基于地下SLF/ELF辐射源的地面及电离层电磁场特性的研究
Study on the Characteristic of Ground and Ionosphere Electromagnetic Fields Excited by Underground SLF/ELF Radiator
地震前电磁辐射异常现象越来越受到地震专家们的关注,并已经被很多的震例所证实.地震电磁辐射是直接来自于震源的信息,它是地震短临预报的非常重要的前兆手段,它的频谱主要集中在超低频(SLF)和极低频(ELF)频段.目前,对地震孕育期间的电磁辐射源产生的机理及其频谱特性还没有非常清楚的认识,但由于地层的吸收衰减性质,只有甚低频(VLF)以下的频率分量才能渗透出地面,被地面以上的接收设备接收到.所以地震辐射源与地下SLF/ELF辐射源有很大的相关性.但是为了把监测到的电磁辐射用于地震预测预报,需要解决以下几个关键问题:①电磁辐射是否是辐射异常?②电磁辐射来自何方?③电磁辐射比正常背景大多少?为了解决以上几个关键问题,本文研究的主要思路是:首先为了从地基和空间测得的SLF/ELF电磁信息中提出可能的地下辐射源的位置,必须研究地下SLF/ELF辐射源在地面和空间产生电磁场的传播特性.因为SLF/ELF频段的电波波长很长,天线长度比波长小得多,所以把辐射源理想化为电偶极子.由于地层是高损耗媒质,由侧面波传播理论可知,地下水平电偶极子比垂直电偶极子在地面以上激起电磁场的强度要大得多,故把地下SLF/ELF辐射源理想化为水平电偶极子.把地面和电离层理想化,进行理论计算,并和实测的数据进行比对,确定地下SLF/ELF辐射源的位置.其次,为了能识别收到的电磁信号是背景干扰还是出现了异常,需要了解正常条件下大气噪声随昼夜、季节和地域的统计分布规律.本文的主要研究内容如下:1.分析研究了地基SLF/ELF辐射源在各向同性地-电离层波导中产生场的传播特性.国内外学者对SLF频段已进行了多年的研究,既有理论又有实验,并得到了证实.但国内外大多数学者只是把应用于SLF频段的算法移植到ELF频段.本文提出了两种既能用于SLF频段又能用于ELF频段的新算法,即加速收敛算法和数值积分算法,进行了理论计算.结果表明,不仅验证了现有的SLF算法,并为进一步研究地下SLF/ELF辐射源在地面和电离层电磁场的传播特性提供了良好的理论基础.2.对地下SLF/ELF辐射源在各向同性地-电离层波导中产生场的传播特性进行了分析和讨论,并验证了舒曼谐振现象.以往主要针对长波地下应急通信,传播距离短,辐射源埋深浅,釆用平面半空间模型.本文基于地震辐射源与地下SLF/ELF辐射源的相关性,将SLF/ELF辐射源理想化为水平电偶极子,把地面和电离层理想化,釆用球面模型进行分析计算.与传统方法相比,获得了更接近实际的整个地-电离层波导中电磁场的空间分布规律.由于地下SLF/ELF辐射源在地面和电离层电磁场的表达式是球谐级数形式,不仅运算复杂,而且速度很慢.所以本文提出了一种适用于非理想导电条件下SLF/ELF频段的加速收敛算法.计算结果表明,该算法能快速有效地进行分析计算,不仅验证了它的正确性,还进一步验证了侧面波传播理论.3.研究了地下ELF线辐射源在各向同性地-电离层波导中产生场的空间分布规律.它可由地下ELF点辐射源产生的场进行叠加.分别计算和讨论了地下单条和两条ELF线辐射源在地面上产生电磁场的场强空间分布图,用色标表示了场强值在空间分布的强弱.4.分别对地下SLF/ELF辐射源在各向同性和异性电离层中产生场的传播特性进行了分析和讨论.本文对地层、大气层和电离层进行了整体研究,分析研究了深埋于地下的SLF/ELF辐射源所产生的电磁场从地层、大气层到达卫星的传播全过程,改进了传统的分段研究的局限性,提高了认识和掌握SLF/ELF电磁波的传播机理和空间分布规律的全面性,并确立了对SLF/ELF电磁波的传播机理和空间分布规律研究的可逆性.5.通过对南极地区的观测数据进行分析,并结合本文检索和收集到的国外公开发表的文献和非公开发行的AD报告以及全球VLF频段的大气噪声的统计分布规律,分析及预测了全球SLF/ELF频段的大气噪声的统计分布规律.
- 作者：
- 王元新
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 电磁场与微波技术
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 金荣洪
- 中图分类号：
- P315.31
- 关键词：
- 地震电磁辐射；短临预报；SLF/ELF辐射源；地-电离层波导；加速收敛算法；数值积分算法；舒曼谐振；大气噪声
- earthquake electromagnetic radiation；short-term and imminent forecasting；SLF/ELF radiator；earth-ionosphere waveguide；speeding numerical convergencealgorithm；numerical integral algorithm；Schumann resonance；atmosphere noise
- 基金项目：
- 国家科技支撑