎn)生的電磁波陰影，如圖4所
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[0041]S304.將目標(biāo)基面投影與上述電磁波陰影進(jìn)行補(bǔ)集運(yùn)算，結(jié)果為多邊形。
[0042]S305.將上述多邊形變換為三角基面組，如圖5所示。
[0043]對于其它基面，重復(fù)上述操作。在本實(shí)施例的后續(xù)計(jì)算中，基面2以外的其它基面上不產(chǎn)生電磁波陰影?；?上的電磁波陰影，如圖6所示。將基面2投影與基面2投影上的電磁波陰影的補(bǔ)集運(yùn)算結(jié)果變換為三角基面組，如圖7所示。
[0044]S4.將所述各三角基面組從新坐標(biāo)系變換至原坐標(biāo)系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點(diǎn)的電磁場有貢獻(xiàn)的目標(biāo)模型基面部分，如圖8所示。
[0045]本發(fā)明的一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法具備以下優(yōu)點(diǎn):
[0046]1、本發(fā)明所提供的方法無需事先進(jìn)行網(wǎng)格刨分，根據(jù)電磁波照射的實(shí)際情況對目標(biāo)物體基面做自適應(yīng)分割處理，得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網(wǎng)格刨分法由于刨分網(wǎng)格而產(chǎn)生的電磁波陰影邊界舍入誤差，同時(shí)也克服了射線追蹤方法需要預(yù)先引入假設(shè)的射線而帶來的人為誤差。
[0047]2、本發(fā)明的方法不做任何假設(shè)，適用于任何復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理，SP可以處理任意目標(biāo)模型。
[0048]3、電磁波陰影的動(dòng)態(tài)處理，本發(fā)明的方法不事先細(xì)分網(wǎng)格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標(biāo)信息，占用的系統(tǒng)內(nèi)存可以做到最小，所需運(yùn)算量也可以做到最??；因此，本發(fā)明算法適用于大型復(fù)雜目標(biāo)電磁波陰影的處理。
[0049]以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種面向大尺度復(fù)雜目標(biāo)模型的電磁波陰影處理方法，所述目標(biāo)模型由三角基面組成；其特征在于，包括步驟: S1.以電磁波入射方向?yàn)閆軸建立新坐標(biāo)系，將目標(biāo)模型從原坐標(biāo)系變換至所述新坐標(biāo)系; S2.在新坐標(biāo)系下，將目標(biāo)模型全部基面沿z軸方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐標(biāo)； S3.依次以目標(biāo)模型各個(gè)基面為目標(biāo)基面，計(jì)算目標(biāo)基面由于位于其前面的其它基面的遮蔽所產(chǎn)生的第一電磁波陰影，并將目標(biāo)基面投影與所述第一電磁波陰影進(jìn)行補(bǔ)集運(yùn)算，得到除去電磁波陰影的三角基面組； S4.將上述各三角基面組從新坐標(biāo)系變換至原坐標(biāo)系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點(diǎn)的電磁場有貢獻(xiàn)的目標(biāo)模型基面部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波陰影處理方法，其特征在于，所述步驟S3包括: S301.除去z坐標(biāo)的最小值大于目標(biāo)基面的z坐標(biāo)的最大值的所有基面； S302.計(jì)算目標(biāo)基面在新坐標(biāo)系下的xy平面的坐標(biāo)范圍，除去不在此坐標(biāo)范圍內(nèi)的其它基面； S303.做目標(biāo)基面投影與剩余其它基面投影的交集運(yùn)算； S304.將目標(biāo)基面投影與此電磁波陰影進(jìn)行補(bǔ)集運(yùn)算，結(jié)果為一個(gè)或多個(gè)多邊形； S305.將上述多邊形變換為三角基面組。
【文檔編號】G06F17/50GK104008217SQ201310058844
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月25日
【發(fā)明者】石嵩, 李華芳 申請人:北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所