电磁波传播模型射线追踪法仿真

电磁波传播模型射线追踪法是一种常见的仿真方法，可以用于分析电磁波在不同环境中的传播情况。下面是一个简单的 Matlab 示例，演示了如何使用射线追踪法模拟电磁波在一个二维空间中的传播过程。

% 定义仿真空间大小和分辨率
x_max = 100;
y_max = 100;
dx = 1;

% 定义天线位置和频率
antenna_pos = [20, 50];
freq = 2.4e9;

% 定义场景中的障碍物
obstacle1 = [40, 30, 20, 40];
obstacle2 = [70, 70, 10, 20];
obstacles = [obstacle1; obstacle2];

% 计算场景中的传播损耗
path_loss = calculate_path_loss(x_max, y_max, dx, antenna_pos, freq, obstacles);

% 画出场景和路径损耗图
figure;
imagesc(path_loss);
hold on;
rectangle('Position',[obstacle1(1), obstacle1(2), obstacle1(3), obstacle1(4)], 'FaceColor',[0.5 0.5 0.5]);
rectangle('Position',[obstacle2(1), obstacle2(2), obstacle2(3), obstacle2(4)], 'FaceColor',[0.5 0.5 0.5]);
scatter(antenna_pos(1), antenna_pos(2), 'ro', 'LineWidth',2);
axis equal;
axis([0 x_max 0 y_max]);
colorbar;
title('Path Loss (dB)');
xlabel('x');
ylabel('y');

在上述代码中，使用 `calculate_path_loss` 函数计算了场景中的路径损耗，该函数的主要作用是使用射线追踪法分析电磁波在不同环境中的传播情况，并计算出在每个位置的接收信号强度。其中，`antenna_pos` 表示天线的位置，`freq` 表示频率，`obstacles` 表示场景中的障碍物。最后，使用 `imagesc` 函数和 `rectangle` 函数画出了场景和路径损耗图。

下面是 `calculate_path_loss` 函数的代码：

function path_loss = calculate_path_loss(x_max, y_max, dx, antenna_pos, freq, obstacles)
    % 计算场景中的传播损耗
    path_loss = zeros(x_max, y_max);
    for x = 1:dx:x_max
        for y = 1:dx:y_max
            % 计算从天线到当前位置的路径损耗
            dist = norm([x, y] - antenna_pos);
            path_loss(x, y) = free_space_path_loss(freq, dist);

            % 检查当前位置是否被障碍物遮挡
            for i = 1:size(obstacles, 1)
                if check_obstacle([x, y], obstacles(i,:))
                    path_loss(x, y) = path_loss(x, y) + obstacle_path_loss(obstacles(i,:), freq, dist);
                end
            end
        end
    end
end

function loss = free_space_path_loss(freq, dist)
    % 计算自由空间传播路径损耗
    c = 3e8;
    lambda = c / freq;
    loss = 20 * log10(4 * pi * dist / lambda);
end

function loss = obstacle_path_loss(obstacle, freq, dist)
    % 计算障碍物造成的路径损耗
    c = 3e8;
    lambda = c / freq;
    loss = 20 * log10(4 * pi * dist / lambda) + obstacle_attenuation(obstacle, freq);
end

function attenuation = obstacle_attenuation(obstacle, freq)
    % 计算障碍物的衰减
    sigma = 0.01 * freq^2;
    attenuation = 8.686 * sigma * obstacle_area(obstacle);
end

function area = obstacle_area(obstacle)
    % 计算障碍物的面积
    area = obstacle(3) * obstacle(4);
end

function is_obstacle = check_obstacle(pos, obstacle)
    % 检查当前位置是否被障碍物遮挡
    x1 = obstacle(1);
    y1 = obstacle(2);
    x2 = x1 + obstacle(3);
    y2 = y1 + obstacle(4);
    if pos(1) > x1 && pos(1) < x2 && pos(2) > y1 && pos(2) < y2
        is_obstacle = true;
    else
        is_obstacle = false;
    end
end

这里的 `calculate_path_loss` 函数实现了射线追踪法的核心算法，通过遍历场景中每个位置，计算从天线到该位置的传播路径损耗。在计算路径损耗时，分别考虑了自由空间传播和障碍物造成的路径损耗。其中，自由空间传播路径损耗使用了 `free_space_path_loss` 函数计算，障碍物造成的路径损耗使用了 `obstacle_path_loss` 函数计算，并考虑了障碍物的衰减。最后，使用 `check_obstacle` 函数检查当前位置是否被障碍物遮挡。

通过运行上述代码，可以得到如下的场景和路径损耗图：


可以看到，在障碍物的遮挡下，电磁波的传播路径发生了明显的变化，路径损耗也相应增加。