分层介质目标电磁散射计算的快速射线追踪方法

针对利用射线追踪方法计算分层介质目标散射时由于海量射线导致的资源和效率瓶颈问题,提出了改进的蒙特卡洛法和自适应射线细分法,实现对超电大分层介质目标高频电磁散射的快速计算.改进的蒙特卡洛法基于射线在介质分界面上反射和折射的能量分布,将射线分裂等效为按照特定概率发生反射或折射,射线追踪过程中射线数保持不变,而自适应射线细分法通过选择稀疏的初始射线,并根据目标结构和材质的变化自动细分加密,在保证计算精度的同时最大程度降低射线数.仿真试验与参考结果对比验证了本文方法的精确和高效,并分析了两种方法的优缺点,给出了适用范围以及在实际工程应用中的建议.     

含曲面介质结构复杂目标电磁散射计算的射线追踪方法

针对含曲面介质结构的电大复杂目标电磁散射计算问题, 提出一种基于平面元网格模型曲率重构与射线密度归一化概念相结合的快速射线追踪方法.该方法通过曲率重构计算复杂目标表面的主曲率半径, 考虑从光疏介质到光密介质和从光密介质到光疏介质时电磁波照射凹凸曲面所具有的不同扩散或聚焦效应, 并利用射线密度归一化计算射线追踪过程中每一根射线对总散射场的贡献.当射线与介质表面的碰撞点位于焦散处时, 通过引入功率追踪成功克服了传统几何射线管在焦散处的奇异性.仿真结果验证了该方法的正确性和高效性.     

三维介质目标电磁散射的一种计算方法

采用矩量法－共轭梯度－快速富立叶变换（ＭＯＭ－ＣＧＭ－ＦＦＴ）的混合技术来研究三维均匀介质和非均匀介质目标的散射问题。该方法是以等效电流作为未知函数建立积分方程,用ＭＯＭ将之转化为线性代数方程组,应用ＣＧＭ－ＦＦＴ进行求解。由于在计算中采用了ＣＧＭ－ＦＦＴ技术,降低了所需计算机内存和ＣＰＵ时间,可以有效地处理大尺寸三维目标的散射。所计算出的数据和解析结果相比较,吻合较好。结果证明,该方法适应性广,     

基于并行双尺度射线追踪的海面电磁散射计算

利用一种基于双尺度模型(Two Scale Model, TSM)的射线追踪(Ray Tracing, RT)算法(TSM-RT)快速计算电大尺寸海面电磁散射, 与传统的射线追踪算法相比, 该算法能够有效减少射线与面元的求交次数, 提高了计算效率.同时, 为了进一步减少计算时间, 利用图形处理单元(Graphics Processing Unit, GPU)强大的并行处理能力对TSM-RT算法进行加速.计算结果表明:基于GPU的并行TSM-RT算法与基于CPU的串行TSM-RT算法相比计算时间有了很大程度的减少, 获得了很好的加速效果.     

基于不同编译器的短波射线追踪计算

在高性能计算机上,研究基于不同编译器的三维短波射线追踪计算.通过对三维短波射线追踪计算的分析,设计和实现了三维短波射线追踪串行计算软件和并行计算软件,分别在GCC编译器和PGI编译器中编译生成可执行文件,基于PGI编译器的运行时间明显优于基于GCC编译器的运行时间.     

基于混合计算方法的脉冲超宽带穿墙散射建模

基于时域射线追踪技术(TD-Ray)和时域有限差分方法(FDTD),提出了一种可以对穿墙传播环境中的组合尺寸结构进行快速电磁散射建模的混合计算方法。混合方法针对冲激/脉冲超宽带(IR-UWB)信号时域极窄的特点,利用TD-Ray技术来计算电大尺寸的规则墙体结构及室内空间的传播过程,避免了FDTD方法在电大结构和空间传播上过于精细的网格划分,提高了计算效率并减少内存需求。混合方法同时又结合FDTD方法对室内较小尺度的复杂损耗结构进行计算,可以解决TD-Ray技术在复杂损耗结构电磁建模上存在的困难,从而保证了电磁散射的计算精度。通过应用算例验证了该方法在电大电小组合结构电磁散射建模上的有效性,对比表明该方法得到的穿墙人体目标平均雷达散射截面(RCS)计算结果与实测数据吻合较好。     

用时域积分方程法计算介质目标的电磁散射

本文应用时域积分方程法计算介质目标的散射场，并以球体和带球帽的圆柱体为例给出了沿轴向入射平面波的电磁散射结果，与实际测试结果非常一致，值得指出的是，虽然本文给出的介质目标具有平面对称性，但该方法适用于任意形状的目标。     

双层介质柱损耗正切的逆散射法研究

本文导出了双层复介电常数圆柱体散射场的矩阵解公式,并用所模拟的散射场定量研究了用滤波-反投影技术计算出的介质柱内部介电常数分布特性。文中给出了介质圆柱的二维径向分布曲线以及由重构图象矩阵中统计回收计算出的介电常数损耗。     

介质柱电磁极化散射的计算和分析

本文首次给出柱形体的一种有价值的极化散射矩阵Ｓ,定义,Ｓ,具有六个自由度,它包含了柱形体散射的所有信息,并给出计算平行极化ＲＣＳ的垂直极化ＲＣＳ等公式。从Ｓｓ也易于导出线极化基极化散射矩阵Ｓｔ和圆极化基极化散射矩阵Ｓｃ等。在此基础上本文将ＭｏＭ－ＣＧＭ－ＦＦＴ混降低了所需计算机内存和ＣＰＵ,提高了计算效率。本文以介质板柱体的极化散射为例进行了计算,所得结果与理论结果与及其它文献中的精确结果进行比较     

电离层三维射线追踪的快速计算方法

基于三维射线追踪的Haselgrove方程,实现了快速电离层短波数字的三维射线追踪.根据射线传播的几何关系,给出在电离层以下部分的射线参数计算方法.根据电子浓度梯度的变化和自适应Runge-Kutta法,给出了三维射线追踪中自适应改变积分步长的快速计算方法,并以准抛物电离层模型为例,讨论了利用本文方法与解析解相比的精度,以及与各种不同步长相比的时间和精度.结果表明:采用本文方法在相同精度下速度至少可以提高一个数量级.     

单轴晶体上光线追迹的一套实用公式

本文在固定坐标系中推导了任一空间光线入射到单轴晶体上时折射光线方向矢的一般公式。     

基于高斯光束与射线追踪的短波波场计算算法

短波通信中几何光学理论难以计算焦散波场的传播问题,提出一种基于高斯光束的短波传播计算算法.首先,采用高斯光束法将产生高频波场的波源分解为若干个高斯光束;然后,通过射线追踪法与拉格朗日公式计算每个高斯光束,通过沿光束中心射线的ODE(常微分方程)计算曲率与光束宽度等定量;最终,采用泰勒展开式决定中心射线附近光束的贡献度,将接收点附近的高斯光束进行加权求和,获得接收端的波场.实验结果表明,本算法可有效地计算焦散的短波传播,并且与几何光学法的误差极为接近.     

非平行分层等离子体鞘套电波传播的复射线方法

基于损耗媒质的复Snell定律提出采用复射线方法研究电磁波在非均匀且非平行分层的等离子体媒质中的传播特性.该方法考虑非均匀平面电磁波的复射线(包括等幅度面的传播射线和等相位面的传播射线), 追踪电磁波复射线在每层媒质中的传播路径以及它们透过媒质分界面时的折射射线, 同时根据复射线的传播方向计算电磁波在每层媒质中的传播衰减, 数值累计整个传播过程中的传播衰减即可获得电磁波穿过等离子体鞘套的总衰减.由钝锥体仿真流场数据简化出非平行分层几何模型并采用复射线方法进行计算分析.计算结果表明:飞行器头部至尾部的传播衰减相差巨大且呈现迅速减小趋势, 非平行分层非均匀等离子体媒质存在某特定入射角, 能使传播衰减达到最小值.     

射线跟踪技术中场强计算的改进算法

为减小通信基站附近场强的预测分布与运营后实际分布之间的误差,利用角度缓存区改进算法跟踪射线,提出场强精确算法.通过建立三套坐标系,并考虑通信基站天线下倾角、±45°极化、三瓣花布局等实际因素,推导场强之间的关系.结合天线方向图及波极化面的旋转,计算每条路径场强幅度及相位.对不同路径场强矢量合成,求出精确解.用该算法对两个实例进行计算,结果与实测值误差小于4dB.该算法及程序可用于电磁环境影响评价及场强预测.     

电离层高频传播点对点射线追踪仿真器

为了发展高效的高频(High Frequency,HF)电波点对点传播仿真工具,研究了一个HF电波经电离层反射传播的点对点射线追踪仿真器(Point-to-point Ionospheric Ray Tracing Simulator,PIRTS).该仿真器通过求解Haselgrove方程进行射线追踪,电离层传播环境使用三维网格,网格由国际参考电离层2007版(International Reference Ionosphere,IRI2007)生成或由电离图导出的真高剖面提供,地磁场使用国际参考地磁场第11版（International Geomagnetic Reference Field,IGRF11)建模.PIRTS能高效搜索连接发射点和接收点的所有射线,包括低角射线、高角射线以及不同层反射的射线.为了验证PIRTS的精度和实用性,比较了实测的与PIRTS仿真合成的垂测电离图,还比较了西安莆田HF链路上观测的与PIRTS仿真的最大可用频率.对比结果表明：PIRTS具有较高的精度和较快的效率,能达到实用的水平,尤其适合于斜向电离图的仿真、HF通信选频等点对点传播问题.     

费马原理确定柱面和锥面反射点的解析表示式

在研究大型复杂器件的电磁兼容问题时,射线寻迹是关键.结合费马原理推导出了光在柱面和锥面上反射点的解析公式,同时给出了应用该公式计算的圆柱和圆锥的远场方向图及部分反射点.结果表明:该公式是正确的,并且在复杂环境中大大缩短了寻迹时间,提高了寻迹精度.     

基于DSP的太阳光线自动跟踪系统设计与实现

以DSP为主控制器设计太阳光线自动跟踪系统。采用简单的太阳位置算法粗略跟踪太阳光线;再利用光线跟踪传感器精确跟踪。介绍模拟跟踪装置的组成、光线检测原理,并详细描述控制系统。该系统能在大范围内精确检测太阳光线入射角,并将信息实时返回至监控装置。由于跟踪传感装置结构简单、跟踪方法易于实现,且传感器价格低廉．有望应用于高聚光型太阳能发电系统。     

基于高密度子网格光线追迹的三维发射层析重建算法

三维(three- dimensional,3D) 发射层析技术(emission computerized tomography,ECT) 是一种简单、高效且准确的燃 烧场3D成像与检测技术,其中权重矩阵的计算 精度决定了层析重建的精度和质量。本文研究了一种基于高密度子网格光线追迹的权重矩阵 计算方法, 将被测区域划分为密度更高的子网格,并根据相机成像模型实现光线追迹,以确定离散网格 对投影像素 的权重因子。数值模拟和燃烧火焰重建实验表明该算法具有较高的精度和计算效率。该研究 对于3D发射层析技术的实用化具有重要的理论意义。     

基于射线跟踪的小区信号强度估计

基于经验模型的无线信号强度估计方法无法针对具体物理场景,估计结果精度低,无法满足移动通信网络规划和优化的需要。射线跟踪技术能依据场景信息跟踪电波传播路径,但现有的反向跟踪方法在进行室外成片区域信号强度估计时复杂度高,无法实用。为提高估计结果的精度,降低估计方法的复杂度,提出了一种正向跟踪信号强度估计方法,将基站天线处发射的电磁波模拟成离散的射线,在考虑建筑物形状、分布信息的基础上采用基于网格的搜索算法跟踪射线路径,在接收点处对反射、绕射射线接收合并,最终得到基站覆盖区域的信号强度分布。仿真结果表明该方法的场强估计结果和实测数据吻合程度远大于经验模型估计方法,并且80%左右的估计结果和实测数据的误差在12 dBm以内,可应用于移动通信网络规划和优化。