CN114330075B - 一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法 - Google Patents

一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，包括下述步骤：S1根据各个不同电压等级电网的三相环路获得磁偶极子群，并根据各个电压等级电网的经纬度与海拔高度获得磁偶极子群的空间坐标；S2根据磁偶极子群的空间坐标计算每个三相磁偶极子的环路长度，并根据环路长度获得多层次磁偶极子群；S3根据各国各电压等级电网的装机容量获得各级各电压等级电网中输电环路上与电压对应的电流；S4根据多层次磁偶极子群和所述电流建立多层次磁偶极子模型；S5对多层次磁偶极子模型进行求解获得空间工频电磁波分布。本发明增加了电网分布的海拔因素，将电网分成多等级多层次分别进行建模分析，提高了工频电磁波的分析准确性。

Description

一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法
技术领域
本发明属于非声学的水下探测和多维信号处理技术的交叉领域，更具体地，涉及一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法。
背景技术
在经济全球化的新形势背景下，全球贸易往来极为密切，世界各国，尤其我国的进出口总量呈现较快的增长速度，船舶运输以自身巨大的货运量以及高效的货物保障被全球企业商家所青睐。因此，船舶制造企业的造船数量和船舶吨位逐年增长。船舶在航行过程中的安全问题一直是人们关注的焦点。
沉船目标和战争遗留下的水雷等铁磁性物体是海洋勘探中广泛研究的对象。对失事沉船的打捞和水雷探测需要对其进行精确的定位，同时水下沉船和水雷也是影响海洋通航环境的重要要素。同时，水下潜航器与水下机器人活动范围的日益增大，两者也成为了影响海洋通航的重要因素。船舶航行时对沉船、水下潜航器等铁磁性目标的探测就尤为重要了。
传统的水下目标探测手段通常是采用声呐探测方式，通过接收被探测对象的声呐回波来感知目标的方位。利用声呐探测沉船等水下目标存在着一些问题，沉船往往会受到海洋泥沙的覆盖，而声呐手段很容易受到海底起伏地形的干扰，从而带来较大的检测虚警。同时，声学探测要布置大量的探测阵列，耗费巨大，也极易受到海洋背景噪声的干扰。声学探测手段已经很难远距离、大范围探测隐蔽于海洋背景噪声下的水下目标，无法满足我国广阔海域的探测需求，因此亟需发展新的非声遥感探测手段来探测水下目标。
现有技术中对各电压等级电网进行了等效超长波天线阵建模分析，但是仅仅是在平面上进行模型建立，这种平面建模方式仅仅只能在各电压等级电网近场区内可以保证建模仿真数据的正确性，因为其忽略了电磁波传播到远场区可能会发生的折射，也忽略了电离层本身的曲率也会对电磁波的反射有一定的影响，因此，这种方法使得工频电磁波定量分析的准确性低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，旨在解决现有技术中由于只能在平面上建模导致对工频电磁波的分析准确性低的问题。
本发明提供了一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，包括下述步骤：
S1根据各个不同电压等级电网的三相环路获得磁偶极子群，并根据各个电压等级电网的经纬度与海拔高度获得所述磁偶极子群的空间坐标；
S2根据所述磁偶极子群的所述空间坐标计算每个三相磁偶极子的环路长度，并根据环路长度获得包含磁偶极子和实现磁偶极子功能的天线阵的多层次磁偶极子群；
S3根据各国各电压等级电网的装机容量获得各级各电压等级电网中输电环路上与电压对应的电流；
S4根据所述多层次磁偶极子群和所述电流建立多层次磁偶极子模型；
S5对所述多层次磁偶极子模型进行求解获得空间工频电磁波分布。
更进一步地，在所述步骤S1中，通过直接对电网节点的经纬度进行统计，根据地球的曲率构建曲面模型，并根据经纬度计算磁偶极子的空间坐标。
更进一步地，在步骤S2中，通过考虑输电环路的海拔因素获得每个三相磁偶极子的环路长度。
更进一步地，在步骤S2中，通过将所述环路长度分别为λ、λ/2，λ/4、λ/8和λ/10中任意一个对应的各电压等级电网等效为磁偶极子，并将多个输电环路长度之和满足上述的长度条件的输电环路等效为实现磁偶极子功能的天线阵，来实现所述多层次磁偶极子群的建立。
更进一步地，在步骤S4中，所述多层次磁偶极子模型包括：电离层、陆地-海洋-海床层和空气层。
其中，考虑到电离层对工频电磁波的吸收与折射、工频电磁波通过陆地与海床到达海水层因素建立多层次介质模型；将高压输电网络分电压等级分别建模仿真的多层次磁偶极子群模型。
更进一步地，步骤S5具体包括：将每个电压等级等效为磁偶极子的输电环路或能实现磁偶极子功能的输电环路分别计算其电磁波传输特性与空间分布，多个电压等级的输电环路产生的工频电磁波在空间内进行矢量叠加。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于增加了电网分布的海拔因素，将电网分成多等级多层次分别进行建模分析，能够取得提高了工频电磁波分析准确性的有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法的实现流程图；
图2为700kV～799kV电压等级电网分布图；
图3为500kV～699kV电压等级电网分布图(美国东部)；
图4为500kV～699kV电压等级电网分布图(美国西部)；
图5为300kV～499kV电压等级电网分布图；
图6为美国500kV～699kV电网磁场等值线图；
图7为美国500kV～699kV电网电场等值线图；
图8为卫星FFT频谱图；其中(a)为马尔代夫卫星图，(b)为马尔代夫上空卫星高度测得的50Hz电场数据，(c)为加拉帕戈斯卫星图，(d)为加拉帕戈斯上空卫星高度测得的50Hz电场数据；
图9为卫星获得的60Hz电场数据，其中(a)为美国明暗界线卫星图，(b)为动态傅立叶频谱，(c)单独时间间隔的信号快速傅里叶变换(FFT)频谱，(d)60Hz信号的平均绝对值；
图10为本发明实施例提供的曲面模型的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，增加了电网分布的海拔因素，在构建电网模型时将地形起伏考虑在内，可以模拟在地球表面曲面分布的电网特征，另外将电网分成多等级多层次分别进行建模分析，研究工频超长波磁偶极子群的统一的工频电磁波传播及其影响架构，研究现有各电压等级电网工频电磁波在各介质的传播特性，特别是解决工频电磁波传播方式、空间分布及其影响方面的研究不足的问题，将工频电磁波这一免费资源纳入工程实践，提高了对工频电磁波的分析准确性。
由于供电方式、供电负荷、供电距离等因素不同，各国在电网的建设中都将电网分为多电压等级进行电力输送。这是为了避免电压等级过高负荷不足而造成电力资源浪费，电压等级过低而又频繁需要基础建设的更新换代。需要以美国为例，美国全境内电力输送系统大致分为三个电压等级：345kV～499kV、500kV～699kV、700kV～799kV，此外还有1000kV的直流电，但本发明主要研究对象为工频电磁波，不考虑直流电。本发明将这些不同的高压工频交变输电电网分开进行建模分析。
如图1所示，本发明提供了一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，包括以下步骤：
S1根据各个不同电压等级电网的三相环路获得磁偶极子群，并根据各个电压等级电网的经纬度与海拔高度获得所述磁偶极子群的空间坐标；
其中，所述磁偶极子群是逐级耦合的；
S2根据所述磁偶极子群的所述空间坐标计算每个三相磁偶极子的环路长度，并根据环路长度获得磁偶极子和实现磁偶极子功能的天线阵；
具体地，可以将长度L为λ、λ/2，λ/4、λ/8、λ/10的长距离各电压等级输电环路等效为磁偶极子，对于环路长度不满足上述条件的各电压等级输电环路，如果多个输电环路长度之和满足上述条件，可将环路长度之和满足条件的这些各电压等级输电环路等效为实现磁偶极子功能的天线阵，其中λ表示工频电磁波波长；
S3根据各国各电压等级电网的装机容量获得各级各电压等级电网中输电环路上与电压对应的电流；
S4根据所述磁偶极子、所述天线阵以及所述电流建立多层次磁偶极子模型；
S5对所述多层次磁偶极子模型进行求解获得空间工频电磁波分布。
其中，先对磁偶极子进行仿真计算并进行矢量叠加，计算出各电压等级各电压等级电网在整个仿真域的空间工频电磁波和电磁波分布；然后再将各个电压等级各电压等级电网仿真计算出的工频电磁波进行矢量叠加，分析各电压等级电网在整个仿真域的空间工频电磁波和电磁波分布的特性。
在本发明实施例中，在步骤S1中，将各电压等级电网的三相环路等效为逐级耦合的磁偶极子群，根据各电压等级电网的经纬度与海拔高度，建立磁偶极子群的空间坐标矢量群，用集合V表示：V＝(V1,V2,…,Vi,…,Vn)，其中Vi表示磁偶极子，n表示整个各电压等级电网中的磁偶极子个数。不同于已有技术，本发明中不是采取日本冲绳为原点，计算各个电压等级电网节点坐标的方式，而是直接对电网节点的经纬度进行统计，然后根据地球的曲率构建曲面模型(如图10所示)，根据经纬度计算磁偶极子的空间坐标，将平面建模忽略的电磁波传播到远场区会产生的折射现象考虑在内，曲面建模也能更加准确的保证电网建模的准确度。
在本发明实施例中，在步骤S2中，对于短距离各电压等级输电环路，如果多个输电环路长度之和为λ、λ/2，λ/4、λ/8或λ/10中的任意一个，则对应的这些短距离输电环路可等效为实现磁偶极子功能的天线阵，总长度为每个输电环路长度之和，记作其中g为输电环路的长度，x、y、z为磁偶极子的球面坐标，此坐标考虑到输电环路的海拔因素，相较于平面建模，环路长度更加准确。
在本发明实施例中，在步骤S4中，具体包括下述步骤：
S41确定仿真域的大小，可以定性定量的选择所需要的仿真区域，包括：空气模型Ma＝(La,Wa,Ha,ρa)；陆地-海洋-海床模型Mo＝(Lo,Wo,Ho,ρo)；电离层模型Mi＝(Li,Wi,Hi,ρi)；
其中，La、Wa、Ha和ρa分别表示空气模型的长、宽、高和曲率；Lo、Wo、Ho和ρo分别表示陆地-海洋-海床模型的长、宽、高和曲率；Li、Wi、Hi和ρi分别表示电离层模型的长、宽、高和曲率；
S42确定仿真域的物理材料参数，包括：
空气参数μ＝1,ε＝1,σ＝0S/m；
海洋参数μ＝1,ε＝81,σ＝3S/m；
陆地参数μ＝1,ε＝11.7,σ＝0S/m；
根据电离层的高度不同，可将电离层分为D，E，F1，F2四层。
D层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-8S/m
E层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-4S/m
F1层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-6S/m
F2层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-8S/m
其中μ表示材料的相对磁导率，ε表示材料的相对介电常数，σ表示材料的电导率；
S43根据仿真域的大小和物理材料参数建立电离层-空气-陆地-海岸线-海洋介质几何模型。
在本发明实施例中，步骤S5具体包括如下步骤：
S51对仿真域进行网格划分，边界条件设定。划分网格确保整个仿真域计算的精度，设置仿真域每个部分的边界条件，确保仿真域不同部分连接处的仿真计算正确性；
S52对磁偶极子群的每个天线阵以其坐标为中心，确定其近场区和远场区。近场区与远场区的分界线可取半径为2L2/λ，其中L为输电环路长度，λ为工频电磁波波长；
S53根据长波天线的传输理论，变化的电场与磁场相互激发，形成在空间中传播的电磁波，由此仿真计算各个天线阵的近场和远场的电磁波矢量分布。
其中，步骤S53具体为：基于麦克斯韦方程组，建立边界条件约束下的输电网络工频电磁波和电磁波计算模型，通过有限元仿真来计算出输电网络在整个仿真域的空间工频电磁波和电磁波分布，此过程均可在comsol中实现。
本发明提出的多层次磁偶极子群建模，与现有技术相比，通过将输电环路长度为λ、λ/2，λ/4、λ/8、λ/10之一的各电压等级电网等效为磁偶极子，对于不满足长度条件的输电环路，若多个输电环路长度之和满足上述的长度条件，这些输电环路可等效为实现磁偶极子功能的天线阵，由此建立多层次磁偶极子群，可以仿真分析出各电压等级电网产生的更远距离的工频电磁波，填补了现有技术中各电压等级输电环路产生的工频电磁波传播到远场区的定量分析的空缺，而且本方法还可适用于远距离环境的电磁探测相关研究和分析。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，现结合具体实例并参照附图详述如下：
全世界的电网装机容量70亿千瓦。分布在不同地区的输/变/用电网络输送大量的电力，交变的电场与交变的磁场相互激发，分析各个电压等级的各电压等级输电网络产生的工频电磁波的传播特性与空间分布，然后将各个电压等级的各电压等级输电网络产生的工频电磁波进行矢量叠加，通过各个电压等级各电压等级输电网络构建的多层次磁偶极子群模型分析计算其传播特性与空间分布。
本发明在把各电压等级输电线等效成磁偶极子的基础上，提供了一种各电压等级电网工频电磁波(波)分析方法，具体包括以下步骤：
(1)根据真实的电网分布，各电压输电环路的起点和终点，统计其经纬度与海拔高度，确定各磁偶极子的空间坐标矢量，根据空间坐标群建立一个各电压等级电网磁偶极子群模型。在本实例中，建立了美国三个等级的电网模型，图2、图3、图4、图5为美国电网在comsol里构建的模型；
(1.1)将各电压等级电网的三相环路等效为逐级耦合的磁偶极子群，根据电网分布的经纬度与海拔高度，建立磁偶极子群的空间坐标矢量群，用集合V来表示，其中V＝(V1,V2,…,Vi,…,Vn)，Vi(xi，yi，zi)表示磁偶极子空间坐标，n表示整个各电压等级电网中的磁偶极子个数；
(1.2)根据输电环路起点与终点的空间坐标计算其长度L，将长度L满足λ、λ/2，λ/4、λ/8、λ/10的长距离各电压等级输电环路等效为磁偶极子，由此组成磁偶极子群，将各个电压等级中多个短距离输电环路之和满足长度要求的输电环路等效为实现磁偶极子功能的天线阵；
其中，步骤(1.2)具体包括:
(1.2.1)确定输电环路起始节点Vs(xs,ys,zs)和终止节点Ve(xe,ye,ze)的空间坐标，并据此计算电网输电环路的长度
(1.2.2)将长度L满足λ、λ/2、λ/4、λ/8、λ/10(λ表示长波天线波长)的长距离各电压等级输电环路等效为磁偶极子群，将各个电压等级多个短距离输电环路长度之和满足上述要求的输电环路等效为实现磁偶极子群功能的天线阵；
(1.2.3)对于等效为实现磁偶极子功能的天线阵的多个短距离输电环路，其总长度为每个输电环路长度之和，记作例如，在美国电网345～499kV的电压等级上有两条短距离的输电环路与整个电网分离，两个相加的总长度为λ/8，则两者叠加可以等效为一个磁偶极子，输电环路的长度为λ/8；
(1.3)根据输电网络的装机容量计算各电压等级电网中输电环路上的三相电压和电流；例如，美国电网的电压等级大致可分为345～499kV、500～699kV和700～799kV，为美国电网的装机总容量大概为258MW，根据功率与平均电压的数值关系，可以计算出电网结构中每条支路的电压与电流。
(1.4)建立电离层-空气-陆地-海岸线-海洋介质几何模型；所述步骤(1.4)包括：
(1.4.1)定性定量的计算工频电磁波的传播特性与空间分布情况，确定仿真域各个部分的大小，设置其物理材料参数；
空气模型Ma＝(La,Wa,Ha,ρa)；
陆地-海洋-海床模型Mo＝(Lo,Wo,Ho,ρo)；
电离层模型Mi＝(Li,Wi,Hi,ρi)，其中：
La、Wa、Ha和ρa分别表示空气模型的长、宽、高和曲率；
Lo、Wo、Ho和ρo分别表示陆地-海洋-海床模型的长、宽、高和曲率；
Li、Wi、Hi和ρi分别表示电离层模型的长、宽、高和曲率；
确定仿真域的物理材料参数，包括
空气参数μ＝1,ε＝1,σ＝0S/m；
海洋参数μ＝1,ε＝81,σ＝3S/m；
陆地参数μ＝1,ε＝11.7,σ＝0S/m；
根据电离层的高度不同，可将电离层分为D，E，F1，F2四层。
D层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-8S/m
E层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-4S/m
F1层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-6S/m
F2层参数μ＝1,ε＝1,σ＝10-8S/m
其中μ表示材料的相对磁导率，ε表示材料的相对介电常数，σ表示材料的电导率；
(1.4.2)根据已确定的仿真域的大小和物理材料参数，建立电离层-空气-陆地-海岸线-海洋介质几何模型。本实例中建立美国电网三个电压等级的电网模型，电压等级分别为345～499kV，500～699kV，700～799kV。
(2)对各个磁偶极子群产生的工频电磁波仿真计算并进行矢量叠加，包括：
(2.1)对仿真域进行网格划分，设定边界条件，仿真计算。对于大尺寸的仿真域，需要进行有限元网格划分分析，合理地设置网格尺寸大小、网格划分模式，保证仿真计算的精度。在本实例中，网格划分模式设置为“较细化模式”，使用的是自由四面体网格，COMSOL软件会根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小。
(2.2)对磁偶极子群的每个磁偶极子以其坐标为中心，以2L2/λ为分界线，确定其近场区和远场区。
(2.3)根据长波天线的传输理论，交变的电流与交变的磁场相互激发，基于麦克斯韦方程组，在边界条件与划分网格大小的约束下仿真计算每个磁偶极子的近场和远场的电磁波矢量分布，将各个磁偶极子产生的工频电磁波矢量叠加来计算出各电压等级输电网络在整个仿真域的工频电磁场(波)分布。
(3)将所有磁偶极子群产生的电磁波进行矢量叠加，得到工频电磁波的传播特性与空间分布。图6、图7为美国电网500～699kV电压等级的磁场/电场等值线图，可在COMSOl中生成。
下面对本发明的建模和分析方法进行验证。俄罗斯于2012年发射的Chibis-M微卫星在500km的轨道高度，距离印度南部电网1300公里远的印度洋(远场区)和距离智利和阿根廷电网4000～4500公里远的太平洋(远场区)处检测到了电网输电线辐射的电磁波信号,即印证了各电压等级电网可等效为50Hz超长波天线阵模型的正确性，如图8所示，FFT频谱图中可以清楚的看到明显的50Hz电磁信号。同样，在2014年4月19日11:16:14-11:27:38(UTC)，海拔417km(美国上空)，如图9所示，可以看到明显的60Hz电场信号，验证了模型的正确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多层次磁偶极子群建模的电磁波空间分析方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1根据各个不同电压等级电网的三相环路获得磁偶极子群，并根据各个电压等级电网的经纬度与海拔高度获得所述磁偶极子群的空间坐标；
S2根据所述磁偶极子群的所述空间坐标计算每个三相磁偶极子的环路长度，并根据环路长度获得包含磁偶极子和实现磁偶极子功能的天线阵的多层次磁偶极子群；
S3根据各国各电压等级电网的装机容量获得各级各电压等级电网中输电环路上与电压对应的电流；
S4根据所述多层次磁偶极子群和所述电流建立多层次磁偶极子模型；
S5对所述多层次磁偶极子模型进行求解获得空间工频电磁波分布。
2.如权利要求1所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过直接对电网节点的经纬度进行统计，根据地球的曲率构建曲面模型，并根据经纬度计算磁偶极子的空间坐标。
3.如权利要求1所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，在步骤S2中，通过考虑输电环路的海拔因素获得每个三相磁偶极子的环路长度。
4.如权利要求3所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，在步骤S2中，通过将所述环路长度分别为λ、λ/2，λ/4、λ/8和λ/10中任意一个对应的各电压等级电网等效为磁偶极子，并将多个输电环路长度之和满足上述的长度条件的输电环路等效为实现磁偶极子功能的天线阵，来实现所述多层次磁偶极子群的建立。
5.如权利要求1-4任一项所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，在步骤S4中，所述多层次磁偶极子模型包括：电离层、陆地-海洋-海床层和空气层。
6.如权利要求5所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，考虑到电离层对工频电磁波的吸收与折射、工频电磁波通过陆地与海床到达海水层因素建立多层次介质模型；将高压输电网络分电压等级分别建模仿真的多层次磁偶极子群模型。
7.如权利要求1-4任一项所述的电磁波空间分析方法，其特征在于，步骤S5具体包括：将每个电压等级等效为磁偶极子的输电环路或能实现磁偶极子功能的输电环路分别计算其电磁波传输特性与空间分布，多个电压等级的输电环路产生的工频电磁波在空间内进行矢量叠加。
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