[发明专利]基于NURBS曲面的射线追踪方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于NURBS的射线追踪方法及系统，主要解决现有射线追踪方法速度慢和精度低的问题。其方案是：1.根据曲面节点距信息将曲面表示为多个曲面元；2.利用曲面元的坐标轴排列包围盒，排除一部分无交点的曲面元；3.利用曲面的三角面元控制网络，进一步排除无交点的曲面元；4.应用极值搜索迭代方法取射线和剩余曲面元的交点；5.利用几何关系与菲涅尔定律对射线进行追踪，形成递归，实现射线轨迹追踪。本发明通过坐标轴排列包围盒与三角面元控制网络排除更多无交点曲面元，减少了射线追踪时间，通过极值搜索迭代求解射线‑曲面交点，提高了交点的精度，可用于对表面弯曲目标雷达散射截面积进行快速和精确的计算。

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种射线追踪方法，可用于对曲面物体的雷达散射截面RCS精确计算。

背景技术

在对目标雷达散射截面进行计算时，目标的散射场不仅包含一次散射产生的场，还包括多次散射所产生的场。计算电磁波在目标表面经过多次反射后产生的散射场需要应用弹跳射线法SBR，射线追踪是该算法的本质内容。对于目标表面存在弯曲的情况而言，一般是使用大量小尺寸的三角平面元去逼近目标表面，这会使得目标本身的模型出现失真，且在射线追踪过程中忽略曲率的影响，从而使计算结果出现人为的失真。基于非均匀有理B样条NURBS曲面建模的SBR算法解决了这一问题，它可以计算任意弯曲目标表面的多次散射场。目前，基于曲面的射线追踪方法最终会归结于一个复杂的数学公式，对于该数学方程的处理，多采用牛顿迭代方法。

牛顿迭代方法解该数学公式，是通过各种复杂方式将曲面进行细分，从而使细分后的曲面元中至多存在一个交点，然后将该曲面元作为迭代区域，再利用复杂的手段得到严格的迭代初始值，做好这些准备工作后开始进行迭代过程，即将得到的结果作为新的迭代值进行下一次迭代，直至满足迭代终止条件。牛顿迭代法存在大量的缺陷：首先，由于要确保迭代区域内最多存在一个交点，使得前期准备工作需要耗费大量的时间。其次，由于牛顿迭代方法对初始值要求严格，若初始值选取不当，就可能迭代出错误交点或不收敛，造成交点遗漏或错误，这会使一些有效射线的追踪被判定为无效，进而使RCS计算精度不高；也可能会出现迭代过程中结果越过迭代区域边界的情况，这就需要重新选择初始迭代值，重新进行迭代，从而使射线追踪的时间消耗增加，使目标RCS的整体计算变得繁杂。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有方法的不足，提出一种基于NURBS曲面的射线追踪方法及系统，以有效找到合适的初始值和迭代区域并简化迭代过程，获得更精确的线面交点，减小射线的追踪时间，提高RCS计算的精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1.一种基于NURBS曲面的射线追踪系统，包括：

第一级拒绝检测模块，用于对每个曲面元构造各自的坐标轴排列包围盒AABB，若射线与某AABB不相交，则射线与该AABB对应的曲面元没有交点，排除该AABB所包含的曲面元，将保留下来的曲面元确定为初始曲面元集；

第二级拒绝检测模块(2)，用于为初始曲面元集中的曲面元建立各自的三角面元控制网络，若射线与某三角面元控制网格不相交，则射线与该三角面元控制网格对应的曲面元没有交点，排除该控制网络对应的曲面元，将保留下来的曲面元确定为目标曲面元集；

线-曲面相交检测模块(3)，用于应用极值搜索法迭代求解三角面元控制网络对应的曲面元与射线的交点，即先根据射线与某三角面元控制网络的交点个数k，再结合非均匀有理B样条NURBS的性质，得到与极值搜索法匹配的初始值与迭代区域，然后利用得到的初始值与迭代区域，应用极值搜索法迭代求解三角面元控制网络对应的曲面元与射线的交点；

轨迹追踪模块(4)，用于选取与射线源点最近的照亮交点，并应用菲涅尔定律获得射线的反射方向，再将求得的交点作为起点，将反射射线作为新的入射射线继续追踪，形成递归，从而实现射线轨迹追踪。

2.一种基于NURBS曲面的射线追踪方法，包括如下：