RaytrAMP：高效计算电磁散射的利器

项目介绍

RaytrAMP是一款基于射击与反射射线（SBR）方法的雷达散射截面（RCS）计算工具。SBR方法作为一种近似的电磁求解器，在高频和远场范围内能够提供准确的结果。与全波求解器如矩量法相比，它不仅计算速度更快，而且所需的计算资源更少。SBR的工作原理与计算机图形学中的光线追踪非常相似。

项目技术分析

RaytrAMP能够计算任意电大复杂PEC（完美电导体）对象的单静态RCS。它采用了多种优化措施以确保运行效率：

• 利用“边界体积层次结构”（BVH）加速射线与三角形网格的交点计算。
• 使用Morton编码构建BVH，这比表面积启发式方法更快，同时生成的BVH质量也是可接受的。
• BVH数据结构存储在连续内存中，节点通过索引而非指针连接，这种结构在文献中有时被称为“线性BVH”。
• 在GPU上执行BVH遍历（使用C++ AMP），采用非递归遍历算法，这种算法在文献中有时被称为“无栈BVH遍历”。每个GPU核心仅使用一个128字节的短栈数组，这在代码中手动控制。
• 使用“结构体数组”而非“数组结构体”，尽管GPU上的缓存不同，这更有利于内存局部性。
• 在叶节点中存储整个三角形数据，利用C++中的“联合体”，使得叶节点存储三角形顶点，而不是子节点索引和AABB顶点。这样，当叶节点被获取时，所有三角形数据都可以立即使用。
• 使用Möller-Trumbore算法进行射线-三角形交点计算，该算法无需对三角形进行预计算，但运行速度几乎与其他算法一样快。
• 使用32位浮点数，64位数会占用两倍的内存并在GPU上运行得更慢，而对于SBR方法的数值精度来说并非必要。然而，整个程序可以很容易地转换为64位长数，因为代码中的每个类都是模板化的。

项目及技术应用场景

RaytrAMP的核心功能在于计算电磁散射，这在许多领域都有广泛的应用，如雷达系统设计、电磁兼容性测试、隐身技术研究和天线设计等。以下是几个具体的应用场景：

1. 雷达系统设计：通过精确计算目标对象的RCS，可以更好地设计雷达系统，提高探测能力和准确性。
2. 隐身技术研究：利用RaytrAMP进行隐身材料的RCS分析，可以帮助研发更为有效的隐身技术。
3. 天线设计：在天线设计中，分析周围环境对天线性能的影响至关重要，RaytrAMP可以提供精确的环境散射信息。

项目特点

1. 高效计算：通过使用GPU加速和多种优化措施，RaytrAMP在处理大型复杂模型时表现出极高的计算效率。
2. 易于使用：通过MATLAB进行控制，使得用户可以轻松地进行参数设置和结果分析。
3. 广泛适用性：无论目标对象的大小和复杂度如何，RaytrAMP都能提供准确的RCS计算结果。
4. 灵活性：由于每个类都是模板化的，可以轻松地将程序转换为64位长数，以适应不同的计算需求。

以下是RaytrAMP在实际应用中的几个案例：

Dihedral Reflector

• 三角形数量：4
• 频率：约15 GHz
• 电气尺寸：约50λ
• 方向数量：3600
• RaytrAMP执行时间：3分钟
• FEKO执行时间：32分钟（约10倍慢）

Audi R8

• 三角形数量：20973
• 频率：约1.5 GHz
• 电气尺寸：约25λ
• 方向数量：90
• RaytrAMP执行时间：1.5秒
• FEKO执行时间：15分钟（约600倍慢）

B-1B Lancer

• 三角形数量：630886
• 频率：约1.5 GHz
• 电气尺寸：约250λ
• 方向数量：2048
• RaytrAMP执行时间：30分钟
• FEKO执行时间：2分钟完成1%的1个方向。因此，完成全部计算将需要9个月时间（约10000倍慢）

RaytrAMP以其卓越的计算效率和准确性，为电磁散射研究提供了一个强有力的工具。对于从事相关领域研究的科研人员和工程师来说，RaytrAMP无疑是一个值得尝试的开源项目。