电波传播射线追踪法的研究

摘　要： 本文介绍了当前常用的射线跟踪技术预测无线电波传播的理论基础和基本思想,接着详细论述了射线追踪的常用方法。

关键词：射线追踪；电波传播；传播模型
　　射线追踪是一种被广泛用于移动通信和个人通信环境(室外宏蜂窝、街道微蜂窝和室内微蜂窝)中预测电波传播特性的技术，其基木思想是:将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，在这过程中计算出射线的能量,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、几何绕射理论和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，如果全部考虑这些射线，在真实的传播环境里计算量可能会很大。
一、当前常用的射线追踪方法
1 发射反弹射线算法
　　发射反弹射线算法是一个正向的射线追踪技术，因为它是从射线的源开始追踪射线传播来模拟传播的。该方法首先追踪从发射天线发出的一条射线，看它是否与障碍物相交或被接收机接收。如果射线与障碍物相交，就会发生反射、透射、绕射或散射现象，至于发生哪种或哪几种现象，取决于障碍物的几何结构和电参数特性；如果射线被接收机天线接收，则计算与射线相关的场量或功率。对每条从源天线发射出的射线重复上述过程。
2 镜像法
　　镜像方法是一种简单而准确度很高的有效方法。如下图所示，以两次反射为例，先由几何光学方法确定关于面的镜像，再确定镜像源关于面的镜像，连接镜像源与接收点交面于点，得到一个反射点，再连接与镜像源交面于,得到另外一个反射点，顺次连接———就得到两次反射的射线轨迹。对于次反射可以依此类推，求出各个反射点，就可以得到射线轨迹，达到追踪的目的。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地区，而不适于建筑物任意分布的地区。　　　
　　3 混合算法
　　混合方法是将镜像方法和发射反弹射线算法方法结合起来，用发射反弹射线算法方法快速确定可能的射线路径，找到射线路径之后，可以确定路径所经过的一系列障碍物面，然后可以用镜像方法确定反射点。混合方法综合了镜像方法准确和发射反弹射线算法方法高效率的优点。
二、射线追踪的加速算法
    射线追踪方法简单实用，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地重视。射线追踪的加速主要从以下几方面考虑:
1 可视区域有效射线的找寻方法
　　可视区域有效射线找寻法是一种新的快速的射线追踪方法。该方法通过对建筑物坐标进行处理，先用二维方法，在采用斜率判断的方式进行遮挡测试，通过建立由源点到场点的可视反射面—绕射边缘树结构找出能够到达场点的有效射线之后，二维变三维，再考虑高度信息，最后对到达场点射线的电场进行叠加，确定场点的总场。
　　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—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。
　　这种方法当层数考虑太多，尤其是绕射波阶数考虑较高时，计算量和内存将大大增加；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，如树林、水草等的影响，离实用还有一定距离。另外，该方法能处理的建筑物结构有限。
2 角度Z-缓冲区算法
    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。
3 路径搜索算法
　　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用以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)。
三、展望
　　在实际工程中,运算速度较快,数据要求相对少的射线追踪法被广泛运用。但一般工程仅能提供传播时间,速度分布需要预先假设。由于此类方法要预先引入假设的射线,带来一部分人为误差。这使总误差进一步扩大,使之很难得到较准确的路径。故希望能有一种更智能化的运算方法,得到更准确,更实用的路径,方便进一步分析。
参考文献 ：
[1] 阮颖铮，电磁射线理论基础，成都：成都电讯工程学院出版社，1989
[2] John 著，章文勋译，天线（第三版），北京：电子工业出版社，2005