电磁计算是研究复杂目标电磁特性的主要方法。正演作为电磁计算问题研究过程的基础,其计算结果直接影响反演、成像的效果。因此,开展电磁正演模拟研究具有十分重要的意义。针对时域有限差分算法对精细结构的数值计算效率低的问题,提出一种改进的Crank-Nicolson时域有限差分算法。通过研究FDTD算法与Crank-Nicolson理论,使用中心差分和前后项替换计算的原理,推导全空间三维电磁时域有限差分算法。基于Crank-Nicolson差分格式的离散思想,对Maxwell旋度方程组的差分形式进行空间位置的拆分,设置所有物理量均与Z坐标无关,即Z方向的一阶偏导数为零,结合二维TM波、TE波的时域有限差分算法公式,推导出具有二阶精度的Crank-Nicolson时域有限差分方程,从而可以减少一个维度的数据计算量,大幅提高正演模拟的计算效率。构建井下含水断层、积水采空区富水区三维空间模型,对比FDTD算法、CN-FDTD算法以及改进的CN-FDTD算法的计算效率;基于改进的CN-FDTD算法,研究激励源函数及其工作频率对电磁正演模拟结果的影响,验证改进后算法的计算精度,并分析电场强度的空间分布规律和响应特征。改进的CN-FDTD算法较CN-FDTD算法的计算效率提高了 21.9%,内存占比降低了24.4%,较传统的时域有限差分算法的计算效率提高了 74.7%,内存占比降低了 32.6%,有效提高了正演模拟过程的计算效率。正演模拟所显示的富水区目标体和接收位置的距离,与模型相比,平均误差为0.69%,最大误差为0.78%,正演模拟结果和模型的吻合度较高。仿真结果表明,改进的CN-FDTD算法可应用于井下全空间三维电磁分量的分布规律和响应特征的研究,在求解精细结构的多尺度电磁问题时可有效提高计算效率,对后续的电磁反演、多维成像等研究均具有重大意义。