[发明专利]一种极低频电磁波的仿真计算方法

摘要

本发明公开了一种极低频电磁波的仿真计算方法，属于极低频电磁波计算方法技术领域。本发明所述方法包括亚网格划分步骤、电磁场的布置步骤、计算步骤；如下的内容：亚网格划分步骤针对多种地形学网格模型的不同的亚网格划分方案；电磁场的布置步骤是对于基于三角形地形学网格、基于六边形地形学网格的电磁场分布结合到一起，形成基于地形学网格划分的亚网格元胞；计算步骤基于不同亚网格划分方案引入的内插或近似算法。本发明不仅提高了全球极低频电磁波算法的计算精度和有效分辨率，同时也大大提高了算法的计算效率。

主权项

一种极低频电磁波的仿真计算方法，其特征在于：包括亚网格划分步骤、电磁场的布置步骤、计算步骤；其中，A、所述亚网格划分步骤如下：A‑1，基于三角形地形学网格划分：将原始主球面三角形网格的各个边的中点沿球面弧两两相连接，形成一种对主三角形网格的球面划分，划分出4个球面三角形作为亚网格元胞；A‑2，基于六边形地形学网格划分：将原始主球面六边形网格中相邻三个主六边形互相交接的三个边去掉，以三个面积大小接近为原始六边形1/4的三个新的六边形，划分出3个球面六边形作为亚网格元胞；A‑3，将所述步骤A‑1划分的三角形亚网格及步骤A‑2划分的六边形亚网格进行叠加，在径向上将三角形亚网格和六边形亚网格相结合，形成三维的亚网格元胞，成为对整个地球‑电离层系统的完整亚网格划分；B、所述电磁场的布置步骤如下：B‑1，对于基于三角形地形学网格划分，将被亚网格化的主网格上的1个径向场和3个切向场去除，以新的亚网格上的3个径向场和9个切向场分别布置电磁场；B‑2，对于基于六边形地形学网格划分，将被亚网格化的3个主网格上的相邻3条边上的3个切向场去除，以新的3个亚网格上的3个径向场和9个切向场、6个虚拟切向场分别布置电磁场；B‑3，将步骤B‑1、步骤B‑2的电磁场分布结合到一起，形成基于地形学网格划分的亚网格元胞；C、计算步骤如下：C‑1，对于基于三角形地形学网格划分，在原始的主网格和新的亚网格内的电磁场计算沿用传统的经典时域有限差分算法，在原始的主网格和新的亚网格边界处的电磁场计算采用如下方法：C‑1‑1，对于边界处主网格的径向磁场有： Hr n + 0.5 = Hr n + 0.5 - Δt μΔ S norm × { Σ ( Et n × Δ l norm ) + Σ ( et n × Δ l sub ) } - - - ( 1 ) 其中Hr为主网格径向磁场，Et为主网格切向电场，et为亚网格上的切向电场，Δt为时间步长，ΔSnorm、Δlnorm、Δlsub，分别为主网格面积、主网格边长、亚网格边长，μ为磁导率，n为时间步数，取值由所需运行时间决定；C‑1‑2，对于边界处的亚网格切向电场有： et n + 1 = et n + Δt ϵδ sub × ( ± hr n + 0.5 m H r n + 0.5 ) - - - ( 2 ) 其中，hr为亚网格上的径向磁场，δsub为主网格中心到亚网格中心的距离，ε为介电系数；C‑2，对于基于六边形地形学网格划分，在原始的主网格和新的亚网格内的电磁场的计算沿用传统的经典时域有限差分算法，在原始的主网格和新的亚网格边界处的电磁场采用以下方法：C‑2‑1，对于边界处主网格的径向电场有： Er n + 1 = Er n + Δt ϵΔ S norm × { Σ Ht n + 0.5 × l norm ± Σ ht n + 0.5 × 0.5 × l sub } - - - ( 3 ) 其中Er为边界上主网格径向电场，Ht为主网格切向磁场，ht为亚网格上的切向磁场；C‑2‑2，对于边界处的亚网格切向电场有： ht n + 0.5 = ht n - 0.5 - Δt μδ sub × ( ± er n m E r n ) - - - ( 4 ) 其中er为亚网格上的径向电场；C‑2‑3，对于亚网格和主网格边界上的虚拟切向磁场有两种计算方法：①，同向场近似法：htv0≈Ht0            (5)②，周围场插值法： htv 0 ≈ - 1 2 ht 0 + 1 6 ( Ht 0 + Ht 1 + htv 1 ) (6) ≈ 7 35 Ht 0 + 5 35 Ht 1 + 3 35 ht 1 - 18 35 ht 0 其中，ht0，ht1为亚网格切向磁场，Ht0，Ht1为主网格切向磁场，htv0，htv1为亚网格虚拟磁场；C‑3，将步骤C‑1及步骤C‑2所述的两种平面二维算法叠加，得到三维亚网格算法，计算切向电场分量、径向电场分量、虚拟切向磁场分量，其中径向电场分量和虚拟切向磁场的计算方法与C‑1，C‑2所示步骤类同。