基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法技术

本发明专利技术涉及电磁波场强预测技术，为实现在保持射线跟踪模型预测场强的精准度的同时对计算复杂度改进，提高效率。本发明专利技术采用的技术方案是，基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，首先进行场景建模，将场景进行矩形网格化，场强的矩形网格大小相同，在整个场景区域内网格均匀分布；然后利用正向射线跟踪算法计算出网格中心点的场强值，将网格中心场强计算值存入数据库，然后利用三步分析数据插值预测出整个场强区域内任一场点的场强值。本发明专利技术主要应用于电磁波场强预测场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁波场强预测技术，具体讲,涉及基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测。
技术介绍
从上世纪90年代开始，射线跟踪算法就得到了广泛的关注并处于快速发展阶段，目前广泛应用的确定性方法是基于几何光学和一致性绕射理论的射线跟踪模型。射线跟踪的难点和关键是对跟踪路径的搜索，目前在路径搜索中可以分为两大类：正向搜索算法和反向搜索算法。这两种算法都具有自己独特的优势，相对应的也存在着不可忽视的缺点。细化这两大类跟踪方法，可以大致分为以下五种方法：镜像法，极小光程法，测试射线法，发射反弹射线法和确定性射线管方法。在发展历程中，最开始被广泛采用的是镜像法和预测射线法。但二者都有其局限性，传统的镜像法不能满足不同环境下的普遍适用性，而测试射线法的预测误差较大，不够准确。那自然就伴随着大量的研究人员对以上算法的改进和修改，其中S.Y.Tan等人提出了多镜像法方法来进行射线跟踪，这种方法采用求解源点的多次镜像的方法来求解反射波。Hae-Won提出了射线管法，其将电波视为不断发散传播的射线管，电磁波只能在射线管内传播，黄永明、吕英华等人提出了一种基于射线跟踪法和FDTD(时域有限差分法)的混合方法。为了提升射线跟踪算法的效率，很多学者提出了射线跟踪的加速算法，如角度缓存区(AZB)算法的提出，这种算法是基于计算机图形学里所使用的光缓冲(LightBuffer)技术，其基本思路为：按照源点的位置把空间分成若干角度区域，源点可以是发射天线也可以是反射后的镜像点。当射线从源点发射出去后，只要对射线与在包含有射线的角度区域里的物体进行求交即可。还有像射线路径搜索算法领域的加速，例如边界盒(BoundingBox)，四叉树分区(QuadtreeDivision)，八叉树(Octree)分区等加速技术。另外，降维算法也是一种很好的加速方式，为了得到高效的射线跟踪程序且保留其准确性，可以在非三维几何空间环境下执行射线跟踪算法。基于这个思想，已经有了此方面的算法例如二维/准三维算法，垂直平面发射(VerticalPlaneLaunch,VPL)算法等。以矩阵分割和三角分割为代表的空间分割算法也是有效的加速算法，空间分割算法能给出快速的射线穿越和高效的射线跟踪，这是因为穿过网络的算法比较快并且只对少量的物体进行相交测试。为了提升射线跟踪的预测效率，所以所以在射线跟踪自身路径搜索上进行和通过其他算法改进电波传播预测，是未来研究的发展方向。在这一思想的指导下，本专利技术开展了对射线跟踪自身算法的研究。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在实现在保持射线跟踪模型预测场强的精准度的同时对计算复杂度改进，提高效率。本专利技术采用的技术方案是，基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，首先进行场景建模，将场景进行矩形网格化，场强的矩形网格大小相同，在整个场景区域内网格均匀分布；然后利用正向射线跟踪算法计算出网格中心点的场强值，将网格中心场强计算值存入数据库，然后利用三步分析数据插值预测出整个场强区域内任一场点的场强值。1)场景建模：将场景的几何信息和电磁信息分别存储起来；2)场景网格化：先在二维平面内进行场景划分，随后依据高度信息分层划分，最终形成整个场景区域三维空间的网格划分。3)射线跟踪：场景网格划分之后，采用正向射线跟踪算法，利用场强计算方法来求解射线并计算各场点的场强值，在室内环境中，忽略掉一些到达场点时场强贡献值很小的路径，仅考虑直射路径，一次反射路径，两次反射路径，三次反射路径，忽略掉绕射机制的影响。三步分析数据插值预测具体步骤如下：建立分析圆，分析圆是以给点场点坐标为中心坐标建立的一个圆，设网格点的长宽高分别为x，y，z，则分析圆的半径：Step1：如果场点周围存在一中心点距离小于R/10，则直接将该中心场强替代场点场强值，相当于中心占优法；Step2：如果N<4，则采用距离倒数加权法预测；Step3：分析圆包含场点数目大于等于4，采取三维插值法，利用周边八个中心点确定场强。距离倒数加权法预测具体步骤如下：Step1：给定场点坐标，根据与中心场点的距离，确定利用N个场点来预测该场点路径损耗；Step2：计算出该场点距离各个中心点的距离，根据该场点距离不同中心点的距离倒数的某次方值作为权重W，具体地：假设场点距离各中心点距离为d1,d2,d3,…,dn，其中x为距离的方次，权重计算公式如下：Step3：根据权重以及各个中心点路径损耗值，加权计算出场点路径损耗值，具体计算公式为：即得到预测值，其中Hk为第k个中心点路径损耗值。三维插值法在三维空间内进行插值计算，给定场点坐标值(a，b，c)之后，需要场点周围的八个目标场点进行计算，流程如下：将场点坐标归一化，变化后得到浮点坐标(i+μ,j+ν,k+λ)其中，i，j，k为整数，μ、ν、λ为小数代表坐标的变化大小，取值范围在[0,1],该场点场强由周围的八个点确定，其坐标可归一化(i,j,k),(i,j+1,k),(i+1,j,k),(i+1,j+1,k),(i,j,k+1),(i,j+1,k+1),(i+1,j,k+1),(i+1,j+1,k+1)。则由以下公式：确定场点路径损耗值。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术提供了一种基于射线跟踪模型的场强预测，应用改进后的三步分析法数据插值方法，既保证了射线跟踪模型的正确性和准确性，又在一定程度上提升了预测速度。提高了预测效率。如图7所示，采用改进后的方法效果更好。附图说明：图1基于射线跟踪模型的数据插值法流程图。图2室内场景网化实例图。图3射线跟踪算法流程图。图4三步分析法数据插值流程图。图5室内场景建模。图6射线跟踪计算路径损耗值与实测值对比图。图7采用插值算法与射线跟踪计算值对比图。具体实施方式利用射线跟踪算法进行建模计算的基础之上引入了数据插值算法，结合最近邻点插值，距离倒数加权和拉格朗日插值提出了三步分析法，从而在保持射线跟踪模型预测场强的精准度的同时实现了计算复杂度的改进，提高了效率。基于射线跟踪模型的计算场强值来进行场强预测。在室内场景环境中，我们首先将场景进行矩形网格化，场强的矩形网格大小相同，在整个场景区域内网格均匀分布。然后利用一种快速的正向射线跟踪算法计算出网格中心点的场强值，将网格中心场强计算值存入数据库后利用三步分析法数据插值预测出整个场强区域内任一场点的场强值。流程图如图1。1)场景建模。场景模型可以是二维模型或者三维模型，基于三维场景模型的射线跟踪程序精度较高；场景模型可以是城区、郊区或者室内，对于不同的场景模型，所编写的射线跟踪程序应用也不同；场景模型可以基于GIS电子地图自动生成，也可以基于CAD软件自己绘制得到。针对室内环境进行场景建模，采取三维模型。建立场景模型后，使用编程软件提取出该模型后续计算所需的场景数据库。为了建立完整的场景数据库，在数据库中我们将场景的几何信息和电磁信息分别存储起来。CAD建模以后存储为DXF文件，在提取DXF文件数据后可以得到字符串信息，从中提取底面多边形、高度、顶点坐标，面，劈和顶点数量等信息，构建物体对象，对象当中除以上提及的几何信息还包含电磁参数电导率磁导率以及介电常数等电磁信息。2)场景网格化。在三维场景建模完成后，对场景进行网格化，在此我们可以采取一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，其特征是，首先进行场景建模，将场景进行矩形网格化，场强的矩形网格大小相同，在整个场景区域内网格均匀分布；然后利用正向射线跟踪算法计算出网格中心点的场强值，将网格中心场强计算值存入数据库，然后利用三步分析数据插值预测出整个场强区域内任一场点的场强值。

【技术特征摘要】
1.一种基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，其特征是，首先进行场景建模，将场景进行矩形网格化，场强的矩形网格大小相同，在整个场景区域内网格均匀分布；然后利用正向射线跟踪算法计算出网格中心点的场强值，将网格中心场强计算值存入数据库，然后利用三步分析数据插值预测出整个场强区域内任一场点的场强值。2.如权利要求1所述的基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，其特征是，1)场景建模：将场景的几何信息和电磁信息分别存储起来；2)场景网格化：先在二维平面内进行场景划分，随后依据高度信息分层划分，最终形成整个场景区域三维空间的网格划分。3)射线跟踪：场景网格划分之后，采用正向射线跟踪算法，利用场强计算方法来求解射线并计算各场点的场强值，在室内环境中，忽略掉一些到达场点时场强贡献值很小的路径，仅考虑直射路径，一次反射路径，两次反射路径，三次反射路径，忽略掉绕射机制的影响。3.如权利要求1所述的基于射线跟踪模型的数据插值法场强预测方法，其特征是，三步分析数据插值预测具体步骤如下：建立分析圆，分析圆是以给点场点坐标为中心坐标建立的一个圆，设网格点的长宽高分别为x，y，z，则分析圆的半径：R=x2+y2+z2---(5)]]>Step1：如果场点周围存在一中心点距离小于R/10，则直接将该中心场强替代场点场强值，相当于中心占优法；Step2：如果N<4，则采用距离倒数加权法预测；Ste...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晋生，郭雪亮，孔祥博，陈为刚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12