基于FDTD的海洋无线电磁法极低频/超低频电磁波传播的仿真研究

摘要

本文采用了时域有限差分（Finite Difference Time Domain，FDTD）方法和经纬度划分的三维局部极低频/超低频（Extremely Low Frequency/Super Low Frequency，ELF/SLF）地球模型，运用海洋无线电磁法（Wireless Electromagnetic Method，WEM）原理对局部地球—电离层系统进行极低频/超低频电磁建模与分析。论文的创新点和主要研究工作如下：
　　一．建立了经纬度网格划分的局部二维和三维地球模型，并采用实例仿真的方法验证了该模型的可靠性；推导了适用于局部经纬度模型的各向异性介质完全匹配层（Uniaxial Perfectly Matched Layer，UPML）吸收边界迭代公式，并针对经纬度模型进行了相应的改进，使其具有了良好的吸收效果；通过无耗和有耗三维模型同时仿真计算实验，有效地验证了该改进边界的正确性；
　　二．在ELF/SLF的计算模型中引入了真实环境的地质学参数，对大陆架区域（如南海地区）进行了局部仿真，得到了有等效意义的电磁波传播仿真结果；同时采用WEM工程原理设置本模型，成功地仿真模拟了利用极低频电磁波进行海底资源勘探的观测过程，获得一系列有价值的结论；
　　三．为有效地研究ELF/SLF电磁波传播，我们结合遗传算法进行反演研究。通过对本模型中的遗传算法进行相应的修改和应用，提出了一种三参数的反演方法。仿真实验表明遗传算法的引入是完全可行的，其计算具有精确性并且提高了模型的实用性；
　　四．采用基于图像处理单元（Graphic Processing Unit，GPU）的通用计算设备架构（Compute Unified Device Architecture，CUDA）并行方法对本模型进行了计算加速，通过将模型进行并行化处理，在CUDA编程环境中利用GPU优秀的并行数据处理能力，有效地改善了模型的计算效率，提高了模型在未来ELF/SLF传播的仿真计算实际超大规模区域的实用性。

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图表清单

第一章 绪论

1.1 研究背景和科学意义

1.2 国内外研究现状

1.3 作者的主要工作

1.4 论文内容和结构安排

第二章 地球的局部极低频电磁波模型

2.1 FDTD方法的基本理论

2.2 经纬度局部地球模型的建立

2.3 改进型UPML边界的引入

第三章 引入真实地质学参数的WEM工程仿真研究

3.1 真实地质学参数的引入

3.2 仿真设置及结论

3.3 基于WEM的仿真

3.4 结论

第四章 基于遗传算法的局部反演模型研究

4.1 反演方法及遗传算法基本理论

4.2 遗传算法中的参数变量

4.3 三参数局部经纬度模型的遗传算法反演

4.4 结论

第五章 极低频电磁波传播仿真的CUDA并行技术

5.1 基于GPU的CUDA并行算法介绍

5.2 模型中并行算法的引入

第六章 全文总结和展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文