三维射线追踪电磁传播仿真平台

资 源 简 介

该项目是在MATLAB环境下开发的高性能三维射线追踪系统，旨在精确模拟电磁波、声波或光波在复杂三维空间中的传播行为。系统核心功能包括发射源的全向或定向射线发射、射线与复杂几何障碍物的三维交点检测、基于物理定律的反射与折射计算以及边缘绕射的建模。通过递归追踪算法，系统能够处理多次反射后的路径损耗，并结合菲涅尔方程计算信号的振幅、相位和极化变化。该工具可广泛应用于5G/6G城市无线覆盖规划、室内局域网优化、雷达系统回波仿真、自动驾驶传感器建模以及水下声纳传播分析。系统通过集成空间划分加速技术，显著提升了在包含

详 情 说 明

MATLAB三维射线追踪传播特性仿真平台

项目介绍

本平台是一款基于MATLAB开发的高性能三维射线追踪（Ray Tracing）仿真系统，专门用于模拟电磁波在复杂三维空间中的传播行为。系统采用发射弹射线（SBR）算法，能够精确计算电磁波在传播过程中的空间路径损耗、反射损耗以及多径效应。该工具旨在辅助5G/6G城市无线覆盖规划、室内无线局域网优化及自动驾驶传感器建模，通过物理驱动的仿真手段还原真实世界的波导特性。

功能特性

• 全向射线发射仿真：支持基于俯仰角和方位角分辨率的可自定义射线发射模式，模拟点源的全向辐射。
• 复杂场景几何建模：内置三维场景还原功能，支持包含地板、天花板、墙体及内部障碍物的复杂环境构建。
• 物理层传播计算：结合自由空间路径损耗（FSPL）模型与基于菲涅尔方程（Fresnel Equations）的反射系数计算，考虑了介质的相对介电常数和电导率。
• 多阶递归追踪：支持最大反射次数自定义的递归追踪算法，能够处理复杂的多次反射衰减路径。
• 信号强度热力图生成：自动生成接收区域的信号强度分布图（RSSI Map），并利用高斯平滑技术优化可视化效果。
• 多维结果分析：系统可输出三维射线轨迹、路径损耗随距离变化曲线、功率时延谱（PDP）以及入射角统计直方图。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2020b 或更高版本。
• 核心工具箱：Image Processing Toolbox（用于热力图高斯平滑渲染）。
• 硬件建议：由于射线追踪涉及大量交点计算，建议配备 8GB 以上内存。

主程序实现逻辑说明

系统的执行流程遵循初始化、环境构建、射线追踪、数据统计与可视化五个核心步骤：

1. 环境配置与初始化：程序首先设定仿真物理参数，包括2.4GHz工作频率、发射机位置、发射功率及材质属性（介电常数5，电导率0.01 S/m）。
2. 三维场景构建：通过定义三角面元顶点坐标及其法向量，手动构建一个20m x 20m x 5m 的室内空间，并设置了垂直障碍物。
3. SBR射线发射循环：通过两层嵌套循环遍历俯仰角（0-180°）和方位角（0-360°），生成初始射线向量。
4. 递归追踪引擎：

* 交点检测：针对场景中所有三角面元，执行高效的射线-三角形相交算法。 * 损耗计算：计算射线行进距离产生的空间损耗，并根据入射角和材质属性计算菲涅尔反射系数，修正能量衰减。 * 反射处理：计算交点处的反射方向向量，并以此为起点进行下一阶递归寻迹。

1. 信号接收分析：当射线触及设定的接收平面高度时，系统将功率值在接收网格中进行线性域叠加，实现多径能量聚合。
2. 后处理与可视化：对接收功率矩阵进行dBm转换和空间平滑处理，最终输出四类分析图表。

关键算法与实现细节分析

• Möller–Trumbore 相交检测算法：

为了提升在大量三角面元场景下的运算效率，系统实现了向量化的Möller–Trumbore算法。该算法无需显式计算平面方程，通过重心坐标参数化表示直接判断射线是否穿过三角形内部，极大地优化了检测速度。

• 基于物理特性的反射模型：

系统不仅考量了几何上的镜像反射方向，更集成了复杂的斯特拉顿方程简化版。利用复介电常数（包含频率相关的电导率损耗）计算垂直极化分量的反射系数，使得仿真结果更贴近真实物理介质的波动特性。

• 多径信号采集逻辑：

系统通过空间坐标映射，将三维空间中的碰撞点实时投影到 0.5m 分辨率的接收网格上。为了模拟真实的接收机特性，系统在功率叠加时采用了先将dBm转为线性功率叠加、再转回对数域的计算方式，确保了多径分量相干积累的逻辑正确性。

• 统计特性分析：

* 功率时延谱 (PDP)：记录每条路径的时间戳（距离除以光速）与到达功率，展示多径扩展特性。 * 路径损耗模型：通过散点图形式直观反映各路径的总损耗与传播距离的关系，辅助验证衰落模型。