1.基于梯形公式求解积分方程的低频地波传播特性预测方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.输入模型文件,包括仿真区域的网格参数、仿真路径的电参数以及源的参数;
步骤2.利用分段积分法将地面接收条件下的电波衰减函数的一维积分公式W(P)进行分解,得到包含奇点0的首段积分I1、连续的中间段积分I2、包含奇点xn的末段积分I3;
步骤3.采用高斯积分方法计算I1;
步骤4.采用分段积分法和梯形公式求解连续的中间段积分I2;
步骤5.采用梯形公式求解I3;
步骤6.结合步骤3、4、5中计算出来的积分结果I1、I2、I3,求解地面接收条件下的电波衰减函数的一维积分公式W(P),并通过W(P)计算接收点处的电场Ez和二次时延tw;
所述步骤1具体为:
仿真区域的网格参数:定义计算区域为二维直角坐标系(x,z),其中x方向的网格数为n,积分区间长度为xp,z坐标表示高度信息;
网格的大小根据地形进行划分,在地形不规则、不连续的区域以及在地形平坦、连续的区域分别采用采用不同大小的网格进行计算,即在地形不规则、不连续的区域使用相对较小的网格以捕捉地形的细节变化,在地形平坦、连续的区域使用相对较大的网格以简化计算;
仿真路径的电参数:自由空间相对介电常数εr与电导率σr、山地区域相对介电常数εi与电导率σi、平原区域相对介电常数εk与电导率σk、海水区域相对介电常数εw与电导率σw;
源的参数:激励源为垂直电偶极子,电流为l,电荷间距为dl,坐标原点为源的位置;
所述步骤2具体为:
地面接收条件下的电波衰减函数的一维积分公式W(P)具体为:其中,r0是射线距离OP,P为地面接收点位置,接收点P的坐标为(xp,ξ(xp)),ξ(xp)为xp点处的地形高度;O表示坐标原点位置,i为复数单位;Q表示地形表面积分点,其坐标为(s,ξ(s)),s表示积分点Q在x方向上的坐标,ξ(s)表示积分点Q处的地形高度,W(Q)表示积分点Q处的电波衰减函数,λ表示波长;
为了简化算式,定义式(1)中的积分项为I,则I如公式(2)所示;
其中,F(xp,s)定义为:
其中,k为自由空间波数,ξ'(·)表示地形高度的一阶导数,r0表示坐标原点O与接收点P间的距离,r1表示坐标原点O与积分点Q的距离,r2表示接收点P与积分点Q的距离;δ为地形表面的阻抗,通过步骤1所述仿真路径的电参数代入式(4)中求得:其中,ε、σ的取值由积分点所处区域的电参数决定,即当区域为自由空间时,ε=εr,σ=σr,当区域为山地时,ε=εi,σ=σi,当区域为平原时,ε=εk,σ=σk,当区域为海水时,ε=εw,σ=σw;在s=xp的极限下,式(3)满足:其中ξ″(s)表示s点处地形高度的二阶导数;
式(2)中在s=0和s=xp处有两个平方根奇点;将积分区间xp划分为n个子区间,每个子区间长度为Δxj‑1,并定义:
xj‑xj‑1=Δxj‑1 (6)其中,xj表示区间划分后在x方向上第j个积分点的积分长度,j=1,2....,n,xj‑1的初值x0满足x0=0,且在数值上,接收点处横坐标xp与xn满足关系xn=xp;
将式(2)进行区间划分,写成包含奇点0的首段积分I1、连续的中间段主积分I2、以及包含奇点xn的末端积分I3的形式:
其中,W(s)表示在积分过程中x方向上s点处的电波衰减函数;F(xn,s)表示进行区间划分后式(3)在点s处的表示形式;
I1、I2、I3分别如公式(8)至公式(10)所示;
其中,[0,x1]、(x1,xn‑1]、(xn‑1,xn]分别表示I1、I2、I3的积分区间;
所述步骤3具体为:
对式(8)进行变限处理;
令 新变量y的积分区间为[‑1,1], 代入式(8)得到:通过5点勒让德‑高斯积分求解式(11),则I1的公式如公式(12)所示;
其中,λK表示勒让德‑高斯积分公式权重因子,积分点sK满足 yK表示勒让德‑高斯积分公式采用的采样点数,K=1,2,3,4,5;
W(sK)通过平地面公式近似计算得到,具体计算方法如下:Ⅰ.根据平地面公式,采用5点勒让德‑高斯积分公式时,在sK处的电场强度Ez为:其中,ω为波的角频率,μ0为自由空间中的磁导率,ε0为自由空间中的介电常数,dl为垂直电偶极子的电荷间距离,I为垂直电偶极子的电流强度,h为垂直电偶极子相对于地面的高度,kg是平地面上波数,ξ(sK)表示点sK处的地形高度;
为了简化算式,采用中间变量P2,定义为:式(13)中,F(P2)、d1和d2定义为如公式(15)至公式(17)所示;
其中,电场强度Ez与W(P)存在换算关系,如公式(18)所示;
Ez=E0W(P) (18)
其中,E0是平地面导电时的电场强度,定义为:所述步骤4具体为:
由公式(9)得到I2的积分区间为(x1,xn‑1],将I2的积分区间划分为n‑2个子区间:I2的积分结果通过对每个子区间采用梯形公式求解后相加获得;
其中,Δx1、Δx2、…、Δxn‑2分别表示I2积分区间内的第1段、第2段、…、第n‑2段子区间长度;W(x1)、W(x2)、…、W(xn‑2)、W(xn‑1)分别表示在积分过程中,x方向上xj点处的电波衰减函数,j=1,2....,n‑1;F(xn,x1)、F(xn,x2)、F(xn,x3)、F(xn,xn‑2)、F(xn,xn‑1)分别表示进行区间划分后式(3)在点xj处的表示形式,j=1,2....,n‑1;
式(21)整理后,得到I2积分结果:其中,Δxj‑1与Δxj分别表示第j‑1个与第j个子区间长度;
所述步骤5具体为:
令
由于I3其积分区间为xn‑1到xn,包含s=xn处的奇点,采用式(24)所示公式进行变量代换消除奇点;
其中,U表示代换的新变量;
将式(23)与式(24)代入式(10)得到变量代换后新的I3求解公式:对式(25)采用梯形公式求解积分得到:I3=I′3+W(xn)I”3 (26)其中:
其中,f(xn,xn‑1)表示表示进行区间划分后式(3)在点xn‑1处的表示形式;
所述步骤6具体为:
将公式(12)、公式(22)、公式(26)代入式(7),求解得到W(xn)的公式为:利用步骤3中平地面公式求出初始解,采用式(12)、(22)和式(26)依次迭代计算下一步处的积分方程结果,I3积分计算完成后,得到任意点处的衰减函数W(xn);
利用所得式(29)得到积分区域内任意接收点处的W(P),通过公式(18)给出的场强与W(P)的关系,求得在积分区间内任意点的电场强度Ez;
计算二次时延的公式通过下式给出: 其中, 为低频地波在良导体上传播时的相位, 为低频地波在模拟路径上传播时的相位。