极低频电磁波传播时域数值方法研究和应用

近年来人们逐渐重视对极低频(ELF)电磁波传播的研究。相关的领域涉及到如地震间出现的电磁异常现象、建立对潜通信和地下应急通信系统、研究星体电磁辐射特性、加热电离层等课题的研究。因传统的解析和数值方法无法处理复杂的电磁现象，本课题拟基于采用地质学模型的时域方法和ELF地球-电离层计算模型，建立新型的时域极数值计算的低频问题解决方案。针对目前极低频电磁传播研究中的难点，将在该方案中引入包括局域化的高分辨率技术、真实电磁参数引入、电离层的等离子体特性处理技术、地下各向异性特性分布处理和解决大冗量计算的高性能并行技术等多种手段，以克服当前ELF电磁波传播和异常现象研究手段落后和不足，满足极低频方面的军事及相关科学应用研究的迫切需求。同时还将开发具有自主知识产权的、可以解决实际工程需求的ELF电磁特性计算软件包。

在国家自然科学基金《极低频电磁波传播时域数值方法研究和应用》的资助下，在4年的研究过程中，课题组按计划完成了课题预期的绝大部分目标。在具体的研究内容方面，主要完成了：在算法方面，针对电离层的特性，开发了适用于电离层电磁仿真的等离子体算法；基于已开发的地球电磁系统仿真算法，研究了地球电磁系统中参数求解的基本理论，如舒曼谐振参数与地球系统传播常数的相互关系等。. 在应用部分，采用前述算法对电磁波在电离层中的传播进行了研究，研究过程中引入了电离层的等离子体特性、不均匀性和地磁场的影响，初步分析了电磁波在电离层中传播的基本理论。在此基础上，结合已开发的地球-电离层电磁系统模型对岩石圈-大气层-电离层耦合机理（LAI，简称地电耦合）进行模拟和研究，主要研究了地下异常介质对地面观测站所观测到的地表响应干扰和特低频频段的地震电磁现象。. 同时在基金的支持下，我们课题组还进行了有关电磁场计算方法（如高阶FDTD方法和DGTD-IETD混合方法）、频率选择表面、PCB 板内的能量无线传输和其他的应用技术的研究，取得了系列成果。