面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法
2023-06-05 09:21:11 1
面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法
【專利摘要】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複雜目標模型的電磁波陰影處理方法。該方法無需事先進行網格細分，得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網格刨分法由於網格細分精度而產生的電磁波陰影邊界捨入誤差，同時也克服了射線追蹤方法需要預先引入假設的射線而帶來的人為誤差；同時，本發明的方法不做任何假設，適用於任何複雜目標模型的電磁波陰影處理；並且，由於本發明算法不事先細分網格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標信息，佔用的系統內存以及所需運算量可以做到最小，因此，本發明算法適用於大型複雜目標模型的電磁波陰影的處理。
【專利說明】面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法
【技術領域】
[0001]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複雜目標模型的電磁波陰影處理方法。
【背景技術】
[0002]基於電磁波陰影處理的研究的進展非常緩慢，原因在於對於任意大型複雜目標模型，由於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複雜。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。
[0003]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，由於簡單易於實現，被廣泛應用於主流商用電磁波仿真軟體中；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，越來越複雜，在高精度處理大型複雜目標模型的電磁波陰影時，這種方法的仿真精度依賴於網格刨分的數量，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。
[0004]近年來射線追蹤法被應用於電磁波陰影處理的研究中，並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於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後，採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。
[0006]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，由於需要確定的鏡像太多而使計算效率降低。另外，這種方法採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，因而只適用於規則分布的區域，而不適於目標模型任意分布的區域。
[0007]射線追蹤方法雖然簡單實用，並在特定點預測模型中得到了廣泛應用。但由於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-緩衝區算法和路徑搜索算法。[0008]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，並採用斜率範圍進行遮擋測試代替傳統的相交測試以及先二維後三維的追蹤方法，減小了計算量，而計算精度也相對較高；另外，該方法採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；再採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複雜的環境中；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；並且，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。
[0009]角度Z-緩衝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，並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。
[0010]射線路徑搜索算法的基本思想是只把射線追蹤應用於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。對於多次反射，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餘各層。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)。
[0011]綜上所述，射線追蹤法及其改良算法的都有其限定的應用範圍:或者只適用於規則分布的區域，而不適於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，由於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於一些典型的規範環境，目前還不具備商用價值，不能應用於商用電磁仿真軟體工具中。
【發明內容】
[0012](一)要解決的技術問題
[0013]本發明的目的在於提供一種適用於大型複雜目標模型的電磁波陰影處理方法，使大尺度複雜目標模型的電磁波仿真計算在大幅度提高計算精度的同時極大地降低對計算機系統內存和計算能力的要求，為電磁波陰影處理提供技術支持。
[0014](二)技術方案
[0015]本發明技術方案如下:
[0016]一種面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法，所述目標模型由三角基面組成；包括步驟:
[0017]S1.以電磁波入射方向為z軸建立新坐標系，將目標模型從原坐標系變換至所述新坐標系；
[0018]S2.在新坐標系下，將目標模型全部基面沿z軸方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐標；
[0019]S3.依次以目標模型各個基面為目標基面，計算目標基面由於位於其前面的其它基面的遮蔽所產生的第一電磁波陰影，並將目標基面投影與所述第一電磁波陰影進行補集運算，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系變換至原坐標系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點的電磁場有貢獻的目標模型基面部分。
[0021]優選的，所述步驟S3包括:
[0022]S301.除去z坐標的最小值大於目標基面的z坐標的最大值的所有基面；
[0023]S302.計算目標基面在新坐標系下的xy平面的坐標範圍，除去不在此坐標範圍內的其它基面；
[0024]S303.做目標基面投影與剩餘其它基面投影的交集運算；
[0025]S304.將目標基面投影與此電磁波陰影進行補集運算，結果為一個或多個多邊形；
[0026]S305.將上述多邊形變換為三角基面組。
[0027](三)有益效果
[0028]本發明提出的電磁波陰影處理機制，無需事先進行網格細分，在仿真過程中根據電磁波照射過程中產生的電磁波陰影的實際情況對目標模型基面進行智能化(自適應)分割處理，使大尺度複雜目標模型的電磁波仿真計算在大幅度提高計算精度的同時極大地降低了對計算機系統內存和計算能力的要求。本發明算法得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網格刨分法由於刨分精度而產生的電磁波陰影邊界捨入誤差，同時也克服了射線追蹤方法需要預先引入假設的射線而帶來的人為誤差；同時，本發明的方法不做任何假設，適用於任何複雜目標模型的電磁波陰影處理；並且，由於本發明算法不事先細分網格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標信息，佔用的系統內存以及所需運算量可以做到最小，因此，本發明算法適用於大型複雜目標模型的電磁波陰影處理。綜上所述，本發明提供的電磁波陰影處理算法具有重要的學術意義和應用價值，並且可以應用於商用電磁仿真分析軟體的電磁波陰影處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發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為本發明實施例中電磁波陰影處理方法的過程圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】做進一步描述。以下實施例僅用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
[0032]下面以如圖2中所示的目標模型為例進行說明，圖示的目標模型由7個三角基面組成；假設電磁波的入射方向為θ=70°，φ=30°;由於電磁波的照射，在基面7的後方的其他基面的部分區域上可能產生電磁波陰影。
[0033]流程圖如圖1中所示的一種面向大尺度複雜目標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軸建立新坐標系，將目標模型從原坐標系變換至所述新坐標系。
[0035]S2.在新坐標系下，將目標模型全部7個基面(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個基面的投影坐標。由於電磁波的入射方向與新坐標系的ζ軸方向相同，原有的3維目標模型的電磁波陰影處理在新坐標系下可以轉化為2維電磁波陰影處理，如圖3所示。
[0036]S3.計算目標模型的每個基面(目標基面)由於位於其前面的其它基面對此基面的遮蔽部分(陰影)所產生的電磁波陰影，步驟S3包括:
[0037]對於基面I (目標基面)，
[0038]S301.除去ζ坐標的最小值大於目標基面的ζ坐標的最大值的所有基面。對於本實施例，沒有基面被除去。
[0039]S302.計算目標基面在新坐標系下的xy平面的坐標範圍，除去不在此坐標範圍內的其它基面。對於本實施例，沒有基面被除去。
[0040]S303.做目標基面投影與剩餘其它基面投影的交集運算，本實施例中目標基面投影與基面7投影的交集非空，此交集即為基面7在目標基面上產生的電磁波陰影，如圖4所
/Jn ο
[0041]S304.將目標基面投影與上述電磁波陰影進行補集運算，結果為多邊形。
[0042]S305.將上述多邊形變換為三角基面組，如圖5所示。
[0043]對於其它基面，重複上述操作。在本實施例的後續計算中，基面2以外的其它基面上不產生電磁波陰影。基面2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集運算結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系變換至原坐標系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點的電磁場有貢獻的目標模型基面部分，如圖8所示。
[0045]本發明的一種面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法具備以下優點:
[0046]1、本發明所提供的方法無需事先進行網格刨分，根據電磁波照射的實際情況對目標物體基面做自適應分割處理，得到的電磁波陰影具有精確分明的邊界，從而克服了網格刨分法由於刨分網格而產生的電磁波陰影邊界捨入誤差，同時也克服了射線追蹤方法需要預先引入假設的射線而帶來的人為誤差。
[0047]2、本發明的方法不做任何假設，適用於任何複雜目標模型的電磁波陰影處理，SP可以處理任意目標模型。
[0048]3、電磁波陰影的動態處理，本發明的方法不事先細分網格，在處理電磁波陰影的過程中只保存電磁波陰影的坐標信息，佔用的系統內存可以做到最小，所需運算量也可以做到最小；因此，本發明算法適用於大型複雜目標電磁波陰影的處理。
[0049]以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的保護範疇。
【權利要求】
1.一種面向大尺度複雜目標模型的電磁波陰影處理方法，所述目標模型由三角基面組成；其特徵在於，包括步驟: S1.以電磁波入射方向為Z軸建立新坐標系，將目標模型從原坐標系變換至所述新坐標系; S2.在新坐標系下，將目標模型全部基面沿z軸方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐標； S3.依次以目標模型各個基面為目標基面，計算目標基面由於位於其前面的其它基面的遮蔽所產生的第一電磁波陰影，並將目標基面投影與所述第一電磁波陰影進行補集運算，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系變換至原坐標系，即得到除去電磁波陰影的，對觀察點的電磁場有貢獻的目標模型基面部分。
2.根據權利要求1所述的電磁波陰影處理方法，其特徵在於，所述步驟S3包括: S301.除去z坐標的最小值大於目標基面的z坐標的最大值的所有基面； S302.計算目標基面在新坐標系下的xy平面的坐標範圍，除去不在此坐標範圍內的其它基面； S303.做目標基面投影與剩餘其它基面投影的交集運算； S304.將目標基面投影與此電磁波陰影進行補集運算，結果為一個或多個多邊形； 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 優先權日:2013年2月25日
【發明者】石嵩, 李華芳 申請人:北京市勞動保護科學研究所