人工源极低频电磁波传播特点研究

[摘 要]人工源极低频电磁波技术（Control Source of Extremely Low Frequency method ，CSELF）是利用人工源方法产生大功率交变电磁场的新技术，是无线电通信领域和地球物理领域结合的新技术，具有巨大应用价值和发展潜力。本文将对不同频率的人工源极低频电磁波在地球-空气-电离层模型中的传播进行研究和分析。

[关键词]人工源极低频电磁波、地球-空气-电离层模型

中图分类号：P224.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0070-01

引言

电磁波的频率范围及其命名根据国际电联（ITU）的规定，3～30的频率范围称为极低频（Extremely Low Frequency，简写为ELF），30～300的称为超低频（Super Low Frequency，简写为SLF），而发射机实际发射信号频率范围为0.1～300，其中实际包括了超低频、极低频和至低频（3以下）频段，为了方便，统一称为极低频[1]。

极低频电磁波的特点就是频率极低，波长极长，与其他频段的电磁波比较，极低频电磁波在传播中稳定，衰减小，穿透能力强。

1 人工源极低频电磁波技术原理

在ELF频段时，垂直架设的天线几何高度与波长相比较都太小，不能作为激励源。一般情况下，水平低架天线可以成为ELF发射天线。极低频发射天线的长度一般在几十千米到几百千米，仍然远远小于波长，因此极低频发射天线可以视为水平电偶极子源或垂直磁偶极子源。选择高电阻率的地区，在地面上架设一条或多条发射天线，用大功率无线电发射机通过天线和接地体向地下发送100A左右的正弦波大电流。随着发射源功率的增大，收发距可能达数千公里，较传统意义上的收发距大很多，这时必须考虑地球半径及电离层的影响[2]。因此该技术采用地球-空气-电离层模型来研究。

2 人工源极低频电磁波传播特点及分析

由电磁波趋肤效应，接地的有限长电流源注射到大地中的低频交变电流将会在另一个反向电极处流回而形成回路[3]。由电磁感应原理，回路内的交变电流感应产生交变电磁场。由电磁波的传播特征，极低频电磁波传播分为近区、远区和波导区三个区域。电磁场主要分布地面和电离层之间的波导中，电磁信号衰减小可以传播很远，直到上万千米。

电流环路的磁矩，计算公式为：

式中，为天线电流强度，为天线长度，为趋肤深度，电流环的磁矩与天线长度、天线电流和趋肤深度成正比。目前广泛采用球形空腔法进行研究，即地球-空气-电离层模型：

假设地球半径无限大，可以将地球看成水平均匀大地。经计算，得到如下的总场表达式[2]：

其中、、是球坐标系中径向变量、仰角、方位角。球形谐振腔中极低频水平电偶极子置于地表，源的发射电流为，源的长度为，发射电流和天线长度虽远小于实际情况，也能模拟电磁场的特征，因为计算的电磁场基本特征是一样的，只是幅度上有大小不同而已，长发射天线和大电流也是可以归一到一个单位的。本文研究测线垂直平分水平电偶极子的情形，测线方位角，第一个测点与源的距离，测点之间的距离为，计算400点，共20000，约半个地球周长。电离层高度取=80，电离层电导率取=，地球半径为，地球电导率为，对频率为1，10，100的电磁场的场强进行绘图。

在电离层-空气-地球之间的波导中，不同频率的电场在电离层中会激发出相应二次感应电流，二次感应电流激发相应的磁场，谐变的磁场又激发相应的电场，，电磁场就在波导中传播出去。如图2，电磁场强度和频率关系密切，频率越小时电磁场幅值也越小，频率越大时电磁场幅值也越大。当传播距离不断增加到10000左右时，电磁波存在一定的衰减，当传播距离继续增加至接近20000时，电磁场的幅值相对10000处有所增大，这是因为电磁波出现同相叠加导致电磁场幅值增强。

3 结论

本文从极低频电磁波的发射原理出发，通过在地球-空气-电离层模型下水平电偶极子激发的极低频电磁波的解，在给定参数下对不同频率极低频电磁场进行了计算，并分析了在不同频率下极低频电磁波的传播特性。极低频电磁波幅度非常稳定，衰减极小。在极低频电偶极子关于地球的对极点附近，电磁波出现了同相叠加现象，电磁场幅值增强。极低频电磁波技术是具有潜力的新技术，值得进一步深入研究。

参考文献

[1] 卓贤军，陆建勋. 极低频探地工程在资源探测和地震预测中的应用与展望[J].2010，23（6）：3～7.

[2] 徐志锋，吴小平.电离层-均匀地球模型中地表水平电偶极子激发的电磁场[J].地球物理学报，2010，53（10）：2497～2506.

[3] 赵国泽，汤吉，邓前辉等.人工源超低频电磁波技术及在首都圈地区的测量研究[J].地学前沿，2003，10（增刊）：248～257.