優(yōu)秀青年科技人才計劃項目總結報告

1、第四章：介質含水率與雷達信號關系的物理模型實驗研究優(yōu)秀青年科科技人才才計劃項項目總結結報告 項目名稱：介質含水率率與探地地雷達信信號關系系研究委托單位：國土資源部部科技與與國際合合作司承擔單位：中國地質科科學院物物化探研研究所受資助人：方 慧起止時間：2005年年10月20008年11月國土資源部部二九年年十一月二十日目 錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc248510098 一、研究領領域及資資助研究究項目概概況 PAGEREF _Toc248510098 h 1 HYPERLINK l _Toc248510099 1、研究領領域 PAGEREF _Toc248

2、510099 h 1 HYPERLINK l _Toc248510100 2、資助研研究項目目概況 PAGEREF _Toc248510100 h 1 HYPERLINK l _Toc248510101 二、 研究究領域國國內外發(fā)發(fā)展趨勢勢和前沿沿 PAGEREF _Toc248510101 h 2 HYPERLINK l _Toc248510102 1、探地雷雷達技術術應用現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc248510102 h 2 HYPERLINK l _Toc248510103 2、測量物物質含水水率的主主要方法法及存在在問題 PAGEREF _Toc248510103 h 3 HYPE

3、RLINK l _Toc248510104 3、探地雷雷達探測測物質含含水率研研究領域域現(xiàn)狀及及發(fā)展趨趨勢 PAGEREF _Toc248510104 h 4 HYPERLINK l _Toc248510105 三、研究工工作總結結 PAGEREF _Toc248510105 h 7 HYPERLINK l _Toc248510106 1、研究項項目實施施情況 PAGEREF _Toc248510106 h 7 HYPERLINK l _Toc248510107 2、研究工工作取得得的主要要成果和和創(chuàng)新點點 PAGEREF _Toc248510107 h 8 HYPERLINK l _Toc2

4、48510108 四、經費使使用情況況 PAGEREF _Toc248510108 h 34 HYPERLINK l _Toc248510109 五、所在單單位審核核意見 PAGEREF _Toc248510109 h 34 HYPERLINK l _Toc248510110 1、單位對對受資助助者給予予的支持持 PAGEREF _Toc248510110 h 34 HYPERLINK l _Toc248510111 2、單位學學術委員員會對受受資助者者研究成成果的評評價 PAGEREF _Toc248510111 h 35 HYPERLINK l _Toc248510112 3、對受資資助者

5、資資助期間間總體工工作情況況的評價價 PAGEREF _Toc248510112 h 36 HYPERLINK l _Toc248510113 主要參考文文獻 PAGEREF _Toc248510113 h 37主要參考文獻一、研究領領域及資資助研究究項目概概況 1、研究領領域 = 1 * GB2 專業(yè)領領域：勘勘探地球球物理 = 2 * GB2 主要研研究方向向：探地地雷達在在土壤、建建筑材料料含水率率監(jiān)測領領域的應應用技術術研究2、資助研研究項目目概況 = 1 * GB2 項目名名稱：介介質含水水率與探探地雷達達信號關關系研究究 = 2 * GB2 起止時時間：220055年122月200

6、08年111月 = 3 * GB2 目標任任務：應應用數(shù)值值模擬技技術和物物理實驗驗技術開開展介質質含水率率與探地地雷達信信號關系系研究，建建立探地地雷達測測量信號號與介質質含水率率之間準準確合理理的數(shù)學學關系模模型，推推動探地地雷達方方法技術術進步。 = 4 * GB2 主要研研究內容容：探地地雷達三三維正演演技術研研究；介介質含水水率與探探地雷達達信號關關系物理理實驗研研究；介介質含水水率與探探地雷達達信號關關系數(shù)值值模擬研研究。 = 5 * GB2 工作成成果：兩兩年來，針針對上述述研究內內容開展展了較系系統(tǒng)的研究工工作，基基本實現(xiàn)現(xiàn)了設計計的任務務目標，取取得如下下主要成成果和認認識。

7、 = 1 * GB3 利用時時間域有有限差分分方法實實現(xiàn)了探探地雷達達三維正正演計算算，編制制三維正正演軟件件。解決決了目前前探地雷雷達常見見軟件無無法模擬擬介質孔孔隙度及及含水率率變化的的問題，為為應用數(shù)數(shù)值模擬擬技術開開展介質質含水率率與探地地雷達信信號關系系問題研研究提供供了有力力工具。 = 2 * GB3 首次應應用數(shù)值值模擬方方法研究究了在介質孔孔隙度及及含水率率發(fā)生變變化時，對對雷達信信號傳播播特征的的影響規(guī)規(guī)律。并并與物理理模型實實驗結果果進行了了對比分分析，證證明了數(shù)數(shù)值模擬擬方法的的有效性性。 = 3 * GB3 根據(jù)數(shù)數(shù)值模擬擬結果，分分析了當當介質的的孔隙度度或含水水率發(fā)

8、生生改變時時，介質質的等效效介電常常數(shù)及雷雷達波幅幅值、傳傳播速度度等參數(shù)數(shù)隨孔隙隙度及含含水率的的變化規(guī)規(guī)律，并并對這些些參數(shù)相相對介質質孔隙度度或含水水率變化化的靈敏敏程度進進行了對對比分析析。 = 4 * GB3 在介質質含水率率數(shù)值模模擬中，不不僅考慮慮了介質質電導率率的影響響，也考考慮了高高頻電磁磁場條件件下，由由于極化化滯后效效應造成成的介電電損耗，并并利用物物理模型型實驗結結果與數(shù)數(shù)值模擬擬結果的的對比分分析，證證明了這這種思路路的合理理性。 = 5 * GB3 通過物物理模型型實驗，分分析了石石英砂、瀝瀝青等材料的的等效介介電常數(shù)數(shù)、雷達波波頻譜及及傳播速速度等參參數(shù)隨介介質含

9、水水率的變變化規(guī)律律。在此此基礎上上，提出出了介質質含水率率與等效效介電常常數(shù)之間間的數(shù)學學關系式式。這些些數(shù)學關關系模型型，經進進一步實實驗驗證證后，可可作為探探地雷達達檢測公公路材料料含水性性的基礎礎。二、 研究究領域國國內外發(fā)發(fā)展趨勢勢和前沿沿1、探地雷雷達技術術應用現(xiàn)現(xiàn)狀探地雷達是是一種高高頻電磁磁法。與與探空雷雷達相似似，探地地雷達利利用發(fā)射射天線以以寬頻短短脈沖形形式向地地下發(fā)射射高頻電電磁波，電電磁波在在介質電電磁性質質不同的的界面處處會產生生反射，并并被接收收天線所所接收，通通過分析析電磁波波在時間間、空間間的傳播播特性實實現(xiàn)探測測地下目目標體的的空間位位置、規(guī)規(guī)模和物物理性質

10、質等目的的。探地地雷達技技術具有有分辨率率高、無無損、高高效等特特點。探地雷達技技術的應應用最早早可追溯溯到上世世紀初。早早在19910年年，德國國的G. Leeimbbackk和Lwycc曾以專專利形式式闡明了了這一現(xiàn)現(xiàn)象。第第一次正正式應用用是在119299年用以以確定冰冰河的深深度（SSterrn, 19229, 19330），之后后這種技技術幾乎乎消失。直直到19950年年因有飛飛機失事事掉進格格陵蘭島島的冰縫縫中，才才再次采采用探地地雷達技技術。受受儀器性性能和理理論研究究等因素素的限制制，探地地雷達初初期的應應用僅限限于波吸吸收很弱弱的冰層層、鹽巖巖礦等介介質中(Coook, 19

11、664; Barrrinngerr, 119655; LLunddienn, 119666)。隨隨著儀器器信噪比比的大大大提高和和數(shù)據(jù)處處理技術術的進步步，七十十年代以以后，探探地雷達達的實際際應用范范圍迅速速擴大。119722年更被被阿波羅羅號宇宙宙飛船帶帶上了月月球(SSimmmonss ett all., 19772)。目前前，探地地雷達已已廣泛應應用于工工程勘察察、考古古、環(huán)境境、軍事事等領域域。在儀儀器制造造方面，國國際幾大大著名廠廠商相繼繼推出適適于不同同應用的的多種儀儀器系統(tǒng)統(tǒng)。在理理論研究究方面，主主要集中中在信號號處理和和正反演演研究等等方面(Olhhoefft, 20000

12、)。每每兩年召召開一次次的國際際探地雷雷達會議議基本反反映出探探地雷達達技術的的研究及及應用現(xiàn)現(xiàn)狀。我國探地雷雷達研究究始于七七十年代代初期，原原地質礦礦產部物物探研究究所、煤煤炭部煤煤炭科學學院等科科研單位位開展過過探地雷雷達儀器器研制和和野外實實驗工作作。目前前，我國國已有幾幾百家單位擁擁有探地地雷達設設備和有有關技術術人員，行行業(yè)覆蓋蓋地質、冶冶金、煤煤炭、水水利、交交通、建建筑、考考古、環(huán)環(huán)境及軍軍事等。主主要使用用進口儀儀器，也也有少量量國產儀儀器在銷售和和使用。在在研究方方面主要要是針對對信號處處理技術術，少數(shù)數(shù)大學等等科研機機構開展展了正反反演方法法研究。2、測量物物質含水水率的

13、主主要方法法及存在在問題實際生活中中，常常常需要研研究或了了解天然然物質和和人工材材料的孔孔隙度和和含水率率等參數(shù)數(shù)隨空間間或時間間的變化化，如了了解土壤壤、巖石石的孔隙隙度及含含水率的的大小在在地質災災害預防防，海侵侵程度監(jiān)監(jiān)測，凍凍土層調調查，賦賦水層位位的確定定，公路路、機場場跑道危危險隱患患調查，建建筑地基基狀況的的評估及及種植業(yè)業(yè)管理等等方面都都是十分分重要的的指標。了了解建筑筑材料孔孔隙度及及含水率率情況同同樣是評評價材料料質量的的重要指指標之一一。如瀝瀝青是一一種廣泛泛用于鋪鋪設公路路路面的的材料，影影響瀝青青公路質質量的一一個重要要指標是是瀝青材材料的孔孔隙度大大小。其其原因是

14、是由于孔孔隙中可可能充滿滿空氣、水水、冰或或者它們們的混合合物，它它們的存存在會嚴嚴重影響響瀝青材材料的整整體物理理性質，進進而造成成材料質質量發(fā)生生變化。目前，檢測物質含水量的常見方法主要有烘干法、電阻法、中子儀法、射線(透射) 法、時域反射儀法( TDR) 法等。這些方法原理不同、各具特色，有些方法簡便、經濟，有些方法測量精度很高。但這些方法普遍存在如下缺點：一是只能采用定點測量方式，無法實現(xiàn)空間上的連續(xù)測量，若開展大面積測量，成本較高；二是測量結果受采集樣品或測量探頭附近物質的含水狀態(tài)影響較大，其測量結果有時不能準確代表物質整體含水情況；三是有些方法要求測量探頭埋設在測量物質中，因此只能

15、適用于土壤等非固結物質，無法對瀝青、混凝土等建筑材料的含水情況進行檢測；四是需要采樣測試的方法會對檢測物質造成一定程度的破壞。因此，研究精確、高效、無損的探測技術正在成為上述領域的需要。3、探地雷雷達探測測物質含含水率研研究領域域現(xiàn)狀及及發(fā)展趨趨勢目前，探地地雷達的的應用還還主要集集中在探探測目標標體的空空間位置置、幾何何形態(tài)等等方面。在在資料處處理和解解釋中通通常假設設目標體體及其周圍圍介質是是均勻的的，然而事事實上，大大自然中中常見物物質，如土壤壤、巖石石及人工工合成建建筑材料料等，都都是由多多種成分分組成的的，因此此這些物物質的電電磁性質質既取決決于物質質組成成成分的物物理性質質，也受受

16、物質的的結構及及其孔隙隙度、含含水率、溫溫度等多多種因素素的影響響。在多多數(shù)情況況下，這這些因素素在一定定尺度范范圍內并并非處處處相同，因因此天然然物質存存在著不不均勻性性，雷達達波在其其中的傳傳播特性性會因此此發(fā)生一一定程度度的改變變。特別別是，由于水水具有較較高的介介容率，又又是有極極分子，不不僅會改改變物質質的電導導率，更更會改變變物質整整體介電電常數(shù)。因此，物物質的含含水狀況況對雷達達波的傳傳播速度度和能量量損耗都都會產生生很大影影響，使使雷達波波在介質質中的傳傳播特性性對介質質含水率率的變化化十分敏敏感，因因此應用用探地雷雷達技術術探測物物質含水水情況具具有良好好的地球球物理前前提，

17、可可以應用用探地雷雷達技術術探測介介質含水水率的變變化情況況。重要要的是，相對上述幾種檢測物質含水率的常見方法，應用探地雷達技術測量介質含水率變化情況具有如下主要優(yōu)點： = 1 * GB3 與測量量介質非非接觸。因因此既可可以應用用于土壤壤等非固固結狀物物質，也也可以應應用于巖巖石、瀝瀝青、混混凝土等等固結狀狀物質，且且不會對對介質造造成任何何破壞，是是真正的的無損檢檢測； = 2 * GB3 現(xiàn)代雷雷達提供供了高密密度采樣樣測量方方式，因因此可以以對測量量介質實實現(xiàn)空間間或時間間上連續(xù)續(xù)測量，相相對傳統(tǒng)統(tǒng)的定點點測量方方式，更更能準確確地對介介質整體體含水狀狀況進行行評估。 = 3 * GB

18、33 探地地雷達不不僅具有有較高的的橫向分分辨能力力，也具具有較高高的縱向向分辨能能力和一一定的勘勘探深度度，因此此可以同同時對地地下不同同物質層層（如路路基不同同基層）同同時進行行檢測，且且可以同同時對不不同層位位的含水水情況分分別進行行評估； = 4 * GB3 測量效效率高。如如采用車車載雷達達，可以以50公公里/小小時的速速度進行行測量，因因此更適適合開展展大范圍圍的監(jiān)測測。正是因為探探地雷達達技術具具有上述述優(yōu)勢，應應用探地地雷達檢檢測介質質含水率率成為近近年來探探地雷達達技術新新的研究究方向。然而，介介質含水水率的變變化與雷雷達波的的傳播特特性之間間的關系系十分復復雜，需需要通過過

19、開展理理論和實實驗研究究建立起起兩者之之間的定定量關系系，才能能使探地地雷達技技術真正正應用于于探測物物質含水水率這一一領域。在這一方方面已有有一些學學者開展展了相關關研究。圖2.1水的介電常數(shù)隨頻率變化曲線Hasteed （19973）通通過實驗驗獲得了了25條件下下水的介介電常數(shù)數(shù)隨電磁磁波頻率率變化情情況（圖圖2.11），可見見在高頻頻電磁場場作用下下水的極極化特性性表現(xiàn)出出較強的的頻散特特征。圖2.1水的介電常數(shù)隨頻率變化曲線Topp（119800）通過過實驗給給出的土土壤介電電常數(shù)與與土壤含含水率之之間的近近似關系系式：（2.1）實踐證明上上述實驗驗公式可可以在不不同類型型、成分分的

20、土壤壤條件下下取得較較高的精精度（00.0222m3m-3，JJacoobseen和 Scchjoonniing，19994）。更多的學者者（如DDobsson 19885，Rotth 119900，F(xiàn)riiedmman 19998，Jonnes和和Friiedmman 20000）則則是建立立土壤不不同組成成成分的的介電常常數(shù)和含含量多少少（包括括含水率率的多少少）與土土壤整體體介電常常數(shù)之間間的關系系模型。在在這些模模型中，土土壤整體體介電常常數(shù)與土土壤顆粒粒、土壤壤中含水水率以及及土壤中中的空氣氣含量之之間的關關系可以以用如下下CRIIM （Commpleex RRefrracttion

21、n Inndexx Moodell）模型來來描述 （2.2）其中，為土土壤整體體介電常常數(shù)，為為土壤含含水率，n為土壤的孔隙度，、及分別為土壤顆粒、水及空氣的介電常數(shù)。系數(shù)與電場方向和土壤構造的相對關系有關。上述表明前前人的研研究主要要集中在在土壤含含水率與與土壤整整體介電電常數(shù)之之間的關關系，這這些關系系式在測測量土壤壤含水率率方面取取得較好好效果，但但不能直直接用于于描述其其它介質質的含水水率與介介質介電電常數(shù)之之間的關關系。在其它介質質研究方方面，SS. LLaurrenss 等研研究了混混凝土材材料中含含水率變變化與雷雷達信號號之間的的關系，討論了了雷達信信號的速速度、介介電常數(shù)數(shù)、幅

22、值值及相位位與含水水率之間間的關系系。Laanboo Liiu等研研究了瀝瀝青材料料中孔隙隙度、含含水率與與整體介介電常數(shù)數(shù)之間的的關系，研研究表明明：在干干燥條件件下，介介質孔隙隙度的變變化對整整體介電電常數(shù)影影響不大大；隨著著含水率率的增加加介質整整體介電電常數(shù)明明顯增大大。但研研究尚不不夠深入入。在應用方面面，美國國在應用用探地雷雷達技術術監(jiān)測葡葡萄園土土壤水分分狀況方方面取得得了很好好的應用用效果；一些國國家在應應用探地地雷達技技術監(jiān)測測高速公公路路基基含水情情況方面面也開展展了實驗驗和實際際應用工工作。從國內刊物物發(fā)表的的文章看看，國內內只有少數(shù)數(shù)科技人人員開展展了部分分研究工工作，

23、如如楊厚榮榮等開發(fā)發(fā)了WPPRT - 11 型原原油持(含) 水率雷雷達測井井儀，巧巧妙地利利用了雷雷達探測測技術, 可將將原油持持水率的的測量范范圍擴大大到01000% ,測量精精度達11% ,有效地地解決了了油田高高含水率率生產的的測量問問題。在其它方面面，如能能否應用用數(shù)值模模擬技術術研究介介質含水水率變化化與雷達達信號之之間的關關系，以以及其它它因素如如環(huán)境溫溫度、介介質孔隙隙的大小小等因素素對測量量結果的的影響等等方面的的研究工工作開展展得還很很少。研究介質含含水率與與探地雷雷達信號號之間的的關系可可以利用用數(shù)值模模擬和物物理模擬擬兩種方方法。數(shù)數(shù)值模擬擬方法方方便、靈靈活，但由于數(shù)

24、數(shù)值模擬擬過程中中進行了了一定程程度的近近似處理理，因此此數(shù)值模模擬結果果與物理理模擬結結果會有有一定差差別，可可以用于于研究一一般性規(guī)規(guī)律。物物理模擬擬更能準確地地反映特特定環(huán)境境下物質質含水率率變化對對雷達波波的影響響規(guī)律，對對探地雷雷達資料料精確解解釋是必必不可少少的，因因此后者者應用較較為普遍遍。雖然然，探地地雷達數(shù)數(shù)值模擬擬技術最最近十年年得到了較大發(fā)發(fā)展，國國際上一一些大學學如荷蘭蘭Dellft理理工大學學、美國國俄亥俄俄州立大大學、科科羅拉多多礦業(yè)學學院及一一些商業(yè)業(yè)公司開開展了大大量研究究工作，已已有商業(yè)業(yè)或免費費二、三三維正演演軟件出出現(xiàn)。國國內中國國礦業(yè)大大學等科科研機構構

25、也有學學者開展展了數(shù)值值模擬技技術研究究。但是是，在數(shù)數(shù)值模擬擬研究領領域，除除算法研研究外，應應用研究究主要集集中在研研究均勻勻介質中中局部不不均勻體體的響應應，雷達達天線極極化特性性，介質質頻散特特性等方方面。由由于這些些研究中中都假設設介質是是均勻的的，因此此目前大大多數(shù)軟軟件不能能用于模模擬介質質不均勻勻變化，也也就難以以直接用用來模擬擬介質含含水情況況。也很很少見到到利用數(shù)數(shù)值模擬擬技術研研究介質質含水率率變化對對雷達波波的傳播播特性影影響規(guī)律律等方面面的報道道?？傊?，應用用探地雷雷達技術術可以對對大規(guī)模模的測量量介質無無損、高高效、低低成本地地實現(xiàn)橫橫向與縱縱向空間間連續(xù)觀觀測，是

26、是近年來來探地雷雷達技術術研究的的新方向向。但是，在建立立探地雷雷達信號號與介質質含水率率之間的的定量關關系方面面工作開開展得還還很不夠夠，需要要開展更更系統(tǒng)的的物理實實驗；在在數(shù)值模模擬方面面還需要要研制開開發(fā)更適適合的計計算軟件件。三、研究工工作總結結1、研究項項目實施施情況根據(jù)合同要要求，按按計劃全全面開展展了研究究工作，主要包括探地雷達三維正演技術研究；介質含水率與探地雷達信號關系物理實驗研究；介質含水率與探地雷達信號關系數(shù)值模擬研究等研究內容，全面完成了合同規(guī)定的研究任務。完成的主要工作量包括： = 1 * GB3 研制一一套探地地雷達三三維正演演軟件； = 2 * GB3 完成了了

27、石英、瀝瀝青砂等等不同材料料的探地地雷達檢檢測含水水率的物理理模型試試驗； = 3 * GB3 完成了了部分理理論模型型的數(shù)值值模擬研研究； = 4 * GB3 完成了了物理實實驗和數(shù)數(shù)值計算算數(shù)據(jù)的的整理和和分析； = 5 * GB3 初步建建立了適適于瀝青青、石英英砂等材材料的含含水率-介電常常數(shù)數(shù)學學關系式式。2、研究工工作取得得的主要要成果和和創(chuàng)新點點 （1）受資資助期間間取得的的主要研研究成果果成果一 利利用時間間域有限限差分法法實現(xiàn)了了探地雷雷達三維維正演計計算，研研制了一套探探地雷達達三維正正演軟件件，解決決了目前前探地雷雷達常見見軟件無無法模擬擬介質孔孔隙度、含水率變化的問題，

28、為應用數(shù)值模擬方法開展介質含水率問題研究提供了有力工具。自然條件下下，水賦賦存于介介質內部部的孔隙隙中，而而且在非飽和和狀態(tài)下下，一部部分孔隙隙含水，另另一部分分孔隙則則充填為為空氣。因因此，開開展介質質含水率率數(shù)值模模擬時，要要求正演演程序要要能實現(xiàn)現(xiàn)均勻介介質中隨隨機分布布有不同同比例的的自由水水或空氣氣等“雜質”，而目前前常見的的正演軟軟件均假假設介質質是均勻勻的，無無法模擬擬介質含含水狀態(tài)態(tài)，要應應用數(shù)值值模擬技技術研究究介質含含水率與與探地雷雷達信號號關系，首首先要研研制一套套合適的的探地雷雷達三維維正演軟軟件。1.1 基基本理論論實驗表明，所所有的電電磁現(xiàn)象象都服從從麥克斯斯韋方程

29、程，在時時間域中中，麥克克斯韋方方程有如如下形式式： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)在導電介質質中，對對于單色色電磁波波，利用用，的關系系及場矢矢量、，很容容易推導導出頻率率域波動動方程的的解為 (3.5)其中k和ss與介質質物性參參數(shù)和電電磁波頻頻率有關關。值得得指出的的是，水水分子在在交變電電場情況況下容易易被極化化，偶極極距隨交交變電場場不斷改改變方向向。受分分子的慣慣性影響響，偶極極子的取取向需要要一定時時間（馳馳豫時間間），出出現(xiàn)極化化滯后現(xiàn)現(xiàn)象，即即電場和和感應偶偶極矩之之間出現(xiàn)現(xiàn)了相位位差，這這時水的的介電常常數(shù)實際際為復數(shù)數(shù)，即：，此時時，3.5式式中k和和s分

30、別別為： (3.6)因子S決定定振幅隨隨傳播距距離的減減速度，故故稱S為為衰減系系數(shù)。電電磁波在在介質中中的傳播播速度vv由因子子K決定定 (3.7)可以看出，介介電常數(shù)數(shù)的實部部為介質質的固有有極化，虛虛部為介介電損耗耗，并與與導電率率合并成成為介質質的有效效導電率率。實驗驗表明介介電常數(shù)數(shù)的實部部和虛部部還隨頻頻率變化化，變化化規(guī)律可可以用DDebyye公式式來描述述（Deebyee，19929） (3.8)其中，、為為直流和和極高頻頻狀態(tài)下下介質的的介電常常數(shù)，為為弛豫頻頻率。對對于255條件下下的自然然水，其其Debbye參參數(shù)為s=880.11，=44.2，freel=117.11G

31、Hzz （Haasteed,119733）。根根據(jù)Deebyee模型可可以計算算出當雷雷達波頻頻率為11GHzz時，由由于水分分子的遲遲豫作用用產生的的附加電電導率約約為0.2655s/mm，這與與自然狀狀態(tài)下常常見物質質的電導導率在同同一量級級或更高高一些，因因此在介介質含水水率模型型正演計計算中，必必須考慮慮水分子子所產生生的附加加電導率率的影響響。1.2 數(shù)數(shù)值模擬擬的實現(xiàn)現(xiàn)探地雷達三三維正演演計算最最常采用用的方法法是時間間域有限限差分法法。時間間域有限限差分法法最早由由Yeee于19966年年提出，是是一種對對麥克斯斯韋方程程進行離離散化的的簡單實實用技術術。Yeee巧妙妙地在剖剖分

32、單元元內使電電場分量量與磁場場分量在在時間和和空間上上相互分分離，利利用中心心差商代代替微商商把連續(xù)續(xù)變量離離散化，使使含時間間變量的的麥克斯斯韋旋度度方程離離散以后后構成顯顯式差分分方程，從從而可以以在時間間上迭代代求解，而而不需要要進行矩矩陣求逆逆運算。由由給定相相應電磁磁問題的的初始值值，應用用時間域域有限差差分法就就可以逐逐步推進進地求得得以后各各個時刻刻空間電電磁場的的分布。具體計算流流程如下下：設計正演模型：設計正演模型：計算空間尺度；剖分單元尺度；各剖分單元電/磁性參數(shù)賦值。設計時間步長設計時間步長設定發(fā)射天線位置、長度及極化方向設定發(fā)射天線位置、長度及極化方向設定發(fā)射脈沖信號為

33、計算空間各單元電場分量賦初始值為計算空間各單元電場分量賦初始值根據(jù)各單元電場值計算各單元磁場值根據(jù)各單元電場值計算各單元磁場值根據(jù)各單元磁場值計算各單元下一時間步長的電場值根據(jù)各單元磁場值計算各單元下一時間步長的電場值應用吸收邊界條件計算邊界上的電場值應用吸收邊界條件計算邊界上的電場值根據(jù)發(fā)射脈沖信號設置下一時間步長發(fā)射天線的電場值根據(jù)發(fā)射脈沖信號設置下一時間步長發(fā)射天線的電場值是是是否完成設計時間步長？否是否完成設計時間步長？否輸出數(shù)據(jù)文件輸出數(shù)據(jù)文件結束結束1.3 數(shù)數(shù)值計算算結果檢檢驗根據(jù)電磁場場理論可可以推導導出球坐坐標系下下描述自自由空間間中電偶偶極子輻輻射場時時空分布布的解析析公式

34、如如下: (3.9)式中p(tt)為偶偶極子的的電偶極極矩，cc為光速速。為方便求解解，發(fā)射射信號選選為高斯斯脈沖，其其函數(shù)的的時域形形式為： (3.110)其中為常常數(shù)，決決定了高高斯脈沖沖的寬度度，脈沖沖峰值出出現(xiàn)在時時刻，如如圖3.1所所示，實實際計算算中=2nss。圖3.2、33.3分別為為電偶極極子下方方10和25厘厘米處平平行偶極極子方向向電場的的解析解解和時間間域有限限差分法法三維正正演對比比結果。圖3.1高斯脈沖信號對比結果顯顯示，在在電偶極極子下方方10厘米米處，解解析解和和數(shù)值解解十分接接近；225厘米米處的結結果顯示示在信號號晚時兩兩者存在在少許差差別，其其原因可可能是邊

35、邊界效應應引起的的。數(shù)值值解與解解析解的的一致性性證明研研制的正正演軟件圖3.1高斯脈沖信號解析解解析解幅值(v/m)時間（幅值(v/m)時間（ns）解析解數(shù)值解時間（ns時間（ns）幅值(v/m)數(shù)值解圖3圖3.3 天線下方25厘米處數(shù)值解和解析解計算結果圖3.2 天線下方10厘米處數(shù)值解和解析解計算結果成果二 首首次應用用數(shù)值模模擬方法法進行了了介質孔孔隙度及及含水率率變化對對雷達信信號傳播播特征影影響規(guī)律律的研究究。在介介質含水水率數(shù)值值模擬中中，不僅僅考慮了了介質電電導率的的影響，也也考慮了了高頻電電磁場條條件下，由由于極化化滯后效效應造成成的介電電損耗，并并利用物物理模型型實驗結結果

36、與數(shù)數(shù)值模擬擬結果的的對比分分析，證證明了這這種思路路的合理理性。研研究結果果表明應應用數(shù)值值模擬方方法研究究介質孔孔隙度及及含水率率的變化化對探地地雷達信信號傳播播特性的影影響規(guī)律律是可行行的。2.1介質質孔隙度度變化與與雷達信信號傳播播特性關關系2.1.11數(shù)值模模擬模型型設計： 數(shù)值模擬模模型由相相對介電電常數(shù)（r）、電導率（/sm-）橫向均勻的三層介質組成，其中第一層介質為空氣；模型及其坐標系統(tǒng)見圖3.4，即：各層介質物性參數(shù)：r11.0、10.0s/m，r25.4、20.0s/m、r315.0、3；模型整體尺尺寸：00.5000.5500.550m，第第一界面面位于XXOY平平面上0

37、0.255m，第第二界面面在0.45m處；雷達波場源源為電偶偶極子天天線，位位于第一一界面中中心上方方0.001m處處；電偶偶極子極極化方向向平行XX軸，主主頻1GGHz；剖分單元尺尺寸：00.00050.00050.0005mm。圖3.4 模型示意圖模型參數(shù)：第一層：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm第二層：r25.4，2=0.0(s/m)，厚度h2=20cm第三層：r315.0，3空氣天線為研究介質質孔隙度度變化對對雷達信信號傳播播的影響響： 在第第二層介介質中加加入隨機機分布，相相對介電電常數(shù)rr1.0、電電導率 =0.0s/m的異異常單元元，借以圖3.4 模型示意圖模

38、型參數(shù)：第一層：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm第二層：r25.4，2=0.0(s/m)，厚度h2=20cm第三層：r315.0，3空氣天線2.1.22 模型正正演結果果分析介質的孔隙隙可看作作均勻介介質中加加入具有有另一種種介電常常數(shù)的“雜質”。雷達達波的傳傳播特性性會隨著著“雜質”含量的的多少發(fā)發(fā)生改變變。圖3.5為為介質孔孔隙度分分別為22%、4%、10%時，通過過天線中中心，平平行電偶偶極子極極化方向向剖面上上t=22.0nns時刻刻電場分分量Exx空間分分布狀況況，可見隨隨著孔隙隙度增大大，電場場的背景景“噪聲”明顯增增強。計算結果表表明：隨隨著介質質孔隙度度增大

39、，由于孔隙內充填的空氣使介質的等效介電常數(shù)減?。▓D3.6），雷達波傳播速度增大（圖3.7），反射信號的走時明顯減小，信號的幅值也有小幅增大（圖3.8）。雷達波傳播速度由孔隙度為零時的12.91cm/ns近似線性地增加到孔隙度為10%時的13.61cm/ns，即孔隙度每增加圖圖3.5 t=2.0ns時孔隙度不同的介質中垂直電偶極子方向電場Ex空間分布圖1： 孔隙度0%；2：孔隙度2%；3： 孔隙度4%；4： 孔隙度6%；5： 孔隙度8%；6：孔隙度10%1%，反射射波傳播播速度平平均增大大0.554%。介介質等效效介電常常數(shù)由孔孔隙度為為零時的的5.229減小小到孔隙隙度為110%時時的4.86

40、，即即孔隙度度每增加加1%，等等效介電電常數(shù)平平均減小小0.88%。不同的觀測測參數(shù)相相對介質質孔隙度度變化的的靈敏程程度也不不一樣。圖圖3.9為不同同觀測參參數(shù)的靈靈敏度曲曲線?？煽梢钥闯龀鼋橘|的的等效介介電常數(shù)數(shù)對于介介質孔隙隙度變化化最靈敏敏，反射射波速度度次之，這這是因為為介電常常數(shù)與電電磁波傳傳播速度度呈平方方反比關關系。信信號的幅幅值相對對靈敏度度較低，這這是因為為信號幅幅值的改改變主要要是因為為介質孔孔隙度的的變化改改變了介介質的等等效介電電常數(shù)，從從而改變變了介質質與相鄰鄰介質間間的反射射和折射射系數(shù)，使使電磁波波的傳播播發(fā)生改改變，但但這種改改變是有有限的。另另一方面面，介質

41、質孔隙度度的存在在又有可可能使雷雷達波產產生散射射從而降降低幅值值的信噪噪比，因因此實際際工作中中若根據(jù)據(jù)反射信信號幅值值反演介介質孔隙隙度可能能較其它它兩個參參數(shù)反演演精度低低。速度（cm/ns）孔隙度（%）孔隙度速度（cm/ns）孔隙度（%）孔隙度 (%)等效介電常數(shù)圖3.圖3.7雷達波傳播速度隨孔隙度變化曲線圖3.6介質等效介電常數(shù)隨孔隙度變化曲線反射波幅值（反射波幅值（v/m）孔隙度（%）孔隙度（%）靈敏度（dB）反射信號幅值雷達波速度等效介電常數(shù) 孔隙度（%）靈敏度（dB）反射信號幅值雷達波速度等效介電常數(shù)圖3.圖3.8反射波幅值隨孔隙度變化曲線圖3.9不同觀測參數(shù)隨孔隙度變化靈敏度

42、曲線2.2 介介質含水水率變化化與雷達達信號傳傳播特性性關系介質含水率率變化對對雷達信信號的影影響有時時被認為為是干擾擾，有時時又可被被利用。第第一章中中已經提提到由于于水的特特殊性質質，即具具有高介介電常數(shù)數(shù)和相對對較大的的附加電電導率，使使電磁波波在含水水介質中中的傳播播變得更更加復雜雜，因此此，介質質含水率率模型可可以看作作是均勻勻介質中中加入同同時具有有高介電電常數(shù)和和高電導導率“雜質”的模型型。事實實上，介介質中含含水率大大小與介介質孔隙隙度是密密切相關關的。介介質在飽飽和狀態(tài)態(tài)下，孔孔隙度越越大，介介質含水水率越高高。當介介質處于于不飽和和狀態(tài)時時，介質質中既含含有水也也含有空空氣

43、。這這里將計計算兩類類模型，模模型一中中只考慮慮介質含含水率變變化，模模型二中中同時考考慮含水水率和孔孔隙度的的變化。2.2.11數(shù)值模模擬模型型一設計計數(shù)值模型仍仍由相對對介電常常數(shù)（r）、電電導率（/sm-）橫向均勻的三層介質組成，其中第一層介質為空氣；模型及其坐標系統(tǒng)見圖3.10?？諝馓炀€空氣天線圖3.10模型示意圖模型參數(shù)：第一層：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=35cm第二層：r25.4，2=0.0(s/m)，厚度h2=10cm第三層：r315.0，3介質中存在在的自由由水可以以看作是是均勻介介質中加加入一種種同時具具有高介介電常數(shù)數(shù)和高電電導率的的“雜質”。雷達達波的傳

44、傳播特性性會隨著著“雜質”含量的的多少發(fā)發(fā)生改變變。為研研究介質質含水率率變化對對雷達信信號傳播播的影響響，在第第二層均均勻介質質中加入入一定體體積百分分比，呈呈隨機分分布的高高介電常常數(shù)、高高電導率率的異常常單元。異異常單元元： = 1 * GBB3 所占模模型中剖剖分單元元的體積積百分比比分別為為：2，4，100； = 2 * GB3 由于水水為有極極分子，在在高頻電電磁場作作用下，水水分子的的馳豫作作用會產產生附加加電導率率；因此此在數(shù)值值模擬計計算時，必必須考慮慮其附加加電導率率對雷達達波的影影響。依依據(jù)第一一章提到到的Deebey模模型，在在天線（雷雷達波場場源）主主頻為11GHzz

45、的條件件下，異異常單元元的物性性參數(shù)取?。合鄬殡姵３?shù)r800.1；水自身電導導率為0.11/sm-1；馳豫豫作用產產生的附附加電導導率Imm()0.2655/sm-1，并假假設附加加電導率率在雷達達波主頻頻附近的的小范圍圍內不隨隨頻率而而改變。 2.2.22模型正正演結果果分析圖3.111為介質含含水率分分別為22%、4%、10%時，通過過天線中中心，分分別平行行電偶極極子極化化方向的的剖面上上t=22.0nns時刻刻電場分分量Exx空間分分布狀況況?？梢娨姡?= 1 * GB3 隨著含含水率增增大，雷雷達波場場產生越越來越強強的散射射現(xiàn)象，電電場的背背景“噪聲”明顯增增強； = 2 *

46、GB3 介質等等效介電電常數(shù)由由不含水水時的55.4，增增大到含含水率為為10%時的9.8（圖圖3.112），即含含水率每每增加11%，等等效介電電常數(shù)平平均增大大7.77%。隨著含水水率增大大，雷達達波的傳傳播速度度明顯減減小（圖圖3.113）。由不不含水時時的122.9ccm/nns近似似線性地地減小到到含水率率為100%時的的9.557cmm/nss，即含水水率每增增加1%反射波波傳播速速度平均均減小22.9%。信號號的絕對對幅值則則由不含含水時的的1144.4mv/m減小小到含水水率為110%時時的844.9mmv/mm（圖3.14），即含水率率每增加加1%，信信號絕對對幅值平平均減小

47、小1.99%，從而造造成探地地雷達的的有效勘勘探深度度也隨之之減小。總之，介質質含水率率的改變變會使雷雷達波的的空間傳傳播特性性發(fā)生強強烈改變變。作為為干擾源源，介質質含水率率的變化化，會降降低探地地雷達的的有效勘勘探深度度和對弱弱不均勻勻體的空空間分辯辯能力；對目標標層（體體）埋藏藏深度的的估計可可能出現(xiàn)現(xiàn)偏差。正因為電磁磁波對介介質含水水率變化化如此靈靈敏，所所以探地地雷達技技術更適適合用于于探測含含水率分分布不均均勻介質質情況。根根據(jù)模型型正演得得到的反反射波傳傳播速度度、幅值值及介質質的等效效介電常常數(shù)與介介質含水水率之間間的關系系式可用用來指導導探地雷雷達的資資料解釋釋。圖圖3.11

48、 t=2.0ns時含水率不同的介質中垂直電偶極子方向剖面電場Ex分量空間分布圖1：含水率0%：2：含水率2%；含水率4%；4, 含水率6%5：含水率8%；6：含水率10%圖3.155為不同同觀測參參數(shù)的靈靈敏度曲曲線?？煽梢钥闯龀鼋橘|的的等效介介電常數(shù)數(shù)對于介介質含水水率變化化最為靈靈敏；反反射波速速度與信信號幅值值的靈敏敏度相當當。此外，由于于水在高高頻電磁磁場作用用下能產產生較強強的附加加電導率率，致使使信號的的幅值隨隨介質含含水率變變化發(fā)生生明顯改改變；水水又具有有較高的的介電常常數(shù)使得得電磁波波的傳播播速度隨隨介質含含水率的的變化十十分敏感感。但自自然界中中的常見見物質大大都不具具有這

49、樣樣雙重性性質，這這也就為為應用探探地雷達達方法區(qū)區(qū)分水與與非水提提供了十十分有利利的前提提。速度（cm/ns速度（cm/ns）含水率 (%)等效介電常數(shù)含水率 (%)圖3.圖3.13 雷達波速度隨含水率變化曲線圖3.12等效介電常數(shù)隨含水率變化曲線信號幅值（信號幅值（v/m）含水率（%）含水率（%）含水率（%）靈敏度（dB）等效介電常數(shù)傳播速度信號幅值信號幅值圖3.圖3.14反射波幅值隨含水率變化曲線圖3.15 不同測量參數(shù)靈敏度曲線2.2.33數(shù)值模模擬模型型二設計計模型二是為為了與物物理實驗驗結果進進行對比比，以檢檢驗數(shù)值值模擬技技術的有有效性。物理實驗結結果取自自法國作作者S. Laa

50、ureen發(fā)表表在“Nonn-deestrructtivee Teestiing in Civvil Enggineeeriing 20003”會會議論文文集中的的文章中中。作者者為研究究混凝土土含水率率變化與與介質等等效介電電常數(shù)及及雷達波波傳播特特性的關關系，進進行了物物理實驗驗。實驗驗模型為為立方體體，長和和寬均為為25ccm，高高為7ccm。雷達天線線放在模模型的上上方，天天線主頻頻為1.5GHHz。模型型的底面面放在一一金屬板板上，以以使雷達達波產生生全反射射（圖33.166）。實實驗結果果得到了了介質等等效介電電常數(shù)、傳傳播速度度隨介質質含水率率變化的的關系曲曲線（圖圖3.117）

51、。根根據(jù)實驗驗數(shù)據(jù)進進行了CCRIMM模型分分析，在在CRIIM模型型中，介介質固體體材料的的介電常常數(shù)取為為4.00，孔隙隙度取114%。 圖3.166 混凝凝土實驗驗模型（左左）及測測量裝置置（右） 圖3.177 實驗驗結果圖3.188 CRRIM模模型與實實測結果果對比為了模擬上上述物理理實驗結結果，數(shù)數(shù)值模型型仍由相相對介電電常數(shù)（r）、電導率（/sm-）橫向均勻的三層介質組成，其中第一層介質為空氣，第二層介質的相對介電常數(shù)和厚度與物理模型相同，分別取r24.2，h2=7cm，雷達天線主頻設計為1.5GHz，第三層取電導率為無窮大，以模擬金屬板。模型及其坐標系統(tǒng)見圖3.19。圖3.19

52、模型示意圖模型參數(shù)：第一層：圖3.19模型示意圖模型參數(shù)：第一層：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm第二層：r24.2，2=0.0(s/m)，厚度h2=7cm第三層：r315.0，3空氣天線為研究介質質孔隙度度及含水水率變化化對雷達達信號傳傳播的影影響，孔孔隙度及及含水率率變化異異常場的的設計，是是在第二二層均勻勻介質中中加入呈呈隨機分分布的異異常單元元： = 1 * GB3 異常單單元所占占模型剖剖分單元元的體積積百分比比為14%； = 2 * GB3 異常單單元中一一部分充充填水，另另一部分分充填空空氣，二二者在空空間上均均為隨機機分布。填填水單元元所占模模型剖分分單元的

53、的體積百百分比分分別為00，22，44，114，同同時，充充填空氣氣的異常常單元所所占模型型剖分單單元的體體積百分分比分別別為144，122，2，0。 = 3 * GB3 依據(jù)DDebey模模型，在在天線（雷雷達波場場源）主主頻為11.5GHHz的條條件下，異常單元的物性參數(shù)?。合鄬殡姵３?shù)r800.1；水自身電導導率為0.11/sm-1；弛豫作用用產生的的附加電電導率IIm()0.6/sm-1，并假假設附加加電導率率在雷達達波主頻頻附近的的小范圍圍內不隨隨頻率而而改變。 圖3.200為數(shù)值值模型計計算結果果與物理理實驗結結果對比比情況?？煽梢钥闯龀?，無論論是反射射信號幅幅值，還還是根據(jù)據(jù)速

54、度換換算出的的介質等等效介電電常數(shù)，其其數(shù)值模模擬結果果與物理理實驗結結果都吻合較較好，特別是是當介質質含水率率較低時時（含水水率小于于6%），兩兩種結果果更為接接近。隨隨著含水水率增大大，介質質的不均均勻程度度增強，干干擾程度度隨之加加大，計算結結果相對對較分散散。但數(shù)數(shù)值模擬擬技術能能較好地地計算出出反射信信號幅值值的相對對變化情情況。數(shù)值模擬結結果與物物理模型型實驗結結果對比比分析證證明了數(shù)數(shù)值模擬擬技術的的可行性性和有效效性，也也說明了了在數(shù)值值模擬計計算中由由于引入入了附加加電導率率，使其其結果更更為合理理。因此此，數(shù)值值模擬計計算技術術可以作作為研究究介質不不均勻性性對電磁磁波傳播

55、播特性影影響規(guī)律律的有效效手段。含水率（含水率（%）反射信號幅值相對改變量（dB）物理實驗數(shù)據(jù)數(shù)值模擬計算曲線圖3.20圖3.20 物理實驗與數(shù)值模擬結果對比含水率（%）物理實驗數(shù)據(jù)數(shù)值模擬計算曲線介質等效介電常數(shù)成果三 開開展了石石英砂、公公路瀝青青等材料料的探地地雷達檢檢測含水水率物理理模型實驗驗。通過過根據(jù)物物理實驗驗結果，分分析了這這些材料料的等效效介電常常數(shù)、幅幅值、傳傳播速度度、頻譜譜特征等參參數(shù)隨介介質含水水率的變變化規(guī)律律；用數(shù)數(shù)值模擬擬方法和和前人的的試驗數(shù)數(shù)據(jù)對實實驗結果果進行了了檢驗，證證明了實實驗結果果的可靠靠性，試試驗結果果表明應應用探地地雷達技技術檢測測介質含含水率

56、是是可行的的，其無無損、非非接觸、高高效的特特性表現(xiàn)現(xiàn)出其它它檢測介介質含水水率的傳傳統(tǒng)技術術所不具具備的優(yōu)優(yōu)勢。（2）資助助期間發(fā)發(fā)表論文文、論著著、報告告及專利利情況資助期間發(fā)發(fā)表論文文4篇，完完成研究究報告77部。 = 1 * GB2 Expperiimenntall deeterrminnatiion of bullk ddiellecttricc prropeertiies andd poorossityy off poorouus aasphhaltt annd ssoills uusinng GGPR andd a cycclicc mooistturee vaariaatioo

57、n ttechhniqque，GGeopphyssicss，Vool. 71, Noo. 44，第三作作者； = 2 * GB2 Strructturaal ffeatturees oof tthe Coqqen bassin in cenntraal TTibeet bby mmagnnetootelllurric souundiing，JJourrnall off Chhinaa Unniveersiity of Geoosciiencces，VVol.18,Speeciaal IIssuue,第第一作者者； = 3 * GB2 青藏高高原措勤勤盆地大大地電磁磁測量初初步結果果，物化化探計

58、算算技術，2007 年增刊，第一作者； = 4 * GB2 介質含含水率與與探地雷雷達信號號關系數(shù)數(shù)值模擬擬研究，物物探與化化探，VVol.33,No.5, 20009第一一作者； = 5 * GB2 羌塘盆盆地石油油地質走走廊大剖剖面綜合合地質調調查（玉玉盤湖雙湖段段）大地地電磁測測深調查查報告，第第一作者者； = 6 * GB2 措勤盆盆地石油油地質走走廊大剖剖面綜合合地質調調查（洞洞錯東措勤段段）大地地電磁測測深調查查報告，第第二作者； = 7 * GB2 羌塘盆盆地龍尾尾湖區(qū)塊塊連續(xù)電電磁剖面面（CEEMP）測測量成果果報告，第第一作者者； = 8 * GB2 羌塘盆盆地關鍵鍵地段連連

59、續(xù)電磁磁剖面測測量成果果報告，第第一作者者； = 9 * GB2 青藏高高原石油油地質調調查大地地電磁測測量綜合合研究報報告，第第一作者者； = 10 * GB2 青藏高高原非地地震油氣氣勘探方方法技術術綜合研研究成果果報告，第第三作者者； = 11 * GB2 青藏高高原油氣氣資源戰(zhàn)戰(zhàn)略選區(qū)區(qū)調查與與評價成成果報告告，主筆筆一章。（3）負責責和參加加相關科科研項目目情況資助期間，除除完成資資助課題題外，還還承擔了了如下科科研工作作。 = 1 * GB2 參加國國家油氣氣專項“青藏高高原油氣氣資源戰(zhàn)戰(zhàn)略選區(qū)區(qū)調查與與評價（XXQ2000406）”過程中中，負責責完成了了如下專專題： = 1 *

60、 GB3 洞錯東東措勤石石油地質質走廊大大剖面大大地電磁磁測量（科科油220066100號），220066年，經經費1330萬，第第一負責責人； = 2 * GB3 羌塘盆盆地龍尾尾錯區(qū)塊塊連續(xù)電電磁剖面面（CEEMP）測測量（科科油220066155號），220066年，經經費500萬元，第第一負責責人； = 3 * GB3 羌塘盆盆地重點點地區(qū)電電磁陣列列剖面測測量（科科油220077077號），220077年，經經費2556萬元元，第一一負責人人； = 4 * GB3 青藏高高原油氣氣勘探方方法技術術綜合研研究（科科油220066133號、科科油220077099號、科科油2200880