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，人們就開始了地震電磁研究，經(jīng)過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?，F(xiàn)象，這一課題的研究對地震的短期預(yù)測具有重 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)來探測和追蹤。地球電離層是近地空間環(huán)境的重要組成部分，按照美國電器和電子工程師協(xié)會 (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 以影響無線電波的傳播”。按照這個定義，電離層約是地面60km以上到磁層頂之間的整個 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 中地磁場的分布有關(guān)。為了獲得電磁波在空間中的傳播方向，人們早已研發(fā)出能直接測量電磁場的各個 分量的矢量天線，這些矢量天線實時記錄電場和磁場的各個分量的幅度值和相位值。為了 從這些原始測量數(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，以尋找空間無線電波的輻射源，該方法主要基于電離層的無線電波傳 播、射線微分方程的數(shù)值解法，并對追蹤的誤差進行了有效的控制，可精確定位地震區(qū)域。為達到上述目的，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波 方向、頻率、傳播媒質(zhì)的特性，進行電離層的射線追蹤，對射線方程進行數(shù)值求解，來定位輻 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，求出折射率對各個變量的一階偏導(dǎo)數(shù)；(b)選擇合適的數(shù)值方法來對射線方程求解，推導(dǎo)出具體的迭代格式；B)計算機編程，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，編制出計算電離層中波傳播的計算機軟件；(b)由矢量天線的實測數(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，將接收點的初始方向反向，進行“后向”追蹤，作為軟件計算的初始條件之一；(d)設(shè)置軟件計算的其他初始條件接收點的位置、計算的容差、追蹤的截止條 件；C)確定震中位置追蹤的截止點就是輻射源在空間的波源，利用截止點確定震中位置。所述的方法，其所述B)步，直接對三維的Haselegrove方程進行數(shù)值求解，以避免 地球磁場和電離層的色散性對波傳播路徑的影響，使路徑更加精確。所述的方法，其所述B)步，在由當(dāng)前節(jié)點根據(jù)積分算法推進到下一個節(jié)點時，都 對節(jié)點值進行校正，以避免誤差的累積。所述的方法，其所述B)步，采用了變步長技術(shù)，該變步長技術(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小，梯度小的地方步長大，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，利用截止點確定震中位置，是在追蹤到截止點后，以 截止點沿著地球磁場的磁力線向地面投影，投影點就是震中位置。所述的方法，其前提是利用矢量天線獲得多分量的電磁場數(shù)據(jù)，并根據(jù)波矢分析 算法提取出波的頻率、來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，其所述變步長技術(shù)，是由下式根據(jù)媒質(zhì)的梯度自動調(diào)整步長
kn
step
dn 1 dn + 1 dn dr r δθ τ ηθ φ式中，k為一個比例常數(shù)，k的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗和追蹤的精度來確定，在實際操 作時，可以通過反復(fù)運行射線追蹤程序來選擇一個合適的值(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，即折射率的變化較平緩，則步長較大；反之，當(dāng)折 射率沿著射線路徑劇烈變化時，步長自動減??；同時，對步長設(shè)定一個上限Stepmax和下限Stepmin,當(dāng)按照上式計算出的步長超出 這個范圍時，就以上限步長或者下限步長作為實際的步長值。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，對追蹤的誤差進行了有效的控制，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算的坐標(biāo) 系示意圖；其中圖1 (a)為本發(fā)明計算所用的球坐標(biāo)系；圖1 (b)為P點的局域坐標(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測數(shù)據(jù)中提取出波的初始方向，是實 施本發(fā)明方法的前提和基礎(chǔ)，而這些已公開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，已默認獲得了下列信息(a)、已通過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和分別為計算坐標(biāo)系(見下文)中的極角和 方位角，也就是地理上的余緯和經(jīng)度。見圖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算的坐 標(biāo)系示意圖。圖1(a)為本發(fā)明計算所用的球坐標(biāo)系；圖1(b)為P點的局域坐標(biāo)系的放大 圖；本發(fā)明方法計算的坐標(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，以地球的 自轉(zhuǎn)軸為ζ軸建立一個計算坐標(biāo)系(為球坐標(biāo)系)，如圖1(a)所示。在這個坐標(biāo)系中，射 線路徑上的某點P用3個參數(shù)來表征r，θ，φ。為了表征波在P點的傳播方向(即波矢
f的方向)，在P點建立一個局部直角坐標(biāo)系P )，在這個坐標(biāo)系中，卩方向表示OP連線的
方向j方向表示P點的正南方向，而^方向表示P點的正東方向，見圖1 (b)。在P點的波矢 眾'的方向既可以用局部直角坐標(biāo)系中的兩個參數(shù)(θ k，Φ,)來表征，也可以用P點的仰角α 和方位角β來表征(后文將用到這兩個角度)。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描述。當(dāng)考慮地球磁場對電磁波傳播的影 響時，電離層呈現(xiàn)出各向異性，此時射線的能量方向和波矢方向并不完全重合，而是存在一 個夾角。1955年，J. Haselgrove導(dǎo)出了適合于計算機求解的射線方程
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 波的來波方向、頻率、傳播媒質(zhì)的特性，進行電離層的射線追蹤，對射線方程進行數(shù)值求解， 來定位輻射源；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，求出折射率對各個變量的一階偏導(dǎo)數(shù)；(b)選擇合適的數(shù)值方法來對射線方程求解，推導(dǎo)出具體的迭代格式；B)計算機編程，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，編制出計算電離層中波傳播的計算機軟件；(b)由矢量天線的實測數(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，將接收點的初始方向反向，進行“后向”追蹤，作為 軟件計算的初始條件之一；(d)設(shè)置軟件計算的其他初始條件接收點的位置、計算的容差、追蹤的截止條件；C)確定震中位置追蹤的截止點就是輻射源在空間的波源，利用截止點確定震中位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述B)步，直接對三維的Haselegrove方程 進行數(shù)值求解，以避免地球磁場和電離層的色散性對波傳播路徑的影響，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)點根據(jù)積分算法推進 到下一個節(jié)點時，都對節(jié)點值進行校正，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，采用了變步長技術(shù)，該變步長技 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小，梯度小的地方步長大，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，利用截止點確定震中位置，是 在追蹤到截止點后，以截止點沿著地球磁場的磁力線向地面投影，投影點就是震中位置。
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 數(shù)據(jù)，并根據(jù)波矢分析算法提取出波的頻率、來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，所述變步長技術(shù)，是由下式根據(jù)媒質(zhì)的梯度 自動調(diào)整步長knsiep =-徹+ 1徹+ 1 Sndr r δθ r sin^ δφ式中，k為一個比例常數(shù)，當(dāng)折射率的沿著射線路徑的梯度較小時，即折射率的變化較 平緩，則步長較大；反之，當(dāng)折射率沿著射線路徑劇烈變化時，步長自動減??；同時，對步長設(shè)定一個上限st印_和下限st印min，當(dāng)按照上式計算出的步長超出這個 范圍時，就以上限步長或者下限步長作為實際的步長值。
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，在求解過程中，對精度進行了控制。在實際操作中，可以利用電離層的實測電子濃度。該算法的有效性已得到了實測數(shù)據(jù)的驗證。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G01V3/12GK102062868SQ200910238080
公開日2011年5月18日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所