專利名稱：電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁波技術(shù)領(lǐng)域，是一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤 方法。
背景技術(shù)：
早在上世紀(jì)五六十年代，人們就開(kāi)始了地震電磁研究，經(jīng)過(guò)四十多年的不懈努力， 人們已取得了大量與地震相關(guān)的電磁異常現(xiàn)象，這一課題的研究對(duì)地震的短期預(yù)測(cè)具有重 要的意義。這些電磁前兆在地面上和高空中都有出現(xiàn)，但人們更感興趣的主要還是電離層 和磁層中的電磁異常，主要原因是高空中的異?，F(xiàn)象所受的干擾和污染小，更容易借助于 空間技術(shù)和遙感技術(shù)來(lái)探測(cè)和追蹤。地球電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分，按照美國(guó)電器和電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)標(biāo)準(zhǔn)(1969)，電離層是“地球大氣層的一部分，其中存在的粒子和電子數(shù)量多到足 以影響無(wú)線電波的傳播”。按照這個(gè)定義，電離層約是地面60km以上到磁層頂之間的整個(gè) 空間。電磁波在電離層中的傳播，主要受電離層電子濃度剖面、電離層的碰撞頻率和電離層 中地磁場(chǎng)的分布有關(guān)。為了獲得電磁波在空間中的傳播方向，人們?cè)缫蜒邪l(fā)出能直接測(cè)量電磁場(chǎng)的各個(gè) 分量的矢量天線，這些矢量天線實(shí)時(shí)記錄電場(chǎng)和磁場(chǎng)的各個(gè)分量的幅度值和相位值。為了 從這些原始測(cè)量數(shù)據(jù)中提取出波的傳播信息(包括極化信息和波矢方向)，人們發(fā)展了好 幾種高效的波矢分析算法(如Means算法、波譜矩陣的SVD技術(shù)等)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法，是一 種高精度快速算法，以尋找空間無(wú)線電波的輻射源，該方法主要基于電離層的無(wú)線電波傳 播、射線微分方程的數(shù)值解法，并對(duì)追蹤的誤差進(jìn)行了有效的控制，可精確定位地震區(qū)域。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法，其利用接收電磁波的來(lái)波 方向、頻率、傳播媒質(zhì)的特性，進(jìn)行電離層的射線追蹤，對(duì)射線方程進(jìn)行數(shù)值求解，來(lái)定位輻 射源；其包括步驟A)理論推導(dǎo)(a)描述波的傳播路徑的方程是Haselgrove方程，將該方程改寫為適合于數(shù)值求 解的形式，求出折射率對(duì)各個(gè)變量的一階偏導(dǎo)數(shù)；(b)選擇合適的數(shù)值方法來(lái)對(duì)射線方程求解，推導(dǎo)出具體的迭代格式；B)計(jì)算機(jī)編程，即電離層射線追蹤軟件(a)根據(jù)A)步的理論推導(dǎo)結(jié)果，編制出計(jì)算電離層中波傳播的計(jì)算機(jī)軟件；(b)由矢量天線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取出波的初始傳播方向；(c)由于波的傳播路徑具有可逆性，將接收點(diǎn)的初始方向反向，進(jìn)行“后向”追蹤，作為軟件計(jì)算的初始條件之一；(d)設(shè)置軟件計(jì)算的其他初始條件接收點(diǎn)的位置、計(jì)算的容差、追蹤的截止條 件；C)確定震中位置追蹤的截止點(diǎn)就是輻射源在空間的波源，利用截止點(diǎn)確定震中位置。所述的方法，其所述B)步，直接對(duì)三維的Haselegrove方程進(jìn)行數(shù)值求解，以避免 地球磁場(chǎng)和電離層的色散性對(duì)波傳播路徑的影響，使路徑更加精確。所述的方法，其所述B)步，在由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)根據(jù)積分算法推進(jìn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，都 對(duì)節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行校正，以避免誤差的累積。所述的方法，其所述B)步，采用了變步長(zhǎng)技術(shù)，該變步長(zhǎng)技術(shù)充分考慮了媒質(zhì)的 折射率的空間梯度，在梯度大的地方步長(zhǎng)小，梯度小的地方步長(zhǎng)大，以保證追蹤精度。所述的方法，其所述B)步中的追蹤截止條件，為在電離層的F2層峰值高度。所述的方法，其所述C)步中，利用截止點(diǎn)確定震中位置，是在追蹤到截止點(diǎn)后，以 截止點(diǎn)沿著地球磁場(chǎng)的磁力線向地面投影，投影點(diǎn)就是震中位置。所述的方法，其前提是利用矢量天線獲得多分量的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)波矢分析 算法提取出波的頻率、來(lái)波方向和極化特性信息。所述的方法，其所述積分算法，為Runge-Kutter算法、Adams-Moulton算法。所述的方法，其所述變步長(zhǎng)技術(shù)，是由下式根據(jù)媒質(zhì)的梯度自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)
kn
step
dn 1 dn + 1 dn dr r δθ τ ηθ φ式中，k為一個(gè)比例常數(shù)，k的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和追蹤的精度來(lái)確定，在實(shí)際操 作時(shí)，可以通過(guò)反復(fù)運(yùn)行射線追蹤程序來(lái)選擇一個(gè)合適的值(一般介于10_3和10_5之間)。 當(dāng)折射率的沿著射線路徑的梯度較小時(shí)，即折射率的變化較平緩，則步長(zhǎng)較大；反之，當(dāng)折 射率沿著射線路徑劇烈變化時(shí)，步長(zhǎng)自動(dòng)減??；同時(shí)，對(duì)步長(zhǎng)設(shè)定一個(gè)上限Stepmax和下限Stepmin,當(dāng)按照上式計(jì)算出的步長(zhǎng)超出 這個(gè)范圍時(shí)，就以上限步長(zhǎng)或者下限步長(zhǎng)作為實(shí)際的步長(zhǎng)值。所述的方法，其所述波矢分析算法，為Means算法、波譜矩陣的SVD技術(shù)。本發(fā)明的方法，是一種高精度快速算法，對(duì)追蹤的誤差進(jìn)行了有效的控制，可精確 定位地震區(qū)域。


圖1為本發(fā)明一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法計(jì)算的坐標(biāo) 系示意圖；其中圖1 (a)為本發(fā)明計(jì)算所用的球坐標(biāo)系；圖1 (b)為P點(diǎn)的局域坐標(biāo)系的放大圖；圖2為本發(fā)明一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法的電離層射 線追蹤軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法，是一種追蹤高空 電磁異常的方法，由此方法可以追蹤得到產(chǎn)生這些異常的輻射源的空間位置。在利用本發(fā) 明的方法之前，必須獲得電離層的這些先驗(yàn)信息。借助于現(xiàn)有的波矢分析算法(如Means 算法、波譜矩陣的SVD技術(shù)等)，從矢量天線的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出波的初始方向，是實(shí) 施本發(fā)明方法的前提和基礎(chǔ)，而這些已公開(kāi)的波矢分析算法本身不是本發(fā)明的討論范圍， 在此不再贅述。在應(yīng)用本發(fā)明方法之前，已默認(rèn)獲得了下列信息(a)、已通過(guò)波矢分析算法獲得了波的初始傳播方向；(b)、電離層的電子濃度的三維結(jié)構(gòu)信息N(h，θ ,φ)是已知的，其中，N為電離層 的電子濃度，單位為米_3丄為高度(米)，θ和分別為計(jì)算坐標(biāo)系(見(jiàn)下文)中的極角和 方位角，也就是地理上的余緯和經(jīng)度。見(jiàn)圖1，為本發(fā)明一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法計(jì)算的坐 標(biāo)系示意圖。圖1(a)為本發(fā)明計(jì)算所用的球坐標(biāo)系；圖1(b)為P點(diǎn)的局域坐標(biāo)系的放大 圖；本發(fā)明方法計(jì)算的坐標(biāo)系為了表示射線路徑和波的傳播方向，必須建立坐標(biāo)系。以地心0為原點(diǎn)，以地球的 自轉(zhuǎn)軸為ζ軸建立一個(gè)計(jì)算坐標(biāo)系(為球坐標(biāo)系)，如圖1(a)所示。在這個(gè)坐標(biāo)系中，射 線路徑上的某點(diǎn)P用3個(gè)參數(shù)來(lái)表征r，θ，φ。為了表征波在P點(diǎn)的傳播方向(即波矢
f的方向)，在P點(diǎn)建立一個(gè)局部直角坐標(biāo)系P )，在這個(gè)坐標(biāo)系中，卩方向表示OP連線的
方向j方向表示P點(diǎn)的正南方向，而^方向表示P點(diǎn)的正東方向，見(jiàn)圖1 (b)。在P點(diǎn)的波矢 眾'的方向既可以用局部直角坐標(biāo)系中的兩個(gè)參數(shù)(θ k，Φ,)來(lái)表征，也可以用P點(diǎn)的仰角α 和方位角β來(lái)表征(后文將用到這兩個(gè)角度)。仰角α是從水平面旋轉(zhuǎn)到波矢^的角度， 范圍為0° 90° ；方位角β是從正北方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到f在水平面的投影的角度，范圍為 0° 360°。因此，θ k，Cjjk 禾口 α，β 之間的關(guān)系為 0k= Ji/2-α , φ, = π-β。在高頻近似下，波的傳播路徑用射線來(lái)描述。當(dāng)考慮地球磁場(chǎng)對(duì)電磁波傳播的影 響時(shí)，電離層呈現(xiàn)出各向異性，此時(shí)射線的能量方向和波矢方向并不完全重合，而是存在一 個(gè)夾角。1955年，J. Haselgrove導(dǎo)出了適合于計(jì)算機(jī)求解的射線方程
權(quán)利要求
1.一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法，其特征在于，利用接收電磁 波的來(lái)波方向、頻率、傳播媒質(zhì)的特性，進(jìn)行電離層的射線追蹤，對(duì)射線方程進(jìn)行數(shù)值求解， 來(lái)定位輻射源；其步驟包括A)理論推導(dǎo)(a)描述波的傳播路徑的方程是Haselgrove方程，將該方程改寫為適合于數(shù)值求解的 形式，求出折射率對(duì)各個(gè)變量的一階偏導(dǎo)數(shù)；(b)選擇合適的數(shù)值方法來(lái)對(duì)射線方程求解，推導(dǎo)出具體的迭代格式；B)計(jì)算機(jī)編程，即電離層射線追蹤軟件(a)根據(jù)Α)步的理論推導(dǎo)結(jié)果，編制出計(jì)算電離層中波傳播的計(jì)算機(jī)軟件；(b)由矢量天線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取出波的初始傳播方向；(c)由于波的傳播路徑具有可逆性，將接收點(diǎn)的初始方向反向，進(jìn)行“后向”追蹤，作為 軟件計(jì)算的初始條件之一；(d)設(shè)置軟件計(jì)算的其他初始條件接收點(diǎn)的位置、計(jì)算的容差、追蹤的截止條件；C)確定震中位置追蹤的截止點(diǎn)就是輻射源在空間的波源，利用截止點(diǎn)確定震中位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述B)步，直接對(duì)三維的Haselegrove方程 進(jìn)行數(shù)值求解，以避免地球磁場(chǎng)和電離層的色散性對(duì)波傳播路徑的影響，使路徑更加精確。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述B)步，在由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)根據(jù)積分算法推進(jìn) 到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，都對(duì)節(jié)點(diǎn)值進(jìn)行校正，以避免誤差的累積。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述B)步，采用了變步長(zhǎng)技術(shù)，該變步長(zhǎng)技 術(shù)充分考慮了媒質(zhì)的折射率的空間梯度，在梯度大的地方步長(zhǎng)小，梯度小的地方步長(zhǎng)大，以 保證追蹤精度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述B)步中的追蹤截止條件，為在電離層的 F2層峰值高度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述C)步中，利用截止點(diǎn)確定震中位置，是 在追蹤到截止點(diǎn)后，以截止點(diǎn)沿著地球磁場(chǎng)的磁力線向地面投影，投影點(diǎn)就是震中位置。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，前提是利用矢量天線獲得多分量的電磁場(chǎng) 數(shù)據(jù)，并根據(jù)波矢分析算法提取出波的頻率、來(lái)波方向和極化特性信息。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述積分算法，為Rimge-Kutter算法、 Adams-Moulton 算法。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述變步長(zhǎng)技術(shù)，是由下式根據(jù)媒質(zhì)的梯度 自動(dòng)調(diào)整步長(zhǎng)knsiep =-徹+ 1徹+ 1 Sndr r δθ r sin^ δφ式中，k為一個(gè)比例常數(shù)，當(dāng)折射率的沿著射線路徑的梯度較小時(shí)，即折射率的變化較 平緩，則步長(zhǎng)較大；反之，當(dāng)折射率沿著射線路徑劇烈變化時(shí)，步長(zhǎng)自動(dòng)減?。煌瑫r(shí)，對(duì)步長(zhǎng)設(shè)定一個(gè)上限st印_和下限st印min，當(dāng)按照上式計(jì)算出的步長(zhǎng)超出這個(gè) 范圍時(shí)，就以上限步長(zhǎng)或者下限步長(zhǎng)作為實(shí)際的步長(zhǎng)值。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述波矢分析算法，為Means算法、波譜矩 陣的SVD技術(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電離層中的地震電磁波波源定位與后向追蹤方法，涉及電磁波技術(shù)，該發(fā)明方法主要是根據(jù)衛(wèi)星上的接收信號(hào)定位輻射源。在電離層中，在高頻近似下，電磁波的路徑由Haselgrove微分方程確定，該方程考慮了電離層的各向異性、色散性對(duì)傳播路徑的影響。本發(fā)明算法的原理是利用數(shù)值技術(shù)求出射線方程的數(shù)值解，在求解過(guò)程中，對(duì)精度進(jìn)行了控制。在實(shí)際操作中，可以利用電離層的實(shí)測(cè)電子濃度。該算法的有效性已得到了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。本發(fā)明方法不僅僅可以應(yīng)用在電離層中的輻射源定位，也可以應(yīng)用在海洋中的聲波波源的定位。
文檔編號(hào)G01V3/12GK102062868SQ200910238080
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者張蓓, 方廣有, 曾中超, 王東峰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所