本發(fā)明涉及地球物理勘探，具體地而言為一種基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、地球物理方法因其風(fēng)險(xiǎn)性低而被廣泛用于確定地下結(jié)構(gòu)。在所有用于礦產(chǎn)勘探的地球物理方法中，甚低頻電磁法以快速繪制地下結(jié)構(gòu)/導(dǎo)體而聞名，該方法采用導(dǎo)航無線電發(fā)射裝置作為源，這些發(fā)射裝置通常采用垂直傘狀天線，可等效為垂直電偶極子。且由于全球各地分布著多達(dá)42臺(tái)地面甚低頻通信發(fā)射機(jī)，因此發(fā)射源較為穩(wěn)定可靠。為了能更加清晰地分析地面垂直天線發(fā)射的電磁波傳播過程及傳播特征，考慮電離層對(duì)傳播過程的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)體的精準(zhǔn)探測(cè)，需要構(gòu)建包含地下目標(biāo)體的“地-電離層模型”，實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算。研究垂直天線發(fā)射的電磁波在地-空-星探測(cè)中的電磁響應(yīng)及傳播特征不僅為地球各圈層之間的相互作用和耦合關(guān)系、地球物理探測(cè)等前沿科學(xué)技術(shù)的研究提供一種新的技術(shù)手段，而且具有重要的科學(xué)技術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)的使用價(jià)值。

2、對(duì)于將垂直天線作為發(fā)射源進(jìn)行地球物理探測(cè)的研究，國(guó)內(nèi)外有很多相關(guān)研究成果。

3、1970年，wait等人首次提出分層地面上垂直電偶極子的輻射，分析了均勻大地模型下垂直電偶極子電磁場(chǎng)傳播；2010年，底青云等人計(jì)算了含電離層的任意n層介質(zhì)時(shí)水平電偶極子的電磁波傳播過程，具有參考價(jià)值；2019年，徐益輝等人分析了任意n層介質(zhì)的垂直電偶極子的側(cè)面波，但未考慮電離層的影響；2020年，李彥等人計(jì)算了四層介質(zhì)時(shí)垂直電偶極子的電磁波傳播過程，但是當(dāng)需要拓展為多層介質(zhì)時(shí)，計(jì)算繁瑣復(fù)雜，推導(dǎo)的計(jì)算表達(dá)式不具有遞推特性，且無法考慮較厚的電離層的影響。

4、cn202210200191.0公開了一種分析甚低頻電磁波在地-電離層中傳播的fdtd方法，分析有關(guān)甚低頻電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的傳播特性問題。但是該方法無法計(jì)算垂直天線作為發(fā)射源的情況。

5、cn202310808136.4公開了一種地-各向異性電離層波導(dǎo)中甚低頻電波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法，預(yù)測(cè)甚低頻電波隨距離的變化情況，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能精確預(yù)測(cè)甚低頻電波場(chǎng)強(qiáng)隨距離變化的問題。但是該方法沒有考慮當(dāng)?shù)叵麓嬖诙鄬咏橘|(zhì)的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有方法沒有同時(shí)考慮電離層和多層介質(zhì)的情況，將地面甚低頻發(fā)射臺(tái)垂直天線等效為垂直電偶極子，提供一種基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，包括如下步驟：

3、一種基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，包括如下步驟：

4、1)構(gòu)建目標(biāo)體-電離層模型，分別設(shè)置地下目標(biāo)體模型和電離層模型；

5、2)選取正時(shí)諧因子，把電場(chǎng)、磁場(chǎng)和場(chǎng)源都表示為二維傅里葉變換的形式；

6、3)將步驟2)的二維傅里葉變換的形式代入maxwell方程的旋度方程，得到關(guān)于電場(chǎng)、磁場(chǎng)和場(chǎng)源的關(guān)系式；

7、4)根據(jù)步驟3)得到的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和場(chǎng)源的關(guān)系式構(gòu)建水平磁場(chǎng)bx的微分方程：

8、

9、式(1)中，j表示第j層介質(zhì)，表示第j層傅里葉變換后的水平磁場(chǎng)，i表示虛部，μ0表示真空磁導(dǎo)率，j表示場(chǎng)源，字母上的“～”符號(hào)表示傅里葉變換，η、z分別表示空間域的y、z方向在傅里葉變換后的坐標(biāo)，uj表示第j層的中間變量；

10、5)分別解得公式(1)中的齊次方程的通解和非齊次方程的特解后導(dǎo)出各區(qū)域水平磁場(chǎng)bx和縱向電場(chǎng)ey的二維傅里葉形式表達(dá)式；

11、6)根據(jù)分界面連續(xù)性條件構(gòu)建微分方程求解式；

12、7)將微分方程求解結(jié)果變換回空間域，得到包含電離層正向系數(shù)、電離層反向系數(shù)、全空間關(guān)聯(lián)系數(shù)的多層介質(zhì)的電磁響應(yīng)計(jì)算公式；

13、8)設(shè)置模型參數(shù)：地下模型的參數(shù)，包括模型的層數(shù)、厚度和電導(dǎo)率；電離層模型的參數(shù)，包括電離層的層數(shù)、區(qū)域范圍以及電導(dǎo)率；地面發(fā)射參數(shù)，包括發(fā)射電流、發(fā)射頻率、發(fā)射天線高度和發(fā)射源的位置；設(shè)置接收點(diǎn)的位置；

14、9)將步驟8)設(shè)置的參數(shù)代入步驟7)得到的公式計(jì)算得到電場(chǎng)值和磁場(chǎng)值；

15、10)重復(fù)步驟8)和步驟9)得到不同頻點(diǎn)和接收點(diǎn)下的計(jì)算結(jié)果。

16、進(jìn)一步地，步驟5)得到的各區(qū)域水平磁場(chǎng)bx和縱向電場(chǎng)ey的二維傅里葉形式表達(dá)式為：

17、

18、式(2)-式(3)中，cj和dj分別表示第j層的求解系數(shù)，j＝0,1,2,3,4，ω表示角頻率，ε表示介電常數(shù)，u0，u1，u2，u3，u4分別表示第0、1、2、3、4層的中間變量，d表示第1層的厚度，表示第j層傅里葉變換后的縱向電場(chǎng)，p表示源項(xiàng)系數(shù)，e表示自然指數(shù)。

19、進(jìn)一步地，步驟7)得到的多層介質(zhì)的計(jì)算公式為：

20、

21、式(4)中b1φ表示第1層柱坐標(biāo)系中φ方向磁場(chǎng)分量，c1c表示電離層正向系數(shù)，c1d表示電離層反向系數(shù)，體現(xiàn)電離層對(duì)“地-空”的影響，c0f表示全空間關(guān)聯(lián)系數(shù)，聯(lián)系“地-空-星”各層物性，ρ表示發(fā)射到接收的距離，λ表示積分變量，j1表示一階貝塞爾函數(shù)，j1(λρ)表示以λ和ρ為變量的一階貝塞爾函數(shù)；式(5)中mj表示第j層的中間變量，r1為遞歸函數(shù)，聯(lián)系地下各層的物性，是計(jì)算式(4)的系數(shù)所需，h2第2層的厚度，h3表示第3層的厚度。

22、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：針對(duì)現(xiàn)有方法沒有同時(shí)考慮電離層和多層介質(zhì)的情況，將地面甚低頻發(fā)射臺(tái)垂直天線等效為垂直電偶極子，構(gòu)建包含地下目標(biāo)體的“地-電離層模型”，開展地面垂直天線發(fā)射、空中及衛(wèi)星高度接收的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算及特征分析。本發(fā)明有利于分析了電離層對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的影響，深入剖析了含電離層的垂直天線電磁波傳播機(jī)理。本發(fā)明為通過航空器和衛(wèi)星開展淺部目標(biāo)體大尺度范圍精準(zhǔn)探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于，步驟5)得到的各區(qū)域水平磁場(chǎng)bx和縱向電場(chǎng)ey的二維傅里葉形式表達(dá)式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于垂直天線地-空-星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，其特征在于，步驟7)得到的多層介質(zhì)的計(jì)算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于垂直天線地?空?星探測(cè)的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方法，目的在于構(gòu)建包含地下目標(biāo)體的“地?電離層模型”，并進(jìn)行地面垂直天線發(fā)射、空中及衛(wèi)星高度接收的電磁響應(yīng)數(shù)值計(jì)算及特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)體的精準(zhǔn)探測(cè)。本發(fā)明利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)和場(chǎng)源的二維傅里葉變換形式，基于旋度方程構(gòu)建磁場(chǎng)的微分方程并進(jìn)行求解，然后將方程求解結(jié)果變換回空間域，得到多層介質(zhì)的電磁響應(yīng)計(jì)算公式。通過設(shè)置地下模型、垂直天線發(fā)射參數(shù)和電離層參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空中及衛(wèi)星高度的磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，分析了電離層對(duì)地下目標(biāo)體探測(cè)的影響，深入剖析了含電離層的垂直天線電磁波傳播機(jī)理。本發(fā)明為通過航空器和衛(wèi)星開展淺部目標(biāo)體大尺度范圍精準(zhǔn)探測(cè)奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)研發(fā)人員：嵇艷鞠,張陽(yáng),邱仕林,趙雪嬌,于一兵,林君
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10