基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法

摘要

高频近似方法中的弹跳射线法（Shooting and Bouncing Ray，SBR）是用射线管来模拟电磁波在目标表面的传播和散射情况，十分适合于复杂目标的电磁计算问题。然而由于射线管数量的巨大，射线管的追踪和电磁计算非常耗时，极大的限制了SBR方法在电磁散射计算中的应用。主要讨论了如何充分的利用现有技术提高SBR的计算效率，使用层次包围体(Bounding Volume Hierarchy，BVH)加速树和基于GPU的CUDA并行计算技术，这两种加速方法的混合使用能够显著的提高SBR方法的计算效率。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了传统SBR方法的实现过程。首先生成射线管，在虚拟孔径面上分裂出初始化射线管；然后对射线管进行追踪更新，即射线与目标三角面元求交和射线管的电磁场强度更新；最后对每根发生更新的射线管使用物理光学法(Physical Optics，PO)求解其雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)，目标整体RCS为每根射线管RCS之和。并使用SBR方法计算了几个模型与FEKO软件的计算结果做对比，验证了该方法的有效性，能够适用于多次散射情况的电磁计算问题。⑵介绍了BVH加速树用来提高SBR方法的计算效率。首先介绍了四种类型的包围盒性能，选择使用轴向包围盒(Aligned Axis Bounding Box，AABB)来包围目标面元；然后介绍了中分和表面积启发剖分(Surface Area Heuristic，SAH)两种空间划分方法，并使用中分或SAH方法反复对目标面元空间进行划分进而构建出所需的BVH树；最后详细描述了射线与BVH树的有堆栈遍历方法。数值计算结果表明：BVH树能够能够显著的减少单根射线管的追踪更新时间，其加速效果与树的深度成正比，并且SBR方法的计算精度不是取决于目标三角面元尺寸，而是取决于单根射线管的尺寸。⑶介绍了基于GPU的CUDA并行计算技术来进一步提高SBR方法的计算效率。为了能够在GPU上处理带BVH树的SBR方法，首先介绍了CUDA编程模型；然后详细描述了超大数量射线管任务在GPU上的处理方法，接着使用线索来增强 BVH树并介绍了线索的添加过程；最后详细讨论了射线在带有线索的BVH树上的无堆栈遍历方法，这种遍历方法可以减少了无必要的内部节点的遍历和数据的压栈出栈。数值结果表明：GPU能够提高大量射线管的追踪的计算效率，在不超过GPU的计算能力外时，射线管的数量越多，GPU所提供的加速效果越明显。⑷将基于GPU的SBR方法应用到目标的雷达隐身优化分析中，重点分析了一个封闭的八面体桅杆。首先介绍了四种雷达隐身性能的评估参数；然后计算了一次和多次散射情况时原始桅杆的RCS，分析了多次散射情况对桅杆RCS的影响；最后分析了四种不同参数的桅杆模型各自的雷达隐身性能。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外的研究状况和发展趋势

1.3 本文的组织结构

第二章 传统的弹跳射线法

2.1 射线管的生成

2.2 射线的追踪更新

2.3 物理光学法求解射线管的RCS

2.4 数值结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 基于BVH树的弹跳射线法

3.1 包围盒的类型

3.2 BVH树节点分割准则

3.3 BVH树的构建

3.4 BVH树的堆栈式遍历

3.5 数值结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 基于GPU的弹跳射线法

4.1 计算统一设备架构（CUDA）简介

4.2 射线管任务映射到GPU端

4.3 BVH树在GPU上的无堆栈遍历

4.4 数值结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 舰船桅杆雷达隐身优化分析

5.1 桅杆模型参数

5.2 桅杆隐身性能评估参数

5.3 桅杆隐身性能优化分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 在学期间研究成果