Strålesporing (fysikk) - Ray tracing (physics)
I fysikk, strålesporing er en metode for å beregne banen til bølger eller partikler gjennom et system med områder av varierende forplantningshastighet , absorpsjonskarakteristika, og reflekterende overflater. Under disse omstendighetene kan bølgefronter bøyes, endre retning eller reflektere av overflater, noe som kompliserer analysen. Strålesporing løser problemet ved å gjentatte ganger fremme idealiserte smale bjelker kalt stråler gjennom mediet med diskrete mengder. Enkle problemer kan analyseres ved å forplante noen få stråler ved hjelp av enkel matematikk. Mer detaljert analyse kan utføres ved å bruke en datamaskin til å forplante mange stråler.
Når den brukes på problemer med elektromagnetisk stråling , er strålesporing ofte avhengig av omtrentlige løsninger på Maxwells ligninger som er gyldige så lenge lysbølgene forplanter seg gjennom og rundt objekter hvis dimensjoner er mye større enn lysets bølgelengde . Stråleteori beskriver ikke fenomener som interferens og diffraksjon , som krever bølgeteori (som involverer den fase av bølgen).
Teknikk
Strålesporing fungerer ved å anta at partikkelen eller bølgen kan modelleres som et stort antall veldig smale bjelker ( stråler ), og at det eksisterer en viss avstand, muligens veldig liten, som en slik stråle er lokalt rett over. Strålesporeren vil fremføre strålen over denne avstanden, og deretter bruke et lokalt derivat av mediet for å beregne strålens nye retning. Fra dette stedet sendes en ny stråle og prosessen gjentas til en fullstendig bane genereres. Hvis simuleringen inkluderer faste gjenstander, kan strålen testes for skjæringspunkt med dem i hvert trinn, og justerer strålens retning hvis det blir funnet en kollisjon. Andre egenskaper av strålen kan endres når simuleringen også går fremover, slik som intensitet , bølgelengde eller polarisering . Denne prosessen gjentas med så mange stråler som er nødvendige for å forstå systemets oppførsel.
Bruker
Astronomi
Strålesporing blir stadig mer brukt i astronomi for å simulere realistiske bilder av himmelen. I motsetning til konvensjonelle simuleringer, bruker ikke strålesporing den forventede eller beregnede PSF fra et teleskop, og sporer i stedet reise for hvert foton fra å komme inn i den øvre atmosfæren til detektoren. Det meste av spredning og forvrengning, hovedsakelig som følge av atmosfære, optikk og detektor, blir tatt i betraktning. Selv om denne metoden for simulering av bilder iboende er treg, har fremskritt innen CPU- og GPU-funksjoner noe avbøyd dette problemet. Den kan også brukes til å designe teleskoper. Merkbare eksempler inkluderer Large Synoptic Survey Telescope der denne typen strålesporing først ble brukt med PhoSim for å lage simulerte bilder.
Radiosignaler
En spesiell form for strålesporing er radiosignalet strålesporing, som sporer radiosignaler, modellert som stråler gjennom ionosfæren hvor de er avbøyd og / eller reflektert tilbake til jorden. Denne formen for strålesporing innebærer integrering av differensiallikninger som beskriver forplantningen av elektromagnetiske bølger gjennom dispersive og anisotrope medier som ionosfæren. Et eksempel på fysikkbasert radiosignalsporing vises til høyre. Radiokommunikatorer bruker strålesporing for å bestemme nøyaktig oppførsel av radiosignaler når de forplanter seg gjennom ionosfæren.
Bildet til høyre illustrerer kompleksiteten i situasjonen. I motsetning til optisk strålesporing der mediet mellom objekter vanligvis har en konstant brytningsindeks , må signalstrålesporing håndtere kompleksiteten til en romlig varierende brytningsindeks, der endringer i ionosfæriske elektrontettheter påvirker brytningsindeksen og dermed strålebaner. To sett med signaler sendes i to forskjellige høydevinkler. Når hovedsignalet trenger inn i ionosfæren, deler magnetfeltet signalet i to komponentbølger som blir sporet hver for seg gjennom ionosfæren. Den vanlige bølgekomponenten (rød) følger en bane helt uavhengig av den ekstraordinære bølgekomponenten (grønn).
Havakustikk
Lydhastigheten i havet varierer med dybden på grunn av endringer i tetthet og temperatur , og når et lokalt minimum nær en dybde på 800–1000 meter. Dette lokale minimumet, kalt SOFAR-kanalen , fungerer som en bølgeleder , ettersom lyd har en tendens til å bøye seg mot den. Strålesporing kan brukes til å beregne lydstien gjennom havet opp til veldig store avstander, og inkludere effekten av SOFAR-kanalen, samt refleksjoner og refraksjoner fra havoverflaten og bunnen. Fra dette kan steder med høy og lav signalintensitet beregnes, noe som er nyttig innen havakustikk , akustisk kommunikasjon under vann og akustisk termometri .
Optisk design
Strålesporing kan brukes i utformingen av linser og optiske systemer , for eksempel i kameraer , mikroskoper , teleskoper og kikkert , og anvendelsen av dette feltet dateres tilbake til 1900-tallet. Geometrisk strålesporing brukes til å beskrive forplantning av lysstråler gjennom et linsesystem eller optisk instrument, slik at de bildedannende egenskapene til systemet kan modelleres. Følgende effekter kan integreres i et strålespor på en enkel måte:
- Spredning fører til kromatisk aberrasjon
- Polarisering
- Laser lyseffekter
- Tynnfilminterferens ( optisk belegg , såpeboble ) kan brukes til å beregne reflektiviteten til en overflate.
For anvendelse av linsedesign er det to spesielle tilfeller av bølgeforstyrrelse som er viktig å ta hensyn til. I et fokuspunkt møtes stråler fra en punktlyskilde igjen og kan forstyrre hverandre konstruktivt eller destruktivt. Innenfor et veldig lite område nær dette punktet kan innkommende lys tilnærmes av planbølger som arver deres retning fra strålene. Den optiske banelengden fra lyskilden brukes til å beregne fasen . Den deriverte av posisjonen til strålen i fokalområdet på kildeposisjonen blir brukt for å oppnå den bredde av strålen, og fra at amplituden av den plane bølge. Resultatet er punktspredningsfunksjonen , hvis Fourier-transform er den optiske overføringsfunksjonen . Fra dette kan også Strehl-forholdet beregnes.
Det andre spesielle tilfellet å vurdere er interferensen til bølgefronter, som er tilnærmet som fly. Men når strålene kommer tett sammen eller til og med krysser, brytes bølgefrontens tilnærming. Interferens av sfæriske bølger kombineres vanligvis ikke med strålesporing, og diffraksjon ved en blenderåpning kan ikke beregnes. Disse begrensningene kan imidlertid løses med en avansert modelleringsteknikk kalt Field Tracing . Field Tracing er en modelleringsteknikk som kombinerer geometrisk optikk med fysisk optikk som gjør det mulig å overvinne begrensningene for interferens og diffraksjon i utformingen.
Strålesporingsteknikkene brukes til å optimalisere utformingen av instrumentet ved å minimere aberrasjoner , for fotografering og for lengre bølgelengdeapplikasjoner , slik som design av mikrobølgeovn eller til og med radiosystemer, og for kortere bølgelengder, slik som ultrafiolett og røntgenoptikk .
Før datamaskinen kom , ble strålesporingsberegninger utført for hånd ved hjelp av trigonometri og logaritmiske tabeller. De optiske formlene til mange klassiske fotografiske linser ble optimalisert av romfulle mennesker, som hver håndterte en liten del av den store beregningen. Nå blir de trent i programvare for optisk design . En enkel versjon av strålesporing kjent som stråleoverføringsmatriseanalyse blir ofte brukt i utformingen av optiske resonatorer som brukes i lasere . De grunnleggende prinsippene for den hyppigst brukte algoritmen ble funnet i Spencer og Murty's grunnleggende papir: "General ray tracing Procedure".
Seismologi
I seismologi bruker geofysikere strålesporing for å hjelpe til med jordskjelvplassering og tomografisk rekonstruksjon av jordens indre . Seismisk bølgehastighet varierer innenfor og under jordskorpen , noe som får disse bølgene til å bøye seg og reflektere. Strålesporing kan brukes til å beregne stier gjennom en geofysisk modell, følge dem tilbake til kilden, for eksempel et jordskjelv, eller utlede egenskapene til det intervenerende materialet. Spesielt tillot oppdagelsen av den seismiske skyggesonen (illustrert til høyre) forskere å utlede tilstedeværelsen av jordens smeltede kjerne.
Plasmafysikk
Energitransport og spredning av bølger spiller en viktig rolle i plasmabølgen. Kraftstrømningsbaner av elektromagnetiske bølger gjennom et romlig ikke-enhetlig plasma kan beregnes ved hjelp av direkte løsninger av Maxwells ligninger. En annen måte å beregne forplantning av bølger i plasmamediet er ved hjelp av Ray-tracing-metoden. Studier av bølgeforplantning i plasma ved bruk av strålesporingsmetode finnes i.
Generell relativitet
I generell relativitets , hvor Gravitasjonslinsing kan forekomme, at geodesics er av lysstrålene som mottar ved observatøren integrert bakover i tid inntil de treffer regionen av interesse. Bildesyntese under denne teknikken kan sees som en utvidelse av vanlig strålesporing i datagrafikk. Et eksempel på slik syntese finnes i filmen Interstellar fra 2014 .
Se også
- Atmosfærisk optikk strålesporingskoder
- Atmosfærisk refraksjon
- Feltsporing
- Gradientindeksoptikk
- Liste over strålesporingsprogramvare
- Havakustisk tomografi
- Strålesporing (grafikk)
- Matriseanalyse av stråleoverføring