科技发展项目技术总结报告.doc

1 31 优秀青年科技人才计划项目总结报告 项目名称 介质含水率与探地雷达信号关系研究 委托单位 国土资源部科技与国际合作司 承担单位 中国地质科学院物化探研究所 受资助人 方 慧 起止时间 2005 年 10 月 2008 年 11 月 国土资源部国土资源部 二二 九年十一月二十日九年十一月二十日 2 31 目目 录录 一 研究领域及资助研究项目概况一 研究领域及资助研究项目概况 1 1 研究领域 1 2 资助研究项目概况 1 二 二 研究领域国内外发展趋势和前沿研究领域国内外发展趋势和前沿 2 1 探地雷达技术应用现状 2 2 测量物质含水率的主要方法及存在问题 3 3 探地雷达探测物质含水率研究领域现状及发展趋势 4 三 研究工作总结三 研究工作总结 7 1 研究项目实施情况 7 2 研究工作取得的主要成果和创新点 8 四 经费使用情况四 经费使用情况 34 五 所在单位审核意见五 所在单位审核意见 34 1 单位对受资助者给予的支持 34 2 单位学术委员会对受资助者研究成果的评价 35 3 对受资助者资助期间总体工作情况的评价 36 主要参考文献主要参考文献 37 3 31 一 研究领域及资助研究项目概况一 研究领域及资助研究项目概况 1 1 研究领域 研究领域 专业领域 专业领域 勘探地球物理 主要研究方向 主要研究方向 探地雷达在土壤 建筑材料含水率监测领域的应用技术 研究 2 2 资助研究项目概况 资助研究项目概况 项目名称 项目名称 介质含水率与探地雷达信号关系研究 起止时间 起止时间 2005 年 12 月 2008 年 11 月 目标任务 目标任务 应用数值模拟技术和物理实验技术开展介质含水率与探地雷 达信号关系研究 建立探地雷达测量信号与介质含水率之间准确合理的数学关系 模型 推动探地雷达方法技术进步 主要研究内容 主要研究内容 探地雷达三维正演技术研究 介质含水率与探地雷达信 号关系物理实验研究 介质含水率与探地雷达信号关系数值模拟研究 工作成果 工作成果 两年来 针对上述研究内容开展了较系统的研究工作 基本 实现了设计的任务目标 取得如下主要成果和认识 利用时间域有限差分方法实现了探地雷达三维正演计算 编制三维正演 软件 解决了目前探地雷达常见软件无法模拟介质孔隙度及含水率变化的问题 为应用数值模拟技术开展介质含水率与探地雷达信号关系问题研究提供了有力工 具 首次应用数值模拟方法研究了在介质孔隙度及含水率发生变化时 对雷 达信号传播特征的影响规律 并与物理模型实验结果进行了对比分析 证明了数 值模拟方法的有效性 根据数值模拟结果 分析了当介质的孔隙度或含水率发生改变时 介质 的等效介电常数及雷达波幅值 传播速度等参数随孔隙度及含水率的变化规律 并对这些参数相对介质孔隙度或含水率变化的灵敏程度进行了对比分析 4 31 在介质含水率数值模拟中 不仅考虑了介质电导率的影响 也考虑了高 频电磁场条件下 由于极化滞后效应造成的介电损耗 并利用物理模型实验结果 与数值模拟结果的对比分析 证明了这种思路的合理性 通过物理模型实验 分析了石英砂 沥青等材料的等效介电常数 雷达 波频谱及传播速度等参数随介质含水率的变化规律 在此基础上 提出了介质含 水率与等效介电常数之间的数学关系式 这些数学关系模型 经进一步实验验证 后 可作为探地雷达检测公路材料含水性的基础 二 研究领域国内外发展趋势和前沿 1 1 探地雷达技术应用现状 探地雷达技术应用现状 探地雷达是一种高频电磁法 与探空雷达相似 探地雷达利用发射天线以宽 频短脉冲形式向地下发射高频电磁波 电磁波在介质电磁性质不同的界面处会产 生反射 并被接收天线所接收 通过分析电磁波在时间 空间的传播特性实现探 测地下目标体的空间位置 规模和物理性质等目的 探地雷达技术具有分辨率高 无损 高效等特点 探地雷达技术的应用最早可追溯到上世纪初 早在 1910 年 德国的 G Leimback 和 L wyc 曾以专利形式阐明了这一现象 第一次正式应用是在 1929 年用以确定冰河的深度 Stern 1929 1930 之后这种技术几乎消失 直到 1950 年因有飞机失事掉进格陵兰岛的冰缝中 才再次采用探地雷达技术 受仪 器性能和理论研究等因素的限制 探地雷达初期的应用仅限于波吸收很弱的冰层 盐岩矿等介质中 Cook 1964 Barringer 1965 Lundien 1966 随着仪器信噪比的 大大提高和数据处理技术的进步 七十年代以后 探地雷达的实际应用范围迅速 扩大 1972 年更被阿波罗号宇宙飞船带上了月球 Simmons et al 1972 目前 探地雷达已广泛应用于工程勘察 考古 环境 军事等领域 在仪器制造方面 国际几大著名厂商相继推出适于不同应用的多种仪器系统 在理论研究方面 主 5 31 要集中在信号处理和正反演研究等方面 Olhoeft 2000 每两年召开一次的国际 探地雷达会议基本反映出探地雷达技术的研究及应用现状 我国探地雷达研究始于七十年代初期 原地质矿产部物探研究所 煤炭部煤 炭科学院等科研单位开展过探地雷达仪器研制和野外实验工作 目前 我国已有 几百家单位拥有探地雷达设备和有关技术人员 行业覆盖地质 冶金 煤炭 水 利 交通 建筑 考古 环境及军事等 主要使用进口仪器 也有少量国产仪器 在销售和使用 在研究方面主要是针对信号处理技术 少数大学等科研机构开展 了正反演方法研究 2 2 测量物质含水率的主要方法及存在问题 测量物质含水率的主要方法及存在问题 实际生活中 常常需要研究或了解天然物质和人工材料的孔隙度和含水率等 参数随空间或时间的变化 如了解土壤 岩石的孔隙度及含水率的大小在地质灾 害预防 海侵程度监测 冻土层调查 赋水层位的确定 公路 机场跑道危险隐 患调查 建筑地基状况的评估及种植业管理等方面都是十分重要的指标 了解建 筑材料孔隙度及含水率情况同样是评价材料质量的重要指标之一 如沥青是一种 广泛用于铺设公路路面的材料 影响沥青公路质量的一个重要指标是沥青材料的 孔隙度大小 其原因是由于孔隙中可能充满空气 水 冰或者它们的混合物 它 们的存在会严重影响沥青材料的整体物理性质 进而造成材料质量发生变化 目 前 检测物质含水量的常见方法主要有烘干法 电阻法 中子仪法 射线 透 射 法 时域反射仪法 TDR 法等 这些方法原理不同 各具特色 有些方法 简便 经济 有些方法测量精度很高 但这些方法普遍存在如下缺点 一是只能 采用定点测量方式 无法实现空间上的连续测量 若开展大面积测量 成本较高 二是测量结果受采集样品或测量探头附近物质的含水状态影响较大 其测量结果 有时不能准确代表物质整体含水情况 三是有些方法要求测量探头埋设在测量物 质中 因此只能适用于土壤等非固结物质 无法对沥青 混凝土等建筑材料的含 水情况进行检测 四是需要采样测试的方法会对检测物质造成一定程度的破坏 因此 研究精确 高效 无损的探测技术正在成为上述领域的需要 6 31 3 3 探地雷达探测物质含水率研究领域现状及发展趋势 探地雷达探测物质含水率研究领域现状及发展趋势 目前 探地雷达的应用还主要集中在探测目标体的空间位置 几何形态等方 面 在资料处理和解释中通常假设目标体及其周围介质是均匀的 然而事实上 大自然中常见物质 如土壤 岩石及人工合成建筑材料等 都是由多种成分组成 的 因此这些物质的电磁性质既取决于物质组成成分的物理性质 也受物质的结 构及其孔隙度 含水率 温度等多种因素的影响 在多数情况下 这些因素在一 定尺度范围内并非处处相同 因此天然物质存在着不均匀性 雷达波在其中的传 播特性会因此发生一定程度的改变 特别是 由于水具有较高的介容率 又是有 极分子 不仅会改变物质的电导率 更会改变物质整体介电常数 因此 物质的 含水状况对雷达波的传播速度和能量损耗都会产生很大影响 使雷达波在介质中 的传播特性对介质含水率的变化十分敏感 因此应用探地雷达技术探测物质含水 情况具有良好的地球物理前提 可以应用探地雷达技术探测介质含水率的变化情 况 重要的是 相对上述几种检测物质含水率的常见方法 应用探地雷达技术测 量介质含水率变化情况具有如下主要优点 与测量介质非接触 因此既可以应用于土壤等非固结状物质 也可以应 用于岩石 沥青 混凝土等固结状物质 且不会对介质造成任何破坏 是真正的 无损检测 现代雷达提供了高密度采样测量方式 因此可以对测量介质实现空间或 时间上连续测量 相对传统的定点测量方式 更能准确地对介质整体含水状况进 行评估 探地雷达不仅具有较高的横向分辨能力 也具有较高的纵向分辨能力和 一定的勘探深度 因此可以同时对地下不同物质层 如路基不同基层 同时进行 检测 且可以同时对不同层位的含水情况分别进行评估 测量效率高 如采用车载雷达 可以 50 公里 小时的速度进行测量 因 此更适合开展大范围的监测 7 31 正是因为探地雷达技术具有上述优势 应用探地雷达检测介质含水率成为近 年来探地雷达技术新的研究方向 然而 介质含水率的变化与雷达波的传播特 性之间的关系十分复杂 需要通过开展理论和实验研究建立起两者之间的定量关 系 才能使探地雷达技术真正应用于探测物质含水率这一领域 在这一方面已有 一些学者开展了相关研究 Hasted 1973 通过实验 获得了 25 条件下水的介电常 数随电磁波频率变化情况 图 2 1 可见在高频电磁场作用 下水的极化特性表现出较强的 频散特征 Topp 1980 通过实验给 出的土壤介电常数与土壤含水 率之间的近似关系式 2 1 3 6 2 422 103 4105 51092 2 103 5 bbb 实践证明上述实验公式可以在不同类型 成分的土壤条件下取得较高的精度 0 022m3m 3 Jacobsen 和 Schjonning 1994 更多的学者 如 Dobson 1985 Roth 1990 Friedman 1998 Jones 和 Friedman 2000 则是建立土壤不同组成成分的介电常数和含量多少 包括含水 率的多少 与土壤整体介电常数之间的关系模型 在这些模型中 土壤整体介电 常数与土壤颗粒 土壤中含水率以及土壤中的空气含量之间的关系可以用如下 CRIM Complex Refraction Index Model 模型来描述 2 2 1 1 aswb nn 图 2 1 水的介电常数随频率变化曲线 8 31 其中 为土壤整体介电常数 为土壤含水率 n 为土壤的孔隙度 b s 及分别为土壤颗粒 水及空气的介电常数 系数 与电场方向和土壤构造w a 的相对关系有关 上述表明前人的研究主要集中在土壤含水率与土壤整体介电常数之间的关系 这些关系式在测量土壤含水率方面取得较好效果 但不能直接用于描述其它介质 的含水率与介质介电常数之间的关系 在其它介质研究方面 S Laurens 等研究了混凝土材料中含水率变化与雷达 信号之间的关系 讨论了雷达信号的速度 介电常数 幅值及相位与含水率之间 的关系 Lanbo Liu 等研究了沥青材料中孔隙度 含水率与整体介电常数之间的 关系 研究表明 在干燥条件下 介质孔隙度的变化对整体介电常数影响不大 随着含水率的增加介质整体介电常数明显增大 但研究尚不够深入 在应用方面 美国在应用探地雷达技术监测葡萄园土壤水分状况方面取得了 很好的应用效果 一些国家在应用探地雷达技术监测高速公路路基含水情况方面 也开展了实验和实际应用工作 从国内刊物发表的文章看 国内只有少数科技人员开展了部分研究工作 如 杨厚荣等开发了 WPRT 1 型原油持 含 水率雷达测井仪 巧妙地利用了雷达 探测技术 可将原油持水率的测量范围扩大到 0 100 测量精度达 1 有效地 解决了油田高含水率生产的测量问题 在其它方面 如能否应用数值模拟技术研究介质含水率变化与雷达信号之间 的关系 以及其它因素如环境温度 介质孔隙的大小等因素对测量结果的影响等 方面的研究工作开展得还很少 研究介质含水率与探地雷达信号之间的关系可以利用数值模拟和物理模拟两 种方法 数值模拟方法方便 灵活 但由于数值模拟过程中进行了一定程度的近 似处理 因此数值模拟结果与物理模拟结果会有一定差别 可以用于研究一般性 规律 物理模拟更能准确地反映特定环境下物质含水率变化对雷达波的影响规律 对探地雷达资料精确解释是必不可少的 因此后者应用较为普遍 虽然 探地雷 9 31 达数值模拟技术最近十年得到了较大发展 国际上一些大学如荷兰 Delft 理工大 学 美国俄亥俄州立大学 科罗拉多矿业学院及一些商业公司开展了大量研究工 作 已有商业或免费二 三维正演软件出现 国内中国矿业大学等科研机构也有 学者开展了数值模拟技术研究 但是 在数值模拟研究领域 除算法研究外 应 用研究主要集中在研究均匀介质中局部不均匀体的响应 雷达天线极化特性 介 质频散特性等方面 由于这些研究中都假设介质是均匀的 因此目前大多数软件 不能用于模拟介质不均匀变化 也就难以直接用来模拟介质含水情况 也很少见 到利用数值模拟技术研究介质含水率变化对雷达波的传播特性影响规律等方面的 报道 总之 应用探地雷达技术可以对大规模的测量介质无损 高效 低成本地实 现横向与纵向空间连续观测 是近年来探地雷达技术研究的新方向 但是 在建 立探地雷达信号与介质含水率之间的定量关系方面工作开展得还很不够 需要开 展更系统的物理实验 在数值模拟方面还需要研制开发更适合的计算软件 三 研究工作总结三 研究工作总结 1 1 研究项目实施情况研究项目实施情况 根据合同要求 按计划全面开展了研究工作 主要包括探地雷达三维正演 技术研究 介质含水率与探地雷达信号关系物理实验研究 介质含水率与探地雷 达信号关系数值模拟研究等研究内容 全面完成了合同规定的研究任务 完成的 主要工作量包括 研制一套探地雷达三维正演软件 完成了石英 沥青砂等不同材料的探地雷达检测含水率的物理模型试验 完成了部分理论模型的数值模拟研究 完成了物理实验和数值计算数据的整理和分析 初步建立了适于沥青 石英砂等材料的含水率 介电常数数学关系式 10 31 2 2 研究工作取得的主要成果和创新点 研究工作取得的主要成果和创新点 1 1 受资助期间取得的主要研究成果 受资助期间取得的主要研究成果 成果一 利用时间域有限差分法实现了探地雷达三维正演计算 研制了一套 探地雷达三维正演软件 解决了目前探地雷达常见软件无法模拟介质孔隙度 含 水率变化的问题 为应用数值模拟方法开展介质含水率问题研究提供了有力工具 自然条件下 水赋存于介质内部的孔隙中 而且在非饱和状态下 一部分 孔隙含水 另一部分孔隙则充填为空气 因此 开展介质含水率数值模拟时 要 求正演程序要能实现均匀介质中随机分布有不同比例的自由水或空气等 杂质 而目前常见的正演软件均假设介质是均匀的 无法模拟介质含水状态 要应用数 值模拟技术研究介质含水率与探地雷达信号关系 首先要研制一套合适的探地雷 达三维正演软件 1 11 1 基本理论基本理论 实验表明 所有的电磁现象都服从麦克斯韦方程 在时间域中 麦克斯韦 方程有如下形式 3 1 t B E 3 2 J D H t 3 3 D 3 4 0 B 在导电介质中 对于单色电磁波 利用 的关系及 ED HB Ej 场矢量 很容易推导出频率域波动方程的解为 ti er EE ti er BB 3 5 0 0 tkrisr tkrisr ee ee BB EE 其中k和s与介质物性参数和电磁波频率有关 值得指出的是 水分子在交 变电场情况下容易被极化 偶极距随交变电场不断改变方向 受分子的惯性影响 11 31 偶极子的取向需要一定时间 驰豫时间 出现极化滞后现象 即电场和感应偶 极矩之间出现了相位差 这时水的介电常数实际为复数 即 此时 3 5式中k和s分别为 Im Re i 3 6 2 1 2 2 1 2 1 Re Im 1 2 1 1 Re Im 1 2 1 s k 因子S决定振幅随传播距离的减速度 故称S为衰减系数 电磁波在介质中 的传播速度v由因子K决定 3 7 2 1 2 1 Re Im 1 2 1 1 k v 可以看出 介电常数的实部为介质的固有极化 虚部为介电损耗 并与导 电率合并成为介质的有效导电率 实验表明介电常数的实部和虚部还随频率变化 变化规律可以用Debye公式来描述 Debye 1929 3 8 1 rel s f f i f 其中 为直流和极高频状态下介质的介电常数 为弛豫频率 s rel f 对于25 条件下的自然水 其Debye参数为 s 80 1 4 2 frel 17 1GHz Hasted 1973 根据Debye模型可以计算出当雷达波频率为1GHz时 由于水分 子的迟豫作用产生的附加电导率约为0 265s m 这与自然状态下常见物质的电导 率在同一量级或更高一些 因此在介质含水率模型正演计算中 必须考虑水分子 所产生的附加电导率的影响 1 21 2 数值模拟的实现数值模拟的实现 探地雷达三维正演计算最常采用的方法是时间域有限差分法 时间域有限 差分法最早由Yee于1966年提出 是一种对麦克斯韦方程进行离散化的简单实用 12 31 技术 Yee巧妙地在剖分单元内使电场分量与磁场分量在时间和空间上相互分离 利用中心差商代替微商把连续变量离散化 使含时间变量的麦克斯韦旋度方程离 散以后构成显式差分方程 从而可以在时间上迭代求解 而不需要进行矩阵求逆 运算 由给定相应电磁问题的初始值 应用时间域有限差分法就可以逐步推进地 求得以后各个时刻空间电磁场的分布 具体计算流程如下 是 设计正演模型 计算空间尺度 剖分单元尺度 各剖分单元电 磁性参数赋值 设计时间步长 设定发射天线位置 长度及极化方向 设定发射脉冲信号 为计算空间各单元电场 分量赋初始值 根据各单元电场值计算各单 元磁场值 根据各单元磁场值计算各单元 下一时间步长的电场值 根据发射脉冲信号设置下一时间 步长发射天线的电场值 应用吸收边界条件计算边 界上的电场值 是否完成设计时间步长 否 13 31 1 31 3 数值计算结果检验数值计算结果检验 根据电磁场理论可以推导出球坐标系下描述自由空间中电偶极子辐射场时 空分布的解析公式如下 3 9 c r tp r c tr c tr c tr c r tr r sincos2 4 2 2 2 2 2 2 eeE 式中p t 为偶极子的电偶极矩 c为光速 为方便求解 发射信号选为高斯脉冲 其函数的时域形式为 3 10 2 2 0 4 exp tt tEi 其中 为常数 决定了高斯脉冲的宽度 脉冲峰值出现在时刻 如图3 1 0 tt 所示 实际计算中 2ns 图3 2 3 3分别为电偶极子下方10和25厘米处平行偶 极子方向电场的解析解和时间域有限差分法三维正演对比结果 对比结果显示 在电偶极子下方10 厘米处 解析解和数值解十分接近 25厘 米处的结果显示在信号晚时两者存在少许 差别 其原因可能是边界效应引起的 数 值解与解析解的一致性证明研制的正演软 件是可靠的 024681012 0 02 0 01 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 输出数据文件 结束 图 3 1 高斯脉冲信号 012345 t ns 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 E v 024681012 0 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 幅值 v m 时间 ns 数值解 解析解 解析解 14 31 成果二 首次应用数值模拟方法进行了介质孔隙度及含水率变化对雷达信号 传播特征影响规律的研究 在介质含水率数值模拟中 不仅考虑了介质电导率的 影响 也考虑了高频电磁场条件下 由于极化滞后效应造成的介电损耗 并利用 物理模型实验结果与数值模拟结果的对比分析 证明了这种思路的合理性 研究 结果表明应用数值模拟方法研究介质孔隙度及含水率的变化对探地雷达信号传播 特性的影响规律是可行的 2 12 1 介质孔隙度变化与雷达信号传播特性关系介质孔隙度变化与雷达信号传播特性关系 2 1 1 数值模拟模型设计 数值模拟模型由相对介电常数 r 电导率 s m 横向均匀的 三层介质组成 其中第一层介质为空气 模型及其坐标系统见图 3 4 即 各层介质物性参数 r1 1 0 1 0 0s m r2 5 4 2 0 0s m r3 15 0 3 模型整体尺寸 0 50 0 50 0 50m 第一界面位于 XOY 平面上 0 25m 第二界面在 0 45m 处 雷达波场源为电偶极子天线 位于第一界面中心上方 0 01m 处 电偶极 子极化方向平行 X 轴 主频 1GHz 剖分单元尺寸 0 005 0 005 0 005m 图 3 2 天线下方 10 厘米处数值解和 解析解计算结果 数值解 时间 ns 幅值 v m 图 3 3 天线下方 25 厘米处数值解和 解析解计算结果 15 31 为研究介质孔隙度变化对雷达信号传播的影响 在第二层介质中加入随 机分布 相对介电常数 r 1 0 电导率 0 0s m 的异常单元 借以模拟均匀介 质中分布有充满空气的孔隙 异常单元所占模型剖分单元的体积百分比分别 为 2 4 10 2 1 2 模型正演结果分析 介质的孔隙可看作均匀介质中加入具有另一种介电常数的 杂质 雷达 波的传播特性会随着 杂质 含量的多少发生改变 图 3 5 为介质孔隙度分别为 2 4 10 时 通过天线中心 平行电偶 极子极化方向剖面上 t 2 0ns 时刻电场分量 Ex 空间分布状况 可见随着孔隙度 增大 电场的背景 噪声 明显增强 计算结果表明 随着介质孔隙度增大 由于孔隙内充填的空气使介质的等 效介电常数减小 图 3 6 雷达波传播速度增大 图 3 7 反射信号的走时明 显减小 信号的幅值也有小幅增大 图 3 8 雷达波传播速度由孔隙度为零时 图 3 4 模型示意图 模型参数 第一层 r1 1 0 1 0 0 s m 厚度 h1 25cm 第二层 r2 5 4 2 0 0 s m 厚度 h2 20cm 第三层 r3 15 0 3 x y z 5 4 0 s m 空气 天线 16 31 的 12 91cm ns 近似线性地增加到孔隙度为 10 时的 13 61cm ns 即孔隙度每增 加 图 3 5 t 2 0ns 时孔隙度不同的介质中垂直电偶极子方向电场 Ex 空间分布图 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 17 31 1 反射波传播速度平均增大 0 54 介质等效介电常数由孔隙度为零时的 5 29 减小到孔隙度为 10 时的 4 86 即孔隙度每增加 1 等效介电常数平均减小 0 8 不同的观测参数相对介质孔隙度变化的灵敏程度也不一样 图 3 9 为不同观 测参数的灵敏度曲线 可以看出介质的等效介电常数对于介质孔隙度变化最灵敏 反射波速度次之 这是因为介电常数与电磁波传播速度呈平方反比关系 信号的 幅值相对灵敏度较低 这是因为信号幅值的改变主要是因为介质孔隙度的变化改 变了介质的等效介电常数 从而改变了介质与相邻介质间的反射和折射系数 使 电磁波的传播发生改变 但这种改变是有限的 另一方面 介质孔隙度的存在又 有可能使雷达波产生散射从而降低幅值的信噪比 因此实际工作中若根据反射信 号幅值反演介质孔隙度可能较其它两个参数反演精度低 0246810 4 8 5 5 2 5 4 0246810 12 8 13 13 2 13 4 13 6 13 8 图 3 7 雷达波传播速度随孔隙度变化曲线图 3 6 介质等效介电常数随孔隙度变化曲线 反射波幅值 v m 孔隙度 孔隙度 等效介电常数 速度 cm ns 孔隙度 18 31 0246810 0 027 0 0272 0 0274 0 0276 0 0278 0246810 0 4 0 0 4 0 8 1 2 2 2 介质含水率变化与雷达信号传播特性关系介质含水率变化与雷达信号传播特性关系 介质含水率变化对雷达信号的影响有时被认为是干扰 有时又可被利用 第一章中已经提到由于水的特殊性质 即具有高介电常数和相对较大的附加电导 率 使电磁波在含水介质中的传播变得更加复杂 因此 介质含水率模型可以看 作是均匀介质中加入同时具有高介电常数和高电导率 杂质 的模型 事实上 介质中含水率大小与介质孔隙度是密切相关的 介质在饱和状态下 孔隙度越大 介质含水率越高 当介质处于不饱和状态时 介质中既含有水也含有空气 这里 将计算两类模型 模型一中只考虑介质含水率变化 模型二中同时考虑含水率和 孔隙度的变化 2 2 1 数值模拟模型一设计 数值模型仍由相对介电常数 r 电导率 s m 横向均匀的三层介 质组成 其中第一层介质为空气 模型及其坐标系统见图 3 10 5 4 0s m x y z 空气 天线 图 3 10 模型示意图 模型参数 第一层 r1 1 0 1 0 0 s m 厚度 h1 35cm 第二层 r2 5 4 2 0 0 s m 厚度 h2 10cm 第三层 r3 15 0 3 图 3 8 反射波幅值随孔隙度变化曲线图 3 9 不同观测参数随孔隙度变化灵敏度曲线 孔隙度 灵敏度 dB 等效介电常数 雷达波速度 反射信号幅值 19 31 介质中存在的自由水可以看作是均匀介质中加入一种同时具有高介电常数和 高电导率的 杂质 雷达波的传播特性会随着 杂质 含量的多少发生改变 为研究介质含水率变化对雷达信号传播的影响 在第二层均匀介质中加入一定体 积百分比 呈随机分布的高介电常数 高电导率的异常单元 异常单元 所占模型中剖分单元的体积百分比分别为 2 4 10 由于水为有极分子 在高频电磁场作用下 水分子的驰豫作用会产生附 加电导率 因此在数值模拟计算时 必须考虑其附加电导率对雷达波的影响 依 据第一章提到的 Debey 模型 在天线 雷达波场源 主频为 1GHz 的条件下 异 常单元的物性参数取 相对介电常数 r 80 1 水自身电导率为 0 1 s m 1 驰豫作用产生的附加电导率 Im 0 265 s m 1 并假设附加电导率在雷达波主频附近的小范围内不 随频率而改变 2 2 2 模型正演结果分析 图 3 11 为介质含水率分别为 2 4 10 时 通过天线中心 分别平 行电偶极子极化方向的剖面上 t 2 0ns 时刻电场分量 Ex 空间分布状况 可见 随着含水率增大 雷达波场产生越来越强的散射现象 电场的背景 噪 声 明显增强 介质等效介电常数由不含水时的 5 4 增大到含水率为 10 时的 9 8 图 3 12 即含水率每增加 1 等效介电常数平均增大 7 7 随着含水率增大 雷达波的传播速度明显减小 图 3 13 由不含水时的 12 9cm ns 近似线性地 减小到含水率为 10 时的 9 57cm ns 即含水率每增加 1 反射波传播速度平均减 小 2 9 信号的绝对幅值则由不含水时的 114 4mv m 减小到含水率为 10 时的 20 31 84 9mv m 图 3 14 即含水率每增加 1 信号绝对幅值平均减小 1 9 从而 造成探地雷达的有效勘探深度也随之减小 总之 介质含水率的改变会使雷达波的空间传播特性发生强烈改变 作为 干扰源 介质含水率的变化 会降低探地雷达的有效勘探深度和对弱不均匀体的 空间分辩能力 对目标层 体 埋藏深度的估计可能出现偏差 正因为电磁波对介质含水率变化如此灵敏 所以探地雷达技术更适合用于 探测含水率分布不均匀介质情况 根据模型正演得到的反射波传播速度 幅值及 介质的等效介电常数与介质含水率之间的关系式可用来指导探地雷达的资料解释 图 3 11 t 2 0ns 时含水率不同的介质中垂直电偶极子方向剖面电场 Ex 分量空间分布图 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 21 31 图 3 15 为不同观测参数的灵敏度曲线 可以看出介质的等效介电常数对于 介质含水率变化最为灵敏 反射波速度与信号幅值的灵敏度相当 此外 由于水在高频电磁场作用下能产生较强的附加电导率 致使信号的 幅值随介质含水率变化发生明显改变 水又具有较高的介电常数使得电磁波的传 播速度随介质含水率的变化十分敏感 但自然界中的常见物质大都不具有这样双 重性质 这也就为应用探地雷达方法区分水与非水提供了十分有利的前提 传播速度 图 3 13 雷达波速度随含水率变化曲线图 3 12 等效介电常数随含水率变化曲线 0246810 0 1 2 3 4 5 6 含水率 灵敏度 dB 等效介电常数 信号幅值 v m 含水率 0246810 0 08 0 09 0 1 0 11 0 12 速度 cm ns 含水率 0246810 9 10 11 12 13 012345678910 5 6 7 8 9 10 等效介电常数 含水率 信号幅值 22 31 2 2 3 数值模拟模型二设计 模型二是为了与物理实验结果进行对比 以检验数值模拟技术的有效性 物理实验结果取自法国作者 S Lauren 发表在 Non destructive Testing in Civil Engineering 2003 会议论文集中的文章中 作者为研究混凝土含水率变化与 介质等效介电常数及雷达波传播特性的关系 进行了物理实验 实验模型为立方 体 长和宽均为 25cm 高为 7cm 雷达天线放在模型的上方 天线主频为 1 5GHz 模型的底面放在一金属板上 以使雷达波产生全反射 图 3 16 实 验结果得到了介质等效介电常数 传播速度随介质含水率变化的关系曲线 图 3 17 根据实验数据进行了 CRIM 模型分析 在 CRIM 模型中 介质固体材料的 介电常数取为 4 0 孔隙度取 14 图 3 16 混凝土实验模型 左 及测量装置 右 图 3 17 实验结果 图 3 14 反射波幅值随含水率变化曲线图 3 15 不同测量参数灵敏度曲线 23 31 图 3 18 CRIM 模型与实测结果对比 为了模拟上述物理实验结果 数值模型仍由相对介电常数 r 电导率 s m 横向均匀的三层介质组成 其中第一层介质为空气 第二层介质的 相对介电常数和厚度与物理模型相同 分别取 r2 4 2 h2 7cm 雷达天线主频 设计为 1 5GHz 第三层取电导率为无穷大 以模拟金属板 模型及其坐标系统 见图 3 19 4 2 0 s m x y z 为研究介质孔隙度及含水率变化对雷达信号传播的影响 孔隙度及含水率变 化异常场的设计 是在第二层均匀介质中加入呈随机分布的异常单元 异常单元所占模型剖分单元的体积百分比为 14 图 3 19 模型示意图 模型参数 第一层 r1 1 0 1 0 0 s m 厚度 h1 25cm 第二层 r2 4 2 2 0 0 s m 厚度 h2 7cm 第三层 r3 15 0 3 空气 天线 24 31 异常单元中一部分充填水 另一部分充填空气 二者在空间上均为随机 分布 填水单元所占模型剖分单元的体积百分比分别为 0 2 4 14 同时 充填空气的异常单元所占模型剖分单元的 体积百分比分别为 14 12 2 0 依据 Debey 模型 在天线 雷达波场源 主频为 1 5GHz 的条件下 异 常单元的物性参数取 相对介电常数 r 80 1 水自身电导率为 0 1 s m 1 弛豫作用产生的附加电导率 Im 0 6 s m 1 并假设附加电导率在雷达波主频附近的小范围内不随频率而改 变 图 3 20 为数值模型计算结果与物理实验结果对比情况 可以看出 无论是 反射信号幅值 还是根据速度换算出的介质等效介电常数 其数值模拟结果与物 理实验结果都吻合较好 特别是当介质含水率较低时 含水率小于 6 两种 结果更为接近 随着含水率增大 介质的不均匀程度增强 干扰程度随之加大 计算结果相对较分散 但数值模拟技术能较好地计算出反射信号幅值的相对变化 情况 数值模拟结果与物理模型实验结果对比分析证明了数值模拟技术的可行性 和有效性 也说明了在数值模拟计算中由于引入了附加电导率 使其结果更为合 理 因此 数值模拟计算技术可以作为研究介质不均匀性对电磁波传播特性影响 规律的有效手段 含水率 反射信号幅值相对改变量 dB 物理实验数据数值模拟计算曲线 25 31 成果三 开展了石英砂 公路沥青等材料的探地雷达检测含水率物理模型 实验 通过根据物理实验结果 分析了这些材料的等效介电常数 幅值 传播速 度 频谱特征等参数随介质含水率的变化规律 用数值模拟方法和前人的试验数 据对实验结果进行了检验 证明了实验结果的可靠性 试验结果表明应用探地雷 达技术检测介质含水率是可行的 其无损 非接触 高效的特性表现出其它检测 介质含水率的传统技术所不具备的优势 2 2 资助期间发表论文 论著 报告及专利情况 资助期间发表论文 论著 报告及专利情况 资助期间发表论文 4 篇 完成研究报告 7 部 Experimental determination of bulk dielectric properties and porosity of porous asphalt and soils using GPR and a cyclic moisture variation technique Geophysics Vol 71 No 4 第三作者 Structural features of the Coqen basin in central Tibet by magnetotelluric sounding Journal of China University of Geosciences Vol 18 Special Issue 第一作者 青藏高原措勤盆地大地电磁测量初步结果 物化探计算技术 2007 年 增刊 第一作者 介质含水率与探地雷达信号关系数值模拟研究 物探与化探 Vol 33 No 5 2009 第一作者 图 3 20 物理实验与数值模拟结果对比 含水率 物理实验数据数值模拟计算曲线 介质等效介电常数 26 31 羌塘盆地石油地质走廊大剖面综合地质调查 玉盘湖 双湖段 大地电 磁测深调查报告 第一作者 措勤盆地石油地质走廊大剖面综合地质调查 洞错东 措勤段 大地电 磁测深调查报告 第二作者 羌塘盆地龙尾湖区块连续电磁剖面 CEMP 测量成果报告 第一作者 羌塘盆地关键地段连续电磁剖面测量成果报告 第一作者 青藏高原石油地质调查大地电磁测量综合研究报告 第一作者 青藏高原非地震油气勘探方法技术综合研究成果报告 第三作者 青藏高原油气资源战略选区调查与评价成果报告 主笔一章 3 3 负责和参加相关科研项目情况 负责和参加相关科研项目情况 资助期间 除完成资助课题外 还承担了如下科研工作 参加国家油气专项 青藏高原油气资源战略选区调查与评价 XQ2004 06 过程中 负责完成了如下专题 洞错东 措勤石油地质走廊大剖面大地电磁测量 科油 2006 10 号 2006 年 经费 130 万 第一负责人 羌塘盆地龙尾错区块连续电磁剖面 CEMP 测量 科油 2006 15 号 2006 年 经费 50 万元 第一负责人 羌塘盆地重点地区电磁阵列剖面测量 科油 2007 07 号 2007 年 经费 256 万元 第一负责人 青藏高原油气勘探方法技术综合研究 科油 2006 13 号 科油 2007 09 号 科油 2008 06 号 科油 2008 07 号 2006 2008 年 经费 366 万元 第 二负责人 国土资源部公益性行业科研专项 重要成矿区带地球物理深部探测与研 究示范 200811039 2008 2009 总经费 304 万 第一负责人 27 31 国土资源大调查项目 龙门山及邻近构造带综合地球物理调查 1212010914049 2009 2011 年 2009 年度经费 200 万元 第一负责人 国土资源大调查与物化探所基本科研业务费联合资助项目 永久冻土区 天然气水合物电磁异常特征研究 2009 年 总经费 80 万元 第一负责人 国土资源大调查项目 1212010980046 松辽外围中新生代盆地群油 气地质综合调查 2007 2010 年 2009 年度经费 180 万元 第三负责人 四 经费使用情况 见决算报告 五 所在单位审核意见 1 1 单位对受资助者给予的支持 单位对受资助者给予的支持 为完成本项目 中国地质科学院物化探研究所在人力 财力和物力方面给与 了受资助人大力支持 不仅提供了用于开展物理模拟实验所需的实验室 探地雷 达及计算机等设备 还免收了项目参加人员的工资福利等费用 2 2 单位学术委员会对受资助者研究成果的评价 单位学术委员会对受资助者研究成果的评价 探地雷达是一种快速高效地对浅层目标体进行精细探测的手段 其应用领域 十分宽广 受资助者根据实际应用中发现的问题 以开发新的检测介质含水率的 方法技术 拓宽探地雷达应用领域为目的 以介质含水率对雷达波传播特性影响 规律研究为切入点 选定 介质含水率与探地雷达信号关系研究 为题 既具有 理论意义 又具有实用价值 研究工作在以下几方面具有创新性 利用时间域有限差分方法实现了探地雷达三维正演计算 解决了目前探 地雷达常见软件无法对模型介质加入随机扰动参数问题 为应用数值模拟技术开 展介质不均匀性问题研究提供了有力工具 28 31 采用数值模拟方法研究了介质含水率变化对雷达波传播特性的影响规律 并通过与物理实验结果的对比分析 检验了所实现的数值模拟方法的有效性 在研究介质含水率影响的数值模型中 不仅考虑了介质导电率的影响 也考虑了高频电磁场条件下由于极化滞后效应造成的介电损耗 并通过物理模型 实验数值模拟结果的合理性 通过探地雷达与传统介质含水率检测方法 TDR 法 物理实验结果的对 比研究 证明了探地雷达是检测介质含水率的一种有效方法 而其本身所具有的 无损 非接触 高效的特性使探地雷达可能成为一种实用的检测介质含水率的方 法 通过物理模型实验 分析研究了石英砂 沥青公路材料的等效介电常数 随介质含水率的变化规律 在此基础上 提出了介质含水率与等效介电常数之间 的数学关系式 总之 受资助者完成的研究工作很有意义 并取得了一些具有创新性的进 展和认识 较圆满地完成了设计的工作任务 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所学术委员会主任 胡平 3 3 对受资助者资助期间总体工作情况的评价 对受资助者资助期间总体工作情况的评价 方慧同志任我所油气与深部地球物理研究室主任 是物化探所国家科技创 新基地地球物理研究领域的科研骨干 受资助期间 不仅较好地完成了受资助的 科研工作 同时 作为负责人还先后承担了国家专项 青藏高原油气资源战略选 区调查与评价 项目中的 4 个专题 国土资源部公益性行业科研专项 1 项 地质 大调查工作项目 2 项 其它项目 1 项 带领科研团队多次进入青藏高原藏北无人 区 青海祁连山地区和川西龙门山地区开展工作 在探测羌塘盆地等青藏重点含 油气盆地构造格架方面 在研究青藏高原油气资源战略调查与评价有效物化探方 法技术组合方面 在探索冻土区天然气水合物调查物化探有效技术方面 在探测 29 31 龙门山构造带深部结构及地震活动性等方面取得了不少新的认识和成果 成绩显 著 该同志基础理论扎实 学术思想敏锐 有强烈的创新意识和很好的职业道 德以及团队合作精神 具有良好的科研素质 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所所长 韩子夜 30 31 主要参考文献要参考文献 1 Annan A P Radar interferometry depth sounding part I theoretical discussion Geophysics 1973 38 3 557 580 2 B Engquist and A Majda Absorbing boundary conditions for the numerical simulation of waves Math Comput 1977 31 629 651 3 D J Daniels Surface Penetrating Radar Short Run Press Ltd 1988 4 Dobson M C F T Ulaby M T Hallikainen and M A El Rayes Microwave dielectric behaviour of wet soil part II dielectric mixing models IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing 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C Sperl W Bouten and J M Verstraten Soil water content measurements at different scales accuracy o