低频段高精度大地电导率反演方法研究

摘要

大地电导率是表征地球表层电特性的重要物理量,是“数字地球”的重要组成部分。在国家规划和发展无线电定位、导航、授时、通信、广播等大型系统工程时,地球表层详细、准确可靠的大地电导率地理分布信息是不可或缺的重要内容。
　　现有的大地电导率分布数据,它实际上是地面固有的电特性、不规则地形、复杂大气环境等多种因素的综合等效,难以反映真实地表媒质的电特性。为此,本文在国家自然科学基金项目(No.60671035和No。61271091)和总装备部国防专项工程的支持下开展了低频段高精度大地电导率反演方法的研究。主要内容和成果如下:
　　1.传统的基于光滑地面模型的大地电导率反演方法得到的大地电导率中包含了地形的等效成份,同一区域一条路径的反演结果无法推广到其它路径,同时也无法应用于那些可以考虑不规则地形的低频地波传播预测算法中。针对该问题,本文提出了一种基于积分方程方法的大地电导率反演方法,积分方程方法可有效剥离传统反演过程中的最大误差来源——将地形因素折算到反演结果中,从而从原理上提高大地电导率反演结果的普适性。仿真结果表明,该方法有效剥离了大地电导率中的地形等效成份,反演结果更接近地面实际电特性。
　　2。提出的基于积分方程方法的大地电导率反演方法在平坦区域及地形起伏缓慢区域具有非常高的精度,但是在起伏剧烈区域,由于积分方程方法本身在预测低频地波传播性能时存在较大的预测误差,导致大地电导率反演结果存在因积分方程方法预测误差而引入的误差。针对该问题,本文提出一种以时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)预测结果为参考,对实测数据进行筛选和补偿的不规则地形大地电导率反演方法。仿真结果表明,该方法有效补偿了因积分方程方法预测误差导致的大地电导率反演误差。
　　3.采用积分方程方法预测低频地波传播时延时,通常采用等效地球半径模型来考虑大气折射效应,即将大气折射率看做是垂直线性变化的,不能充分考虑大气折射率不均匀的空时分布特性,导致大地电导率反演结果存在因折射率模型不准确而引入了误差。针对该问题,本文提出一种采用FDTD算法精确估计传播路径上大气折射率分布对实测点传播时延的影响,并对传播时延实测值进行补偿的方法。仿真结果表明,利用补偿后的传播时延实测值进行大地电导率反演,可有效剥离大地电导率中的折射率影响等效成份。
　　4.对于大地电导率反演的实际工程应用,在海上传播时延修正问题中,在同一条基线上,由于复杂陆地部分引起的传播时延变化一致,远离海岸效应区的海上传播时延随传播距离的变化相对稳定。针对该特点,本文提出一种基于等效大地电导率的海上附加二次相位因子(Additional Secondary Factor, ASF)修正方法,基于该方法,仅需要在远离海岸效应、覆盖发射台所有海上传播方位的一条航线上的ASF实时测量结果,就可以得到海岸效应以远整个海域的传播时延修正数据。利用该方法为我国东海局部海域建立了ASF修正数据库,通过与实测结果的比对,在大部分海域ASF修正值与实测值的均方根误差在100ns以内,在距离海岸较近区域均方根误差小于300ns。

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1 绪论

1.1研究背景意义

1.2大地电导率的研究现状

1.3低频地波传播信道模型及算法研究现状

1.4本论文的主要工作及内容安排

2 低频地波传播信道模型及算法

2.1光滑地面的低频地波信道模型及算法

2.2不规则地面的积分方程方法

2.3基于F DTD方法的低频地波传播算法

2.4本章小结

3 不规则地面大地电导率反演方法

3.1大地电导率概述

3 .2实测地波场强/时延反演方法

3.3基于积分方程方法的不规则路径大地电导率反演

3.4本章小结

4 复杂地形对大地电导率反演结果的影响及补偿方案

4.1 复杂地形对低频地波传播时延及反演结果影响的分析

4.2 复杂地形对大地电导率反演影响的补偿方案

4.3 方法验证与应用

4.4 本章小结

5 复杂大气环境下大地电导率反演方法

5.1 大气环境对电波传播的影响

5.2 大气折射率的时空变化及其分布模型

5.3 基于FDTD方法的折射效应分析

5.4 复杂大气环境对大地电导率反演影响的补偿方案

5.5 本章小结

6 大地电导率反演综合方案及ASF数据库建库应用

6.1 长河二号系统简介

6.2 基于原始电导率数据的ASF预测数据库

6.3基于反演后大地电导率数据的ASF局部修正数据库

6.4 一种快速便捷的海上ASF修正方法

6.5 本章小结

7 结束语

7.1 小结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参与的主要科研项目

攻读博士学位期间发表论文及申请专利