基于FPGA的光线追踪研究

摘要

弹跳射线法(SBR)算法通过射线追踪完成多次散射过程的计算，结果更为准确，广泛应用于高精度的雷达散射截面(RCS)预测。考虑到SBR算法运算量大、计算时间长等缺点，本文先用八叉树算法优化SBR，又在可编程逻辑门阵列(FPGA)环境上进行硬件加速，提高算法的计算效率。这在目标识别、系统设计、隐身与反隐身等领域具有重要应用。
　　本文基于八叉树加速的SBR算法，是先将整个场景按八叉树剖分原则进行树状剖分。当确定某一子节点作为追踪对象时，通过遮挡识别判断出明暗面，再分别经过线与包围盒、线与面的求交测试即可得出一次及多次反射效果。通过和经典SBR算法对比分析，可以验证出本文加速算法的正确性，而且计算量得到明显地简化。
　　SBR的场强追踪是在得出每条射线追踪的路径上，计算各个反射面的出射场场强。将所有射线最终的出射场强进行累加，结合物理光学的远场积分计算，即可算出目标的RCS预估值。
　　为进一步加速SBR，本文提出的基于FPGA的SBR加速方法预先将场景中所有面元等信息寄存于一个静态随机存储器(SRAM)中，基于FPGA的射线追踪计算、场强积分计算等模块都可实时地访问SRAM。相比较中央处理器(CPU)的时分复用、顺序执行要有效地多。最后硬件仿真结果和CPU仿真结果进行比较，表明基于FPGA加速SBR不但计算精度高、而且大大提高了计算效率，运行时间加快了近600倍。这在一定程度上可以保证弹跳射线法的实时性，而且拓展其应用范围。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 SBR的加速方法研究现状和发展趋势

1．3 论文研究的主要内容

1．4 论文研究的难点和创新点

1．5 论文结构安排

第二章 SBR算法研究

2．1 标准射线路径追踪

2．1．1 射线的划分及表示方法

2．1．2 GO射线路径追踪

2．2 场强追踪

2．2．1 平面反射系数

2．2．2 散射因子

2．3 PO远场积分和RCS计算

2．3．1 远场积分步骤

2．3．2 RCS计算

2．4 仿真实验

2．5 本章小结

第三章 基于八叉树的软件加速SBR研究

3．1 八叉树的构造原理和生成方法

3．1．1 八叉树基本剖分原理

3．1．2 八叉树节点生成

3．2 基于八叉树的SBR加速算法设计

3．3 八叉树加速前后的计算量对比

3．4 实验结果对比

3．5 本章小结

第四章 基于FPGA的硬件加速SBR研究

4．1 FPGA的发展现状和优势

4．1．1 FPGA的现状和趋势

4．1．2 本文FPGA开发环境介绍

4．2 基于FPGA的SBR整体设计

4．3 基于FPGA的射线追踪处理单元

4．3．1 基于FPGA的求交计算

4．3．2 基于FPGA的多次反射计算

4．4 基于FPGA的场强处理和RCS计算

4．5 实验结果及分析

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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