专利名称：一种极低频电磁波的仿真计算方法
技术领域：
本发明涉及一种基于地形学时域有限差分算法的亚网格技术，尤其涉及一种提高极低频电磁波算法的计算效率、精度和局部分辨率的方法。
背景技术：
众所周知，极低频电磁波(频率低于3000Hz)的仿真计算需要计算地球_电离层系统中的电磁波传播，建模所需的计算机资源庞大，而日益严格的仿真要求又需要较高的建模分辨率，所以针对当前主流的极低频时域算法提出一种既能保证其计算效率，又能有效的提高其局部分辨率的技术是非常必要的。近年来，针对极低频传播的问题的应用研究逐渐受到重视[1]。对于这个频段的电磁波来说，传统的电磁波传播模型(解析方法)给出的ELF电磁波传播的粗略规律和真实的实验结果存在较大的误差，已经无法适应当前科学研究要求[2]。新型的数值方法(这里主要是指新型的基于时域有限差分方法[3]的数值解法)针对解析方法的局限性，引入较为复杂的地质和电磁环境，很大程度上解决了复杂的ELF电磁波传播等问题[1、3]。但是由于计算手段的限制，特别是当前个人计算机和工作站的计算能力的限制，局部高精度和高分辨要求的复杂电磁环境的ELF频段电磁波传播问题往往得不到有效的解决。这是因为对于目前的最有效的极低频电磁算法，由于其多数都是基于传统时域有限差分方法的变形 [1]，所以整个模型的分辨率统一。如果要提高全球模型中的局部研究区域的精度，则整个电磁模型的分辨率都要提高，这大大影响了算法的计算效率。比如在地震预测的研究过程中，由于地震电磁效应影响范围大，所以整个地球-电离层系统都需要进行仿真建模。与此同时，震区的电磁环境非常复杂，每一个地质因素都与即将发生的全球电磁现象有直接的关系，所以对震区的网格精度有效高的要求。 这样，在整个地球电离层模型的仿真的基础上，由于网格的高精度要求，使得网格数量非常大，仿真时间和资源消耗巨大。此时，采用局部亚网格技术，在震区内采用高精度的亚网格建模方案，在震区外采用精度较低的粗网格，这样可以有效地大量的减少计算消耗，提高仿真效率。参考文献[1] J. Simpson. Current and future applications of 3-D global Earth-ionosphere models based on the full-vector Maxwell' s equations FDTD method. Surveys in Geophysics,2009, 30105-130.[2]L. Sevgi,F. Akleman, and L. B. Felsen, "Groundwave propagation modeling problem-matched analytical formulations and direct numerical techniques," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 44, no.1，pp.55-75,2002.[3]A. Taflove and S. C. Hagness, Computational electrodynamics :the finite-difference time-domain method,3rd ed. Artech House,2005.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高当前主流的用于求解极低频电磁波传播问题的计算效率、精度和局部分辨率，为此而提出了基于地形学时域有限差分算法的亚网格技术。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案一种极低频电磁波的仿真计算方法，包括亚网格划分步骤、电磁场的布置步骤、计算步骤；其中，A、所述亚网格划分步骤如下A-1，基于三角形地形学网格划分将原始主球面三角形网格的各个边的中点沿球面弧两两相连接，形成一种对主三角形网格的球面划分，划分出4个球面三角形作为亚网格元胞；A-2，基于六边形地形学网格划分将原始主球面六边形网格中相邻三个主六边形互相交接的三个边去掉，以三个面积大小接近为原始六边形1/4的三个新的六边形，划分出3个球面六边形作为亚网格元胞；A-3，将所述步骤A-I划分的三角形亚网格及步骤A-2划分的六边形亚网格进行叠力口，在径向上将三角形亚网格和六边形亚网格相结合，形成三维的亚网格元胞，成为对整个地球-电离层系统的完整亚网格划分；B、所述电磁场的布置步骤如下B-1，对于基于三角形地形学网格划分，将被亚网格化的主网格上的1个径向场和 3个切向场去除，以新的亚网格上的3个径向场和9个切向场分别布置电磁场；B-2，对于基于六边形地形学网格划分，将被亚网格化的3个主网格上的相邻3条边上的3个切向场去除，以新的3个亚网格上的3个径向场和9个切向场、6个虚拟切向场分别布置电磁场；B-3，将步骤B-1、步骤B-2的电磁场分布结合到一起，形成基于地形学网格划分的亚网格元胞；C、计算步骤如下C-1，对于基于三角形地形学网格划分，在原始的主网格和新的亚网格内的电磁场计算沿用传统的经典时域有限差分算法，在原始的主网格和新的亚网格边界处的电磁场计算采用如下方法C-1-1，对于边界处主网格的径向磁场有
权利要求
1. 一种极低频电磁波的仿真计算方法，其特征在于包括亚网格划分步骤、电磁场的布置步骤、计算步骤；其中，A、所述亚网格划分步骤如下A-1，基于三角形地形学网格划分将原始主球面三角形网格的各个边的中点沿球面弧两两相连接，形成一种对主三角形网格的球面划分，划分出4个球面三角形作为亚网格元胞；A-2，基于六边形地形学网格划分将原始主球面六边形网格中相邻三个主六边形互相交接的三个边去掉，以三个面积大小接近为原始六边形1/4的三个新的六边形，划分出3个球面六边形作为亚网格元胞；A-3，将所述步骤A-I划分的三角形亚网格及步骤A-2划分的六边形亚网格进行叠加， 在径向上将三角形亚网格和六边形亚网格相结合，形成三维的亚网格元胞，成为对整个地球-电离层系统的完整亚网格划分；B、所述电磁场的布置步骤如下B-1，对于基于三角形地形学网格划分，将被亚网格化的主网格上的1个径向场和3个切向场去除，以新的亚网格上的3个径向场和9个切向场分别布置电磁场；B-2，对于基于六边形地形学网格划分，将被亚网格化的3个主网格上的相邻3条边上的3个切向场去除，以新的3个亚网格上的3个径向场和9个切向场、6个虚拟切向场分别布置电磁场；B-3，将步骤B-1、步骤B-2的电磁场分布结合到一起，形成基于地形学网格划分的亚网格元胞；C、计算步骤如下C-1，对于基于三角形地形学网格划分，在原始的主网格和新的亚网格内的电磁场计算沿用传统的经典时域有限差分算法，在原始的主网格和新的亚网格边界处的电磁场计算采用如下方法C-1-1，对于边界处主网格的径向磁场有
2.根据权利要求1所述的一种极低频电磁波的仿真计算方法，其特征在于步骤C-3 所述三维亚网络算法的具体计算步骤为(1)计算主六边形网格中心的径向电场Er，采用积分麦克斯韦方程和有限差分技术， 得到
全文摘要
本发明公开了一种极低频电磁波的仿真计算方法，属于极低频电磁波计算方法技术领域。本发明所述方法包括亚网格划分步骤、电磁场的布置步骤、计算步骤；如下的内容亚网格划分步骤针对多种地形学网格模型的不同的亚网格划分方案；电磁场的布置步骤是对于基于三角形地形学网格、基于六边形地形学网格的电磁场分布结合到一起，形成基于地形学网格划分的亚网格元胞；计算步骤基于不同亚网格划分方案引入的内插或近似算法。本发明不仅提高了全球极低频电磁波算法的计算精度和有效分辨率，同时也大大提高了算法的计算效率。
文档编号G06F19/00GK102332055SQ20111028873
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者曹群生, 王毅, 苏冰柏 申请人:南京航空航天大学