【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及地球物理勘探，具體地而言為一種基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法。
技術介紹
1、地球物理方法因其風險性低而被廣泛用于確定地下結構。在所有用于礦產勘探的地球物理方法中，甚低頻電磁法以快速繪制地下結構/導體而聞名，該方法采用導航無線電發射裝置作為源，這些發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42臺地面甚低頻通信發射機，因此發射源較為穩定可靠。為了能更加清晰地分析地面垂直天線發射的電磁波傳播過程及傳播特征，考慮電離層對傳播過程的影響，從而實現對地下目標體的精準探測，需要構建包含地下目標體的“地-電離層模型”，實現電磁響應數值計算。研究垂直天線發射的電磁波在地-空-星探測中的電磁響應及傳播特征不僅為地球各圈層之間的相互作用和耦合關系、地球物理探測等前沿科學技術的研究提供一種新的技術手段，而且具有重要的科學技術價值和現實的使用價值。
2、對于將垂直天線作為發射源進行地球物理探測的研究，國內外有很多相關研究成果。
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傳播；2010年，底青云等人計算了含電離層的任意n層介質時水平電偶極子的電磁波傳播過程，具有參考價值；2019年，徐益輝等人分析了任意n層介質的垂直電偶極子的側面波，但未考慮電離層的影響；2020年，李彥等人計算了四層介質時垂直電偶極子的電磁波傳播過程，但是當需要拓展為多層介質時，計算繁瑣復雜，推導的計算表達式不具有遞推特性，且無法考慮較
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，分析有關甚低頻電磁波在地-電離層波導中的傳播特性問題。但是該方法無法計算垂直天線作為發射源的情況。
5、cn202310808136.4公開了一種地-各向異性電離層波導中甚低頻電波場強計算方法，預測甚低頻電波隨距離的變化情況，解決了現有技術中存在的不能精確預測甚低頻電波場強隨距離變化的問題。但是該方法沒有考慮當地下存在多層介質的情況。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于針對現有方法沒有同時考慮電離層和多層介質的情況，將地面甚低頻發射臺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-星探測的電磁響應數值計算方法。
2、本專利技術是這樣實現的，一種基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，包括如下步驟：
3、一種基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，包括如下步驟：
4、1)構建目標體-電離層模型，分別設置地下目標體模型和電離層模型；
5、2)選取正時諧因子，把電場、磁場和場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，得到關于電場、磁場和場源的關系式；
7、4)根據步驟3)得到的電場、磁場和場源的關系式構建水平磁場bx的微分方程：
8、
9、式(1)中，j表示第j層介質，表示第j層傅里葉變換后的水平磁場，i表示虛部，μ0表示真空磁導率，j表示場源，字母上的“～”符號表示傅里葉變換，η、z分別表示空間域的y、z方向在傅里葉變換后的坐標，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出各區域水平磁場bx和縱向電場ey的二維傅里葉形式表達式；
11、6)根據分界面連續性條件構建微分方程求解式；
12、7)將微分方程求解結果變換回空間域，得到包含電離層正向系數、電離層反向系數、全空間關聯系數的多層介質的電磁響應計算公式；
13、8)設置模型參數：地下模型的參數，包括模型的層數、厚度和電導率；電離層模型的參數，包括電離層的層數、區域范圍以及電導率；地面發射參數，包括發射電流、發射頻率、發射天線高度和發射源的位置；設置接收點的位置；
14、9)將步驟8)設置的參數代入步驟7)得到的公式計算得到電場值和磁場值；
15、10)重復步驟8)和步驟9)得到不同頻點和接收點下的計算結果。
16、進一步地，步驟5)得到的各區域水平磁場bx和縱向電場ey的二維傅里葉形式表達式為：
17、
18、式(2)-式(3)中，cj和dj分別表示第j層的求解系數，j＝0,1,2,3,4，ω表示角頻率，ε表示介電常數，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，p表示源項系數，e表示自然指數。
19、進一步地，步驟7)得到的多層介質的計算公式為：
20、
21、式(4)中b1φ表示第1層柱坐標系中φ方向磁場分量，c1c表示電離層正向系數，c1d表示電離層反向系數，體現電離層對“地-空”的影響，c0f表示全空間關聯系數，聯系“地-空-星”各層物性，ρ表示發射到接收的距離，λ表示積分變量，j1表示一階貝塞爾函數，j1(λρ)表示以λ和ρ為變量的一階貝塞爾函數；式(5)中mj表示第j層的中間變量，r1為遞歸函數，聯系地下各層的物性，是計算式(4)的系數所需，h2第2層的厚度，h3表示第3層的厚度。
22、本專利技術與現有技術相比，有益效果在于：針對現有方法沒有同時考慮電離層和多層介質的情況，將地面甚低頻發射臺垂直天線等效為垂直電偶極子，構建包含地下目標體的“地-電離層模型”，開展地面垂直天線發射、空中及衛星高度接收的電磁響應數值計算及特征分析。本專利技術有利于分析了電離層對地下目標體探測的影響，深入剖析了含電離層的垂直天線電磁波傳播機理。本專利技術為通過航空器和衛星開展淺部目標體大尺度范圍精準探測奠定基礎。
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1.一種基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，其特征在于，步驟5)得到的各區域水平磁場Bx和縱向電場Ey的二維傅里葉形式表達式為：
3.根據權利要求2所述的基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，其特征在于，步驟7)得到的多層介質的計算公式為：
【技術特征摘要】
1.一種基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于垂直天線地-空-星探測的電磁響應數值計算方法，其特征在于，步驟5)得到...
【專利技術屬性】
技術研發人員：嵇艷鞠，張陽，邱仕林，趙雪嬌，于一兵，林君，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：
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