基于ADI-S-FDTD的低频天地波传播综合建模及预测

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61401261
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0119.电磁场与波
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2017-12-31

项目摘要

Spatial medium characteristics of the earth-ionosphere system are key factors that affect the low frequency (LF) sky-surface wave propagation. FDTD prediction models have proven to be of higher accuracies than that of the analytic method as the medium distribution is complex. However, the traditional FDTD method is facing difficulty in dealing with the models which have random characteristics at the same time. The computing resources can hardly meet the needs for the FDTD codes should be run thousands of times. In this work, a new hybrid method—alternating direction implicit stochastic FDTD (ADI-S-FDTD) is to be constructed by combining the advantages of the stochastic FDTD (S-FDTD) and the leapfrog alternating direction implicit FDTD (leapfrog ADI-FDTD) methods together. The ADI-S-FDTD is to be taken as the fundamental method for the integrated modeling of the LF sky-surface wave propagation. An efficient scheme how to obtain the statistical properties of the field strength loss and time delay through one simulation is to be studied. The influences of the complex earth, atmosphere and ionosphere will all be taken into account. Aiming at the problem that the correlation coefficient approximations affect the variance accuracy much, the correlation coefficients’ fitting and inversion of the random variables are to be studied based on the Monte Carlo method. For the long distance propagation prediction cost too much computational resource, several methods and techniques are combined innovatively with ADI-S-FDTD together, mainly including: (1) the analytical methods; (2) Segmented Long Path Propagation, Moving Window techniques; (3) MPI+OpenMP+CUDA three-level parallel techniques. By applying the strategies above, the accuracy and efficiency of the model algorithm will be significantly improved again, and the computational cost will be reduced further. Deterministic and stochastic two models are to be adopted to validate the ADI-S-FDTD algorithm, respectively. Then, the LF sky-surface wave propagation properties in the real earth-ionosphere systems are to be studied. The work is expected to provide more theory basis for the LF radio wave applications in many fields.
地—电离层中空间媒质是影响低频电波传播特性的关键因素,传统FDTD预测模型能克服解析方法在处理媒质具有复杂分布特性时精度低的局限,但当其同时具有随机特性,数千次仿真是计算资源难以容忍的。项目拟采用随机FDTD结合Leapfrog ADI-FDTD的方式,提出交替方向隐式随机FDTD(ADI-S-FDTD)新方法,对低频天地波传播进行综合建模,研究通过一次仿真得到同时包含地层、空气层及电离层影响的电波统计特性的高效方案。针对算法中随机量相关系数近似影响方差精度的问题,研究基于蒙特卡罗方案的相关系数拟合与反演;针对算法长距离传播预测应用,研究与解析方法、与分段长距离、滑动窗、MPI+OpenMP+CUDA三级并行等多种技术相结合策略,再次大幅提高算法精度与效率,减少资源占用。采用确定和随机两种模型验证算法有效性。对实际地—电离层中电波传播特性进行预测分析,为天地波的联合应用提供理论依据。

结项摘要

地—电离层中空间媒质是影响低频电波传播特性的关键因素,项目以地波绕射理论、天波“波跳”理论为基础,跟踪国际上FDTD新近研究成果,将Leapfrog ADI-FDTD与随机FDTD方法相结合,针对天地波传播机理、天地波综合建模、随机FDTD方法中相关系数拟合、长距离传播预测技术、随机模型验证等问题进行了深入研究,取得了一系列成果:(1)引入球面校正因子和高程转换技术对积分方程方法进行改进,解决其与其它经典算法在光滑路径模型下预测结果不一致的问题,改进算法更适合考虑地球曲率影响下复杂长距离地面及空中地波传播特性的求解;(2)基于分步离散混合傅立叶算法实现了双向窄角、宽角抛物方程方法,在该方法中引入方向性因子的影响,解决了在近轴、高仰角过渡区域电波传播预测及后续数值模型中馈源及空间场验证问题;(3)提出基于交替方向隐式随机FDTD(ADI-S-FDTD)方法的天地波传播综合建模方案,通过一次仿真即可得到同时包含地层、空气层及电离层影响的电波统计特性,该方案对于具有二维复杂尺度结构、随机变化的传播模型特性求解具有高效、高精度的优势;(4)采用与抛物方程方法、分段长距离、滑动窗、多级并行等技术相结合的策略,大幅提高算法精度与效率,减少资源占用,并在项目研究过程中进一步提出了将数值方法与“波跳”理论相结合的新方案,借助天地波分离技术对天波进行“分区”、“分跳”修正,再由修正后的各跳天波对观测点信号进行合成重构;(5)对复杂地—电离层中低频电波传播特性进行预测分析,重点研究了罗兰-C信号水下色散、海岸效应、地—电离层波跳现象;(6)依据合作单位试验平台对天、地波信号的长期监测数据,对定点区域天地波信号时变特性、扰动量级、电离层反射高度、模型参数反演等问题进行了初步探讨。本项目研究成果可为天地波的联合应用、水下及空间导航授时应用拓展提供一定理论依据。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(3)
专利数量(3)
复杂路径上空过渡区域低频电波传播损耗求解
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    电子与信息学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;白学胜;穆中林;蒲玉蓉;席晓莉;何立风
  • 通讯作者:
    何立风
Pulse Parabolic Equation Method for Loran-C ASF Prediction over Irregular Terrain
不规则地形Loran-C ASF预测的脉冲抛物方程法
  • DOI:
    10.1109/lawp.2017.2778736
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Dan-dan Wang;Xiao-li Xi;Li-li Zhou;Yu-Rong Pu;Jing-Sheng Zhang
  • 通讯作者:
    Jing-Sheng Zhang
Parabolic Equation Method for Loran-C ASF Prediction Over Irregular Terrain
不规则地形Loran-C ASF预测的脉冲抛物方程法
  • DOI:
    10.1109/lawp.2015.2471079
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Ieee Antennas and Wireless Propagation Letters
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Wang Dan-Dan;Xi Xiao-Li;Pu Yu-Rong;Liu Jang-Fan;Zhou Li-Li
  • 通讯作者:
    Zhou Li-Li
Long-range Loran-C ground-wave propagation prediction based on adaptive moving window finite-difference time-domain method with compute unified device architecture parallel computing techniques
基于自适应移动窗时域有限差分法和计算统一器件架构并行计算技术的远程Loran-C地波传播预测
  • DOI:
    10.1049/iet-map.2014.0312
  • 发表时间:
    2015-04
  • 期刊:
    Iet Microwaves Antennas & Propagation
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    Zhou, Lili;Mu, Zhonglin;Pu, Yurong;Xi, Xiaoli
  • 通讯作者:
    Xi, Xiaoli
不规则地形地波传播衰减因子的改进算法及结果一致性研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    电子与信息学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;穆中林;蒲玉蓉;席晓莉
  • 通讯作者:
    席晓莉

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其他文献

不规则地面低频地波传播预测方法的性能比较
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    电波科学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;余宁梅;席晓莉
  • 通讯作者:
    席晓莉
我国两大冻融侵蚀区气候环境变化对比分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    生态环境
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;刘艳华;范昊明;武敏;王飞;陈玉斌;郭成久
  • 通讯作者:
    郭成久
strong具有未完全解冻层坡面/strongstrong产流历时/strongstrong影响因素/strong
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    中国水土保持科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;范昊明;贾燕锋;武敏
  • 通讯作者:
    武敏
酪蛋白糖巨肽和乳铁蛋白灌胃对小鼠肠道微生物定殖抗力的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    食品科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    任效东;陈庆森;李俊洁;周丽丽;阎亚丽
  • 通讯作者:
    阎亚丽
滨海沙地主要造林树种叶片功能性状及养分重吸收特征
  • DOI:
    10.13287/j.1001-9332.201907.007
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    应用生态学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周丽丽;钱瑞玲;李树斌;董博微;陈宝英;潘辉
  • 通讯作者:
    潘辉

其他文献

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周丽丽的其他基金

VLF/LF地基PNT系统中随机多模耦合场高分辨相延估计
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    56 万元
  • 项目类别:
    面上项目
VLF/LF地基PNT系统中随机多模耦合场高分辨相延估计
  • 批准号:
    62171265
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    56.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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