基于U-Net架构与球坐标系物理规律的地球-电离层波导三维电磁场预测方法及应用
浙江大学 ｜ 预审快审绿色通道 ｜ 杭州汇和信专利代理
一案件基本信息
| 申请日 | 2026年05月13日 |
| 审批周期 | 37 天（预审快审绿色通道） |
| 代理机构 | 杭州汇和信专利代理有限公司 |
| 审批时间轴 | 节点事件 |
|---|---|
| 2026.05.13 | 提交专利申请（受理通知） |
| 2026.06.11 | 实质审查检索报告 |
| 2026.06.19 | 授予发明专利权通知 |
二核心技术关键词
三技术图示
四专利五大创新点
01U-Net 物理信息神经网络端到端建模
采用 3 级残差卷积下采样编码器 + 膨胀卷积瓶颈层 + 3 级上采样解码器的 U-Net 架构，通过跳跃连接融合多尺度特征，实现电离层参数二维分布图到三维电磁场（六分量幅度+相位）的高维全局耦合映射，推理耗时压缩至毫秒级。
02球坐标系物理规律深度约束
将球坐标系下展开的麦克斯韦方程组（六个耦合微分方程）作为物理规律约束嵌入网络训练，完美适配地球-电离层波导的全球球面几何结构，从根本上保证预测结果的物理一致性。
03地面阻抗边界条件刻画有耗媒质特性
引入地面阻抗边界条件，精准刻画地面有耗媒质对 VLF 波的反射与吸收特性，强制地面边界处电场/磁场切向分量满足预设阻抗关系，保证模型在地面边界处的预测精度。
04电离层各向异性阻抗边界条件
基于传输矩阵法（TMM）构建 2×2 复阻抗矩阵，准确表征电离层磁化等离子体在地磁场作用下的各向异性反射特性，实现电离层物理参数与网络训练的深度耦合，适配地磁暴等复杂场景。
05三重损失函数 + 多尺度扰动增强
数据损失（幅度+相位分离加权）+ 控制方程损失（二阶中心有限差分）+ 边界损失（地面+电离层）三重约束；叠加千米至千千米级多尺度扰动与 Blob 扰动数据增强，显著提升模型对极端电离层环境的泛化能力。
五专利应用与产学研合作
地球-电离层波导内的 VLF 电磁波传播特性预测，是全球长波通信系统设计、电离层遥感与空间天气监测、全球闪电定位、核爆电磁效应监测等重大工程与科研领域的核心基础。当前主流数值方法单次全球三维仿真耗时可达小时级，本专利方案将推理耗时压缩至毫秒级，为实时化、大规模、复杂动态场景应用打开了新路径。
| 应用领域 | 核心需求 | 本专利切入点 |
|---|---|---|
| 长波通信装备 | 全球传播链路毫秒级实时评估 | 端到端三维场快速预测 |
| 空间天气监测 | 地磁暴等极端场景快速响应 | 物理约束+扰动增强泛化 |
| 电磁遥感与监测 | 全球闪电/核爆效应定位 | 全三维幅相一体化预测 |
本专利技术框架已具备较好的理论完整性，从算法原型走向工程工具仍需真实观测数据与业务场景验证，产学研合作是技术落地的合理路径——诚邀通信、遥感、空间天气领域企业与科研机构携手推进成果转化。
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