本申請(qǐng)涉及計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、甚低頻（vlf，3-30khz）電磁波可在地球表面與高空電離層共同構(gòu)成的球形諧振腔結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低衰減傳播，該傳播通道被稱為地球-電離層波導(dǎo)（eiwg）。地球-電離層波導(dǎo)內(nèi)的vlf電磁波傳播特性，與電離層d區(qū)電子密度分布、地面電磁參數(shù)、地磁場分布等多物理場參數(shù)強(qiáng)相關(guān)，其三維電場分布的精準(zhǔn)預(yù)測，是全球長波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電離層遙感與空間天氣監(jiān)測、全球閃電定位、核爆電磁效應(yīng)監(jiān)測等重大工程與科學(xué)研究領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)，具有不可替代的工程應(yīng)用價(jià)值與科研意義。
2、當(dāng)前針對(duì)地球-電離層波導(dǎo)內(nèi)vlf電磁波傳播的建模，主流方案為基于麥克斯韋方程組的傳統(tǒng)數(shù)值求解方法，行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的包括長波傳播能力（lwpc）模型、全波求解模型、波導(dǎo)模方程求解器等。該類方法通過離散化求解麥克斯韋方程組實(shí)現(xiàn)場分布計(jì)算，具備較高的計(jì)算精度，可滿足常規(guī)穩(wěn)態(tài)場景下的傳播特性分析需求。但受限于數(shù)值求解的固有原理，該類方法存在難以突破的技術(shù)瓶頸：其一，計(jì)算效率極低，單次單路徑仿真需耗時(shí)數(shù)秒至數(shù)分鐘，針對(duì)全球尺度、三維空間的全場分布仿真耗時(shí)可達(dá)小時(shí)級(jí)，完全無法滿足空間天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測、大規(guī)模參數(shù)掃描、通信鏈路實(shí)時(shí)評(píng)估等場景的毫秒級(jí)響應(yīng)需求；其二，建模能力受限，傳統(tǒng)方案大多僅能輸出傳播路徑上的一維場強(qiáng)幅值，難以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)內(nèi)全三維空間的電場多分量、幅相一體化預(yù)測，無法適配復(fù)雜場景下的三維電磁場分布分析需求；其三，對(duì)復(fù)雜電離層環(huán)境的適配性差，針對(duì)電離層不均勻擾動(dòng)、地磁暴等極端動(dòng)態(tài)場景，數(shù)值求解需反復(fù)重構(gòu)模型、重新迭代計(jì)算，工程實(shí)用性嚴(yán)重受限。
3、近年來，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法被嘗試引入電磁傳播建模領(lǐng)域，該類方法通過擬合大量仿真數(shù)據(jù)的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)場分布預(yù)測，可將推理耗時(shí)壓縮至毫秒級(jí)，解決了傳統(tǒng)數(shù)值方法效率低下的痛點(diǎn)。但純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型存在無法克服的固有缺陷：其預(yù)測能力完全依賴訓(xùn)練數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，不具備物理外推能力，針對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)未覆蓋的復(fù)雜電離層擾動(dòng)、極端空間天氣場景，極易產(chǎn)生違背麥克斯韋基本物理定律的非物理解，預(yù)測結(jié)果不具備物理一致性，無法直接應(yīng)用于對(duì)可靠性要求極高的工程與科研場景，難以成為地球-電離層波導(dǎo)電磁建模的可靠解決方案。
4、物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（pinn）的出現(xiàn)，為兼顧電磁建模的效率與物理可靠性提供了新的技術(shù)路徑，該方法通過將物理控制方程嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)，在訓(xùn)練過程中強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)輸出符合基本物理定律，在保證推理效率的同時(shí)，大幅提升了模型的泛化能力與物理一致性。但當(dāng)前針對(duì)電磁領(lǐng)域的pinn研究，大多集中于高頻、小尺度、直角坐標(biāo)系下的局域電磁問題，尚未形成針對(duì)地球-電離層波導(dǎo)這一特殊系統(tǒng)的成熟解決方案。具體而言，現(xiàn)有pinn方案無法適配地球-電離層波導(dǎo)的全球球面幾何結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)球坐標(biāo)系下麥克斯韋方程組的完整嵌入與約束；無法處理電離層參數(shù)二維空間分布到三維電磁場分布的高維全局耦合映射，難以實(shí)現(xiàn)端到端的全場預(yù)測；同時(shí)未實(shí)現(xiàn)電離層各向異性阻抗邊界條件與網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的深度耦合，無法準(zhǔn)確刻畫電離層磁化等離子體的各向異性反射特性，難以保證復(fù)雜邊界條件下的預(yù)測精度與物理一致性。
5、綜上，現(xiàn)有技術(shù)均無法同時(shí)滿足地球-電離層波導(dǎo)三維電場分布預(yù)測對(duì)高精度、高效率、強(qiáng)泛化性與物理一致性的核心需求，嚴(yán)重制約了vlf電磁波傳播相關(guān)技術(shù)在實(shí)時(shí)化、大規(guī)模、復(fù)雜動(dòng)態(tài)場景下的應(yīng)用，亟需開發(fā)一種適配地球-電離層波導(dǎo)復(fù)雜物理特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的諸多痛點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種用于地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場分布預(yù)測的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法及應(yīng)用，本方案以球坐標(biāo)系物理規(guī)律、地面阻抗邊界條件以及電離層阻抗邊界條件為約束保證物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地面邊界處以及電離層邊界處的預(yù)測精度。
2、第一方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，所述方法包括：
3、s100、構(gòu)建u-net架構(gòu)的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；
4、s200、獲取多組電離層參數(shù)，基于仿真模擬為每一組電離層參數(shù)生成三維電磁場作為標(biāo)簽得到訓(xùn)練樣本集合；
5、s300、以訓(xùn)練樣本集合對(duì)所述物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代訓(xùn)練至滿足迭代條件，在迭代訓(xùn)練過程中構(gòu)建球坐標(biāo)系物理規(guī)律、地面阻抗邊界條件以及電離層阻抗邊界條件作為約束，并在每輪迭代結(jié)束后計(jì)算損失函數(shù)，其中，所述球坐標(biāo)系物理規(guī)律用于約束地球-電離層波導(dǎo)自由空間區(qū)域內(nèi)徑向、極角和方位角的電場分量與磁場分量之間的相互耦合物理規(guī)律；所述地面阻抗邊界條件用于約束地面邊界處極角和方位角的電場切向分量與磁場切向分量滿足預(yù)設(shè)的地面表面阻抗關(guān)系；所述電離層阻抗邊界條件基于復(fù)阻抗矩陣約束電離層下邊界處電場切向分量與磁場切向分量的反射關(guān)系，其中基于電離層參數(shù)計(jì)算所述復(fù)阻抗矩陣；
6、s400、訓(xùn)練好的物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以包含目標(biāo)區(qū)域內(nèi)每一有效網(wǎng)格點(diǎn)反射高度以及銳度的電離層參數(shù)二維分布圖作為輸入，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的三維電磁場進(jìn)行預(yù)測，所述三維電磁場包含對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)每一有效網(wǎng)格點(diǎn)電場分量和磁場分量的幅度和相位。
7、第二方面，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種電子裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器被設(shè)置為運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序以執(zhí)行一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法。
8、第三方向，本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法。
9、本發(fā)明的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
10、本申請(qǐng)實(shí)施例將球坐標(biāo)系下展開的麥克斯韋方程組作為物理規(guī)律約束嵌入網(wǎng)絡(luò)迭代訓(xùn)練過程，完美適配地球-電離層波導(dǎo)的全球球面幾何結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制網(wǎng)絡(luò)輸出的電場與磁場分量滿足自由空間內(nèi)的電磁耦合物理規(guī)律，從根本上保證預(yù)測結(jié)果的物理一致性；本申請(qǐng)實(shí)施例引入地面阻抗邊界條件作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的約束項(xiàng)，精準(zhǔn)刻畫地面有耗媒質(zhì)對(duì)vlf波的反射與吸收特性，強(qiáng)制地面邊界處電場切向分量與磁場切向分量滿足預(yù)設(shè)阻抗關(guān)系，保證模型在地面邊界處的預(yù)測精度；本申請(qǐng)實(shí)施例引入基于各向異性磁化等離子體2×2復(fù)阻抗矩陣的電離層阻抗邊界條件作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的約束項(xiàng)，準(zhǔn)確表征電離層下邊界在地磁場作用下的各向異性反射特性，實(shí)現(xiàn)電離層物理參數(shù)通過邊界條件與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的深度耦合，精準(zhǔn)適配電離層不均勻擾動(dòng)、地磁暴等復(fù)雜場景，大幅提升模型對(duì)復(fù)雜電離層環(huán)境的泛化能力與預(yù)測精度。
11、本申請(qǐng)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)在以下附圖和描述中提出，以使本申請(qǐng)的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)更加簡明易懂。
1.一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，每組電離層參數(shù)包括任一區(qū)域內(nèi)每一有效網(wǎng)格點(diǎn)的反射高度以及銳度所組成的二維分布圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，所述三維電磁場包括對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)每一有效網(wǎng)格點(diǎn)電場分量的幅度和相位，以及每一有效網(wǎng)格點(diǎn)磁場分量的幅度和相位，所述電場分量包括徑向電場分量、極角電場分量、方位角電場分量，所述磁場分量包括徑向磁場分量、極角磁場分量、方位角磁場分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，在構(gòu)建球坐標(biāo)系物理規(guī)律中，獲取球坐標(biāo)系中vlf時(shí)間諧變場所滿足的麥克斯韋方程組，將麥克斯韋方程組在球坐標(biāo)系中展開為耦合微分方程組，自耦合微分方程組獲取電場分量對(duì)電磁分量的物理約束、電磁分量對(duì)電場分量的物理約束，電場分量對(duì)電磁分量的物理約束以及電磁分量對(duì)電場分量的物理約束作為球坐標(biāo)系物理規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，在構(gòu)建地面阻抗邊界條件中，獲取地面邊界處的電場切向分量以及磁場切向分量，其中，電場切向分量包括極角電場分量以及方位角電場分量，磁場切向分量包括極角磁場分量以及方位角磁場分量，且預(yù)設(shè)的阻抗關(guān)系的公式表示為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，在構(gòu)建電離層阻抗邊界條件中，基于電離層參數(shù)計(jì)算2×2的復(fù)阻抗矩陣，基于所述復(fù)阻抗矩陣定義電離層阻抗邊界條件，所述電離層阻抗邊界條件的公式表示為：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，所述損失函數(shù)包括數(shù)據(jù)損失、控制方程損失以及邊界損失，其中，以物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測三維電磁場與對(duì)應(yīng)標(biāo)簽之間的差異作為數(shù)據(jù)損失；將物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測三維電磁場代入球坐標(biāo)系物理規(guī)律得到控制方程損失；將物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測三維電磁場代入地面阻抗邊界條件以及電離層阻抗邊界條件得到邊界損失。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法，其特征在于，將物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)測三維電磁場代入球坐標(biāo)系物理規(guī)律，通過二階中心有限差分法離散空間偏導(dǎo)數(shù)，計(jì)算球坐標(biāo)系麥克斯韋方程組展開的六個(gè)微分方程的殘差，以所有方程殘差的l2范數(shù)平方和構(gòu)建得到控制方程損失。
9.一種電子裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器，其特征在于，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器被設(shè)置為運(yùn)行所述計(jì)算機(jī)程序以執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法。
10.一種可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-8任一所述的一種基于u-net架構(gòu)與球坐標(biāo)系物理規(guī)律的地球-電離層波導(dǎo)三維電磁場預(yù)測方法。