Modellierung der Ausbreitung von Radiowellen durch Kombination von Ray-Tracing-Verfahren und Integraldarstellungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Eibert
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443636075

Effiziente und genaue Modellierungsansätze für die Ausbreitung von Funkwellen werden für ein besseres Verständnis der sich ständig weiterentwickelnden Kommunikations- und Sensorfunktionalitäten immer wichtiger. Ray-Tracing ist der leistungsstärkste Ansatz zur Modellierung der Wellenausbreitung in komplexen und weiträumigen Umgebungen, weist jedoch auch bestimmte Einschränkungen auf, insbesondere wenn es in Form von feldbasierten Darstellungen gemäß der geometrischen Optik umgesetzt wird. Im ersten Teil dieses Projektes hat der Antragsteller ein leistungsstarkes Ray-Tracing-Verfahren mit dem Konzept von Huygens-Flächenintegraldarstellungen kombiniert. Dadurch können komplexe und große Umgebungen in kleinere und weniger komplexe Teile zerlegt werden und insbesondere auch der Abdeckungsbereich der strahlenbasierten Darstellung kann erheblich vergrößert werden, wobei sogar Beugungseffekte auf natürliche Weise berücksichtigt werden. In diesem Fortsetzungsprojekt sollen die Fähigkeiten und die Effizienz dieses Hybridansatzes durch die Integration hierarchischer Datenstrukturen, wie sie aus den mehrstufigen schnellen Multipolmethoden bekannt sind, für die Feld-/Quellendarstellung auf den Huygensflächen weiter verbessert werden. Mit diesen Datenstrukturen wird die Anzahl der notwendigen Strahlenabschüsse erheblich reduziert, wobei sich der Algorithmus automatisch an die spezifische Umgebung anpasst, um eine gute Genauigkeit aufrecht zu erhalten. Da das Konzept der Huygens-Integraldarstellungen über geeignete Huygensflächen eine flexible Aufteilung einer betrachteten Ausbreitungsumgebung ermöglicht, wird das Huygensflächen-basierte Ray-Tracing-Verfahren weiter ertüchtigt, indem es mit numerischen Vollwellenmodellierungstechniken kombiniert wird, die zur Berechnung des Streu- und Strahlungsverhaltens von nicht zu großen komplexen Objekten verwendet werden. Einfallende Felder für die Vollwellenberechnungen werden durch einfallende Strahlen bereitgestellt und die gestreuten und abgestrahlten Felder können wiederum zur Bestimmung der Huygensquellen für die Fortsetzung der Strahlverfolgung außerhalb des Objektes verwendet werden. Darüber hinaus werden fortschrittliche Strategien zur Bestimmung der Strahlwege untersucht und umgesetzt, die die Fähigkeiten des Ray-Tracing-Verfahrens für Beugungs- und Brechungsberechnungen verbessern, wobei insbesondere die genaue und effiziente Auswertung der stark oszillierenden Huygens-Integrale eine Herausforderung darstellt. Schließlich wird das hybride Ray-Tracing-Verfahren für die hochpräzise Radarbildgebung in komplexen Umgebungen genutzt und weiter angepasst, wobei zur Bilderzeugung inverse Quelllösungen auf der Grundlage numerischer Greenscher Funktionen der komplexen Umgebung genutzt werden. Die numerischen Greenschen Funktionen werden dabei hocheffzient und genau über das hybride Ray-Tracing-Verfahren berechnet. Alle neuen Algorithmen werden für leistungsstarke Grafikprozessoren implementiert und validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen