基于高頻電磁的尋跡算法升級(jí)版介紹

摘要：雖然一致性幾何繞射理論（UTD）理論上可以應(yīng)用于由非均勻有理B樣條（NURBS）建模的任意形狀的曲面，但UTD表面衍射場(chǎng)的計(jì)算中有一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，即難以確定爬行波在任意形狀的NURBS表面上傳播的測(cè)地線路徑。在微分幾何中，測(cè)地路徑滿足測(cè)地微分方程（GDE）。因此，引入了一種通用且高效的自適應(yīng)變量歐拉法來(lái)解決任意形狀的NURBS曲面上的GDE。與傳統(tǒng)的歐拉法相比，所提出的方法采用形狀因子（SF）ξ來(lái)有效提高跟蹤精度，并擴(kuò)展了UTD在實(shí)際工程中的應(yīng)用。 算法的有效性和有用性可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

0 引言

在高頻電磁問(wèn)題中，一致性幾何繞射理論（UTD）應(yīng)用非常廣泛[1]，例如目標(biāo)散射特性預(yù)估。因此，在準(zhǔn)確獲得目標(biāo)表面UTD繞射場(chǎng)問(wèn)題上，表面爬行射線波追蹤起著非常大的作用[2]。所以，首先要進(jìn)行目標(biāo)表面爬行波追蹤（測(cè)地線軌跡）。但是，實(shí)際上除了一些典型形體能夠直接得到測(cè)地線微分方程（GDE）外，在任意形狀的光滑物體表面如何測(cè)定測(cè)地線軌跡是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

JHA R M[3-5]提出了Geodesic Constant解析方法，但只在一般的拋物旋轉(zhuǎn)面適用。通常地，在工程應(yīng)用上，很多目標(biāo)被看作如木板、圓柱、圓錐和球等一些已經(jīng)有爬行波尋跡解析解的典型形體。但很難用這些典型形體去估計(jì)復(fù)雜形體，這似乎就限制了UTD方法的應(yīng)用。

因此，需要介紹一下數(shù)值爬行波追蹤算法，該方法基于離散三角面剖分模型表面，但是不能直接應(yīng)用于UTD算法[6]。除了用離散三角形面片建立復(fù)雜模型，它還可以描述NURBS曲面。而且，NURBS曲面由于它的高精度、少面片的特性，被引用到高頻電磁分析領(lǐng)域。當(dāng)目標(biāo)用NURBS曲面表示后，測(cè)地線軌跡可由GDE求解直接獲得。所以，一些數(shù)值方法被用來(lái)計(jì)算GDE。為了獲得NURBS曲面上的爬行波軌跡[7]，歐拉方法效率高但是精度低，精度依賴于剖分面片外形，對(duì)于任意形狀模型可能會(huì)失效。

為了提高在任意形狀NURBS表面爬行波追蹤的準(zhǔn)確性和效率，本文提出了一種基于新型自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉法的爬行波跟蹤算法。由于自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉方法是基于傳統(tǒng)的歐拉法，從而保證了效率；并在數(shù)值迭代求解GDE的過(guò)程中引進(jìn)形狀因子ξ，離散的步長(zhǎng)可以及時(shí)自適應(yīng)地糾正。因此，與傳統(tǒng)的歐拉法相比，該方法可以很容易地保證其準(zhǔn)確性在任意形狀的NURBS表面上的爬行光線跟蹤。也就是說(shuō)，它更適合于工程應(yīng)用。

1 任意形狀目標(biāo)NURBS曲面建模

非均勻有理B樣條(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)曲面是非均勻B樣條曲面的有理推廣。它被定義為：

u、v參數(shù)域映射到3個(gè)空間可以在圖1中看到。

下面在圖2中給出3個(gè)NURBS建模結(jié)果。其中圓柱的表面是均勻網(wǎng)格表面，而其他表面是不均勻網(wǎng)格表面。

2 任意NURBS曲面表面的爬行波追蹤算法

對(duì)于源點(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置，光滑曲面表面的繞射問(wèn)題有3種類型：(1)源點(diǎn)和觀察點(diǎn)都不在表面且遠(yuǎn)離表面，這種情況屬于光滑曲面散射問(wèn)題；(2)源點(diǎn)在曲面上，觀察點(diǎn)遠(yuǎn)離表面，此時(shí)為光滑曲面輻射問(wèn)題；(3)源點(diǎn)與觀察點(diǎn)都在表面上，這就屬于耦合問(wèn)題[10]。

所以，射線追蹤也有3種類型，根據(jù)圖3～圖5所示，在所有這些情況下，表面上的射線軌跡稱為爬行波，其被約束沿著測(cè)地線傳播。本文主要關(guān)注爬行波的射線追蹤，因?yàn)樗巧渚€追蹤過(guò)程中最困難的一部分。

2.1 爬行波的入射點(diǎn)和出射點(diǎn)

根據(jù)這兩個(gè)方程可以求解出NURBS曲面上大量的入射點(diǎn)與出射點(diǎn)。

2.2 基于自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉法求解射線追蹤GDE

由于任意形狀的表面上的爬行射線的路徑滿足GDE，因此可以將爬行射線的問(wèn)題改為求解GDE的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)歐拉法求解GDE是一種簡(jiǎn)單快捷的方法。但是根據(jù)研究，在大多數(shù)情況下由于傳統(tǒng)的歐拉法精度低，穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致求解效果不好。

對(duì)于非線性問(wèn)題，基本上需要步進(jìn)控制校正程序。因此，本文中，為提高光線跟蹤的準(zhǔn)確性并確保效率，提出了自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉方法來(lái)求解GDE。

GDE方程如下：

其中，h是兩個(gè)相鄰離散點(diǎn)之間的步長(zhǎng)，并且確定它是非常重要的。ξ是形狀因子（SF），用來(lái)自適應(yīng)地控制每個(gè)離散步長(zhǎng)。而ξ的值受制于對(duì)象的形狀，關(guān)于ξ的更多細(xì)節(jié)將在2.3節(jié)中給出。

在數(shù)值計(jì)算中，可以計(jì)算多個(gè)離散點(diǎn)(ui，vi)來(lái)表示爬行波，i=0，1，2…。因此，根據(jù)離散化，上式可以重寫為：

由式(13)可知，(ui+2，vi+2)能用(ui+1，vi+1)、(ui，vi)及ξi+1，i推導(dǎo)而出。必須計(jì)算出爬行射線最初的兩個(gè)坐標(biāo)(u0，v0)、(u1，v1)及ξ1，0，才能遞推出整個(gè)爬行射線。

可以通過(guò)方程(4)獲得第一個(gè)點(diǎn)Q0(u0，v0)，然后由微分幾何，第二個(gè)點(diǎn)可由Q0在u，v各自方向切向量之和近似表示，如圖7所示。

這里第二個(gè)點(diǎn)表示為：

形狀因子的一般表達(dá)式在2.3節(jié)中給出。根據(jù)表達(dá)式，可以確定得到ξ1，0。計(jì)算出(u0，v0)、(u1，v1)及ξ1，0后，(ui，vi)可以根據(jù)式(12)隨著i的增加逐步迭代算出。

2.3 形狀因子?孜的推導(dǎo)

微分方程的精度與步長(zhǎng)h有關(guān)，步長(zhǎng)越小精度越高。然而，在迭代求解爬行波射線軌跡上的離散點(diǎn)的過(guò)程中，算法效率因離散點(diǎn)數(shù)的增加而減小，而且，離散點(diǎn)越多，累積誤差越大，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。

顯然，為了逼近

但是在實(shí)際情況中，無(wú)法得知確定的(u(s)，v(s))表達(dá)式，所以導(dǎo)致離散點(diǎn)無(wú)法合理提取。于是本文提出用形狀因子ξ來(lái)反映參數(shù)變化，用于確定離散步長(zhǎng)。用ξ的離散值ξi+1，i來(lái)表示爬行射線相鄰點(diǎn)參數(shù)變化率。ξi+1，i的表達(dá)式如下：

設(shè)

對(duì)方程(17)中的變量s求微分，可得單位切向量：

3 數(shù)值算例與分析

理論上可以在一些典型物體（如圓柱體、錐體）上計(jì)算爬行射線，因此，可以從這些對(duì)象的分析結(jié)果中驗(yàn)證所提出的方法是否有效。

3.1 圓柱體

圖9所示為圓柱表面（均勻網(wǎng)格）爬行波射線傳播軌跡圖。圓柱的半徑為1 m，高為3 m。表1為爬行波尋跡結(jié)果，起始點(diǎn)為(1，0，0)。

從表1可知，采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉法得到的數(shù)值結(jié)果與解析方法的結(jié)果吻合得非常好，由此可證明該尋跡算法正確性。

3.2 任意曲面目標(biāo)

圖10所示為任意曲面表面（非均勻網(wǎng)格表面）爬行波射線傳播軌跡圖。根據(jù)微分幾何知識(shí)，球面上的數(shù)值結(jié)果可以直接由理論值得到驗(yàn)證。表2為爬行波尋跡結(jié)果，起始點(diǎn)為(1.0，0.0，0.0)。

如圖10所示，提出的方法結(jié)果與理論結(jié)果吻合較好。從表2和圖10可以看出，盡管隨著離散步長(zhǎng)的增加歐拉方法的誤差減少了，但是耗時(shí)也增加了很多。更重要的是，如果離散步長(zhǎng)繼續(xù)增加下去，結(jié)果完全錯(cuò)誤，這意味著歐拉方法不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

對(duì)于任意形狀NURBS目標(biāo)表面爬行波射線軌跡尋跡，本文提出了基于自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉法的快速有效的尋跡算法。為了驗(yàn)證該尋跡算法的正確性與有效性，給出了幾個(gè)典型驗(yàn)證算例。相比于傳統(tǒng)的歐拉法，自適應(yīng)變步長(zhǎng)歐拉法不僅繼承了傳統(tǒng)歐拉法的效率高的優(yōu)勢(shì)，而且該算法適用于任意的光滑曲面。