CN104008217A - 面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁波阴影处理技术领域，具体涉及一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法。该方法无需事先进行网格细分，得到的电磁波阴影具有精确分明的边界，从而克服了网格刨分法由于网格细分精度而产生的电磁波阴影边界舍入误差，同时也克服了射线追踪方法需要预先引入假设的射线而带来的人为误差；同时，本发明的方法不做任何假设，适用于任何复杂目标模型的电磁波阴影处理；并且，由于本发明算法不事先细分网格，在处理电磁波阴影的过程中只保存电磁波阴影的坐标信息，占用的系统内存以及所需运算量可以做到最小，因此，本发明算法适用于大型复杂目标模型的电磁波阴影的处理。

Description

面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法

技术领域

本发明涉及电磁波阴影处理技术领域，具体涉及一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法。

背景技术

基于电磁波阴影处理的研究的进展非常缓慢，原因在于对于任意大型复杂目标模型，由于电磁波的多重反射和折射，在三维空间中电磁波阴影的处理变得异常复杂。反射或折射的非阴影区域的电磁波作为二次或多次电磁波源继续产生新的电磁波阴影，反射、折射以及绕射电磁波，而观测点最终的电磁场是这些非阴影区域电磁波的多次反射以及折射电磁波场的矢量叠加的结果。下面对现有技术中的几种电磁波阴影处理方法分别加以介绍。

网格刨分方法是在计算机仿真之前进行网格刨分，也就是将计算模型事先划分为一定数量的基面，由于简单易于实现，被广泛应用于主流商用电磁波仿真软件中；随着电磁技术的发展，对电磁波仿真的要求日益增加，需要处理的电磁传播模型越来越大，越来越复杂，在高精度处理大型复杂目标模型的电磁波阴影时，这种方法的仿真精度依赖于网格刨分的数量，网格刨分的越细，仿真度越高，随之而来的问题是对计算机系统内存和计算能力的带来了巨大的挑战，在某些情况下，甚至无法进行仿真计算。

近年来射线追踪法被应用于电磁波阴影处理的研究中，并衍生出多种改良算法。其基本思想是把从源点辐射出的电磁波看作一条条射线，能量在各自独立的射线管内传播：对每一条射线的传播进行追踪，直到射线到达目标点或射线能量低于需要考虑限度时停止追踪，计算出在这过程中射线的能量，求得所有到达场点的射线后，采用矢量叠加的方法得出辐射源的影响。

射线追踪方法是在几何光学理论、几何绕射理论以及一致绕射理论基础上发展起来的，为获得有用的仿真结果提供了精确的特定点方法。另外射线追踪方法也可以用来建立统计模型。根据射线追踪方法，传播机制包括直射射线(在可视区域内)、反射射线、透射射线、绕射射线、漫散射射线以及这些射线的组合，如果考虑上述全部射线，在真实的传播环境中，其计算量会非常大。

当前常用的射线追踪方法有发射反弹射线算法，镜像法以及二者的混合算法。发射反弹射线算法是一种正向射线追踪技术，因为它是从射线的源开始追踪射线传播来模拟电磁波传播的。镜像方法具有较高的准确度，但是当反射面数量和反射次数都增大时，由于需要确定的镜像太多而使计算效率降低。另外，这种方法采用求解源点的多次镜像的方法即多镜像方法来求解反射波，因而只适用于规则分布的区域，而不适于目标模型任意分布的区域。

射线追踪方法虽然简单实用，并在特定点预测模型中得到了广泛应用。但由于射线方法计算效率不高，因此射线追踪方法的加速技术就受到了广泛的重视。射线追踪的加速方法有可视区域有效射线的找寻方法，角度Z-缓冲区算法和路径搜索算法。

可视区域有效射线找寻法是一种点对点的射线追踪方法，它不需要引入接收源，并采用斜率范围进行遮挡测试代替传统的相交测试以及先二维后三维的追踪方法，减小了计算量，而计算精度也相对较高；另外，该方法采用可视反射面和绕射面树结构，通过它可以找出所有的有效射线；再采用减小计算量的方法求结果；理论上该方法可以应用到任何复杂的环境中；但是当层数考虑太多，尤其是绕射波阶数考虑较高时，使用该方法会导致计算量和内存大大增加；并且，该方法考虑的环境是理想环境，没有考虑到实际环境的多样性，离实用还有一定距离。

角度Z-缓冲区算法是在计算机图形学中的光缓存技术的基础上发展起来的，其基本思想是把源辐射的空间分成角域，并把环境所在地中的多面体储存在它们所属的角域中，通过减少每条射线必须处理的多面体的数量来减少相交测试的数目。

射线路径搜索算法的基本思想是只把射线追踪应用于射线可能存在的区域，如源点的可视区域等，从而减少射线与障碍物的相交测试。对于多次反射，可建立可视图，第一层是源点的可视区域内障碍物对源点的可视面，第二层是第一层内各个射线(如反射、透射、绕射射线等)的可视面，依此类推就可以得到其余各层。从源点发出的射线只要与可视图第一层所包含的障碍物进行相交测试，就可以确定射线路径上与障碍物相交的第一个点（可以是反射、绕射或者透射点）。

综上所述，射线追踪法及其改良算法的都有其限定的应用范围：或者只适用于规则分布的区域，而不适于目标模型任意分布的区域；或者考虑的环境是理想环境，没有考虑到实际环境的多样性，离实用还有一定距离。同时，由于此类方法均需要预先引入假设的射线，带来一部分人为误差，导致总误差进一步扩大，从而很难得到较准确的电磁传播路径。因此，射线追踪方法只适用于一些典型的规范环境，目前还不具备商用价值，不能应用于商用电磁仿真软件工具中。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种适用于大型复杂目标模型的电磁波阴影处理方法，使大尺度复杂目标模型的电磁波仿真计算在大幅度提高计算精度的同时极大地降低对计算机系统内存和计算能力的要求，为电磁波阴影处理提供技术支持。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法，所述目标模型由三角基面组成；包括步骤：

S1.以电磁波入射方向为z轴建立新坐标系，将目标模型从原坐标系变换至所述新坐标系；

S2.在新坐标系下，将目标模型全部基面沿z轴方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐标；

S3.依次以目标模型各个基面为目标基面，计算目标基面由于位于其前面的其它基面的遮蔽所产生的第一电磁波阴影，并将目标基面投影与所述第一电磁波阴影进行补集运算，得到除去电磁波阴影的三角基面组；

S4.将上述各三角基面组从新坐标系变换至原坐标系，即得到除去电磁波阴影的，对观察点的电磁场有贡献的目标模型基面部分。

优选的，所述步骤S3包括：

S301.除去z坐标的最小值大于目标基面的z坐标的最大值的所有基面；

S302.计算目标基面在新坐标系下的xy平面的坐标范围，除去不在此坐标范围内的其它基面；

S303.做目标基面投影与剩余其它基面投影的交集运算；

S304.将目标基面投影与此电磁波阴影进行补集运算，结果为一个或多个多边形；

S305.将上述多边形变换为三角基面组。

（三）有益效果

本发明提出的电磁波阴影处理机制，无需事先进行网格细分，在仿真过程中根据电磁波照射过程中产生的电磁波阴影的实际情况对目标模型基面进行智能化（自适应）分割处理，使大尺度复杂目标模型的电磁波仿真计算在大幅度提高计算精度的同时极大地降低了对计算机系统内存和计算能力的要求。本发明算法得到的电磁波阴影具有精确分明的边界，从而克服了网格刨分法由于刨分精度而产生的电磁波阴影边界舍入误差，同时也克服了射线追踪方法需要预先引入假设的射线而带来的人为误差；同时，本发明的方法不做任何假设，适用于任何复杂目标模型的电磁波阴影处理；并且，由于本发明算法不事先细分网格，在处理电磁波阴影的过程中只保存电磁波阴影的坐标信息，占用的系统内存以及所需运算量可以做到最小，因此，本发明算法适用于大型复杂目标模型的电磁波阴影处理。综上所述，本发明提供的电磁波阴影处理算法具有重要的学术意义和应用价值，并且可以应用于商用电磁仿真分析软件的电磁波阴影处理。

附图说明

图1是本发明的一种面向电磁传播模型的电磁波阴影处理方法的流程示意图；

图2至图8为本发明实施例中电磁波阴影处理方法的过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下面以如图2中所示的目标模型为例进行说明，图示的目标模型由7个三角基面组成；假设电磁波的入射方向为θ=70°，由于电磁波的照射，在基面7的后方的其他基面的部分区域上可能产生电磁波阴影。

流程图如图1中所示的一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法，主要包括以下步骤：

S1.以电磁波入射方向（θ=70°，）为z轴建立新坐标系，将目标模型从原坐标系变换至所述新坐标系。

S2.在新坐标系下，将目标模型全部7个基面（序号1，2，3，4，5，6，7）沿z轴方向投影，得到xy平面上的全部7个基面的投影坐标。由于电磁波的入射方向与新坐标系的z轴方向相同，原有的3维目标模型的电磁波阴影处理在新坐标系下可以转化为2维电磁波阴影处理，如图3所示。

S3.计算目标模型的每个基面（目标基面）由于位于其前面的其它基面对此基面的遮蔽部分（阴影）所产生的电磁波阴影，步骤S3包括：

对于基面1（目标基面），

S301.除去z坐标的最小值大于目标基面的z坐标的最大值的所有基面。对于本实施例，没有基面被除去。

S302.计算目标基面在新坐标系下的xy平面的坐标范围，除去不在此坐标范围内的其它基面。对于本实施例，没有基面被除去。

S303.做目标基面投影与剩余其它基面投影的交集运算，本实施例中目标基面投影与基面7投影的交集非空，此交集即为基面7在目标基面上产生的电磁波阴影，如图4所示。

S304.将目标基面投影与上述电磁波阴影进行补集运算，结果为多边形。

S305.将上述多边形变换为三角基面组，如图5所示。

对于其它基面，重复上述操作。在本实施例的后续计算中，基面2以外的其它基面上不产生电磁波阴影。基面2上的电磁波阴影，如图6所示。将基面2投影与基面2投影上的电磁波阴影的补集运算结果变换为三角基面组，如图7所示。

S4.将所述各三角基面组从新坐标系变换至原坐标系，即得到除去电磁波阴影的，对观察点的电磁场有贡献的目标模型基面部分，如图8所示。

本发明的一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法具备以下优点：

1、本发明所提供的方法无需事先进行网格刨分，根据电磁波照射的实际情况对目标物体基面做自适应分割处理，得到的电磁波阴影具有精确分明的边界，从而克服了网格刨分法由于刨分网格而产生的电磁波阴影边界舍入误差，同时也克服了射线追踪方法需要预先引入假设的射线而带来的人为误差。

2、本发明的方法不做任何假设，适用于任何复杂目标模型的电磁波阴影处理，即可以处理任意目标模型。

3、电磁波阴影的动态处理，本发明的方法不事先细分网格，在处理电磁波阴影的过程中只保存电磁波阴影的坐标信息，占用的系统内存可以做到最小，所需运算量也可以做到最小；因此，本发明算法适用于大型复杂目标电磁波阴影的处理。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (2)

1.一种面向大尺度复杂目标模型的电磁波阴影处理方法，所述目标模型由三角基面组成；其特征在于，包括步骤：

S1.以电磁波入射方向为z轴建立新坐标系，将目标模型从原坐标系变换至所述新坐标系；

S2.在新坐标系下，将目标模型全部基面沿z轴方向投影，得到xy平面上的全部基面的投影坐标；

S3.依次以目标模型各个基面为目标基面，计算目标基面由于位于其前面的其它基面的遮蔽所产生的第一电磁波阴影，并将目标基面投影与所述第一电磁波阴影进行补集运算，得到除去电磁波阴影的三角基面组；

S4.将上述各三角基面组从新坐标系变换至原坐标系，即得到除去电磁波阴影的，对观察点的电磁场有贡献的目标模型基面部分。

2.根据权利要求1所述的电磁波阴影处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S301.除去z坐标的最小值大于目标基面的z坐标的最大值的所有基面；

S302.计算目标基面在新坐标系下的xy平面的坐标范围，除去不在此坐标范围内的其它基面；

S303.做目标基面投影与剩余其它基面投影的交集运算；

S304.将目标基面投影与此电磁波阴影进行补集运算，结果为一个或多个多边形；

S305.将上述多边形变换为三角基面组。