[发明专利]电离层中的地震电磁波波源定位与后向追踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁波技术领域，是一种电离层中的地震电磁波波源定位与后向追踪方法。

背景技术

早在上世纪五六十年代，人们就开始了地震电磁研究，经过四十多年的不懈努力，人们已取得了大量与地震相关的电磁异常现象，这一课题的研究对地震的短期预测具有重要的意义。这些电磁前兆在地面上和高空中都有出现，但人们更感兴趣的主要还是电离层和磁层中的电磁异常，主要原因是高空中的异常现象所受的干扰和污染小，更容易借助于空间技术和遥感技术来探测和追踪。

地球电离层是近地空间环境的重要组成部分，按照美国电器和电子工程师协会(IEEE)标准(1969)，电离层是“地球大气层的一部分，其中存在的粒子和电子数量多到足以影响无线电波的传播”。按照这个定义，电离层约是地面60km以上到磁层顶之间的整个空间。电磁波在电离层中的传播，主要受电离层电子浓度剖面、电离层的碰撞频率和电离层中地磁场的分布有关。

为了获得电磁波在空间中的传播方向，人们早已研发出能直接测量电磁场的各个分量的矢量天线，这些矢量天线实时记录电场和磁场的各个分量的幅度值和相位值。为了从这些原始测量数据中提取出波的传播信息(包括极化信息和波矢方向)，人们发展了好几种高效的波矢分析算法(如Means算法、波谱矩阵的SVD技术等)。

发明内容

本发明的目的是公开一种电离层中的地震电磁波波源定位与后向追踪方法，是一种高精度快速算法，以寻找空间无线电波的辐射源，该方法主要基于电离层的无线电波传播、射线微分方程的数值解法，并对追踪的误差进行了有效的控制，可精确定位地震区域。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种电离层中的地震电磁波波源定位与后向追踪方法，其利用接收电磁波的来波方向、频率、传播媒质的特性，进行电离层的射线追踪，对射线方程进行数值求解，来定位辐射源；其包括步骤：

A)理论推导：

(a)描述波的传播路径的方程是Haselgrove方程，将该方程改写为适合于数值求解的形式，求出折射率对各个变量的一阶偏导数；

(b)选择合适的数值方法来对射线方程求解，推导出具体的迭代格式；

B)计算机编程，即电离层射线追踪软件：

(a)根据A)步的理论推导结果，编制出计算电离层中波传播的计算机软件；

(b)由矢量天线的实测数据提取出波的初始传播方向；

(c)由于波的传播路径具有可逆性，将接收点的初始方向反向，进行“后向”追踪，作为软件计算的初始条件之一；

(d)设置软件计算的其他初始条件：接收点的位置、计算的容差、追踪的截止条件；

C)确定震中位置：

追踪的截止点就是辐射源在空间的波源，利用截止点确定震中位置。

所述的方法，其所述B)步，直接对三维的Haselegrove方程进行数值求解，以避免地球磁场和电离层的色散性对波传播路径的影响，使路径更加精确。

所述的方法，其所述B)步，在由当前节点根据积分算法推进到下一个节点时，都对节点值进行校正，以避免误差的累积。

所述的方法，其所述B)步，采用了变步长技术，该变步长技术充分考虑了媒质的折射率的空间梯度，在梯度大的地方步长小，梯度小的地方步长大，以保证追踪精度。

所述的方法，其所述B)步中的追踪截止条件，为在电离层的F2层峰值高度。

所述的方法，其所述C)步中，利用截止点确定震中位置，是在追踪到截止点后，以截止点沿着地球磁场的磁力线向地面投影，投影点就是震中位置。

所述的方法，其前提是利用矢量天线获得多分量的电磁场数据，并根据波矢分析算法提取出波的频率、来波方向和极化特性信息。

所述的方法，其所述积分算法，为Runge-Kutter算法、Adams-Moulton算法。

所述的方法，其所述变步长技术，是由下式根据媒质的梯度自动调整步长：