科技发展项目技术总结报告

1、第四章：介质含水率与雷达信号关系的物理模型实验研究优秀青年科技人才计划项目总结报告 项目名称称：介质含水水率与探探地雷达达信号关关系研究究委托单位位：国土资源源部科技技与国际际合作司司承担单位位：中国地质质科学院院物化探探研究所所受资助人人：方 慧起止时间间：20055年10月20008年11月国土资源源部二九九年十一月二十日目 录录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc248510098 一、研究究领域及及资助研研究项目目概况 PAGEREF _Toc248510098 h 1 HYPERLINK l _Toc248510099 1、研究究领域 PAGEREF _T

2、oc248510099 h 1 HYPERLINK l _Toc248510100 2、资助助研究项项目概况况 PAGEREF _Toc248510100 h 1 HYPERLINK l _Toc248510101 二、 研研究领域域国内外外发展趋趋势和前前沿 PAGEREF _Toc248510101 h 2 HYPERLINK l _Toc248510102 1、探地地雷达技技术应用用现状 PAGEREF _Toc248510102 h 2 HYPERLINK l _Toc248510103 2、测量量物质含含水率的的主要方方法及存存在问题题 PAGEREF _Toc248510103 h

3、 3 HYPERLINK l _Toc248510104 3、探地地雷达探探测物质质含水率率研究领领域现状状及发展展趋势 PAGEREF _Toc248510104 h 4 HYPERLINK l _Toc248510105 三、研究究工作总总结 PAGEREF _Toc248510105 h 7 HYPERLINK l _Toc248510106 1、研究究项目实实施情况况 PAGEREF _Toc248510106 h 7 HYPERLINK l _Toc248510107 2、研究究工作取取得的主主要成果果和创新新点 PAGEREF _Toc248510107 h 8 HYPERLINK

4、 l _Toc248510108 四、经费费使用情情况 PAGEREF _Toc248510108 h 34 HYPERLINK l _Toc248510109 五、所在在单位审审核意见见 PAGEREF _Toc248510109 h 34 HYPERLINK l _Toc248510110 1、单位位对受资资助者给给予的支支持 PAGEREF _Toc248510110 h 34 HYPERLINK l _Toc248510111 2、单位位学术委委员会对对受资助助者研究究成果的的评价 PAGEREF _Toc248510111 h 35 HYPERLINK l _Toc248510112

5、 3、对受受资助者者资助期期间总体体工作情情况的评评价 PAGEREF _Toc248510112 h 36 HYPERLINK l _Toc248510113 主要参考考文献 PAGEREF _Toc248510113 h 37主要参考文献一、研究究领域及及资助研研究项目目概况 1、研究究领域 = 1 * GB2 专业业领域：勘探地地球物理理 = 2 * GB2 主要要研究方方向：探探地雷达达在土壤壤、建筑筑材料含含水率监监测领域域的应用用技术研研究2、资助助研究项项目概况况 = 1 * GB2 项目目名称：介质含含水率与与探地雷雷达信号号关系研研究 = 2 * GB2 起止止时间：2000

6、5年112月20008年111月 = 3 * GB2 目标标任务：应用数数值模拟拟技术和和物理实实验技术术开展介介质含水水率与探探地雷达达信号关关系研究究，建立立探地雷雷达测量量信号与与介质含含水率之之间准确确合理的的数学关关系模型型，推动动探地雷雷达方法法技术进进步。 = 4 * GB2 主要要研究内内容：探探地雷达达三维正正演技术术研究；介质含含水率与与探地雷雷达信号号关系物物理实验验研究；介质含含水率与与探地雷雷达信号号关系数数值模拟拟研究。 = 5 * GB2 工作作成果：两年来来，针对对上述研究究内容开开展了较较系统的的研究工工作，基基本实现现了设计计的任务务目标，取得如如下主要要成

7、果和和认识。 = 1 * GB3 利用用时间域域有限差差分方法法实现了了探地雷雷达三维维正演计计算，编编制三维维正演软软件。解解决了目目前探地地雷达常常见软件件无法模模拟介质质孔隙度度及含水水率变化化的问题题，为应应用数值值模拟技技术开展展介质含含水率与与探地雷雷达信号号关系问问题研究究提供了了有力工工具。 = 2 * GB3 首次次应用数数值模拟拟方法研研究了在在介质孔孔隙度及及含水率率发生变变化时，对雷达达信号传传播特征征的影响响规律。并与物物理模型型实验结结果进行行了对比比分析，证明了了数值模模拟方法法的有效效性。 = 3 * GB3 根据据数值模模拟结果果，分析析了当介介质的孔孔隙度或

8、或含水率率发生改改变时，介质的的等效介介电常数数及雷达达波幅值值、传播播速度等等参数随随孔隙度度及含水水率的变变化规律律，并对对这些参参数相对对介质孔孔隙度或或含水率率变化的的灵敏程程度进行行了对比比分析。 = 4 * GB3 在介介质含水水率数值值模拟中中，不仅仅考虑了了介质电电导率的的影响，也考虑虑了高频频电磁场场条件下下，由于于极化滞滞后效应应造成的的介电损损耗，并并利用物物理模型型实验结结果与数数值模拟拟结果的的对比分分析，证证明了这这种思路路的合理理性。 = 5 * GB3 通过过物理模模型实验验，分析析了石英英砂、沥沥青等材料的的等效介介电常数数、雷达波波频谱及及传播速速度等参参数

9、随介介质含水水率的变变化规律律。在此此基础上上，提出出了介质质含水率率与等效效介电常常数之间间的数学学关系式式。这些些数学关关系模型型，经进进一步实实验验证证后，可可作为探探地雷达达检测公公路材料料含水性性的基础础。二、 研研究领域域国内外外发展趋趋势和前前沿1、探地地雷达技技术应用用现状探地雷达达是一种种高频电电磁法。与探空空雷达相相似，探探地雷达达利用发发射天线线以宽频频短脉冲冲形式向向地下发发射高频频电磁波波，电磁磁波在介介质电磁磁性质不不同的界界面处会会产生反反射，并并被接收收天线所所接收，通过分分析电磁磁波在时时间、空空间的传传播特性性实现探探测地下下目标体体的空间间位置、规模和和物

10、理性性质等目目的。探探地雷达达技术具具有分辨辨率高、无损、高效等等特点。探地雷达达技术的的应用最最早可追追溯到上上世纪初初。早在在19110年，德国的的G. Leiimbaack和和Lwycc曾以专专利形式式阐明了了这一现现象。第第一次正正式应用用是在119299年用以以确定冰冰河的深深度（SSterrn, 19229, 19330），之后后这种技技术几乎乎消失。直到119500年因有有飞机失失事掉进进格陵兰兰岛的冰冰缝中，才再次次采用探探地雷达达技术。受仪器器性能和和理论研研究等因因素的限限制，探探地雷达达初期的的应用仅仅限于波波吸收很很弱的冰冰层、盐盐岩矿等等介质中中(Coook, 199

11、64; Baarriingeer, 19665; Lunndieen, 19666)。随着仪仪器信噪噪比的大大大提高高和数据据处理技技术的进进步，七七十年代代以后，探地雷雷达的实实际应用用范围迅迅速扩大大。19972年年更被阿阿波罗号号宇宙飞飞船带上上了月球球(Siimmoons et al., 119722)。目前前，探地地雷达已已广泛应应用于工工程勘察察、考古古、环境境、军事事等领域域。在仪仪器制造造方面，国际几几大著名名厂商相相继推出出适于不不同应用用的多种种仪器系系统。在在理论研研究方面面，主要要集中在在信号处处理和正正反演研研究等方方面(OOlhooeftt, 220000)。每每两

12、年召召开一次次的国际际探地雷雷达会议议基本反反映出探探地雷达达技术的的研究及及应用现现状。我国探地地雷达研研究始于于七十年年代初期期，原地地质矿产产部物探探研究所所、煤炭炭部煤炭炭科学院院等科研研单位开开展过探探地雷达达仪器研研制和野野外实验验工作。目前，我国已已有几百百家单位拥拥有探地地雷达设设备和有有关技术术人员，行业覆覆盖地质质、冶金金、煤炭炭、水利利、交通通、建筑筑、考古古、环境境及军事事等。主主要使用用进口仪仪器，也也有少量量国产仪仪器在销售和和使用。在在研究方方面主要要是针对对信号处处理技术术，少数数大学等等科研机机构开展展了正反反演方法法研究。2、测量量物质含水水率的主主要方法法

13、及存在在问题实际生活活中，常常常需要要研究或或了解天天然物质质和人工工材料的的孔隙度度和含水水率等参参数随空空间或时时间的变变化，如如了解土土壤、岩岩石的孔孔隙度及及含水率率的大小小在地质质灾害预预防，海海侵程度度监测，冻土层层调查，赋水层层位的确确定，公公路、机机场跑道道危险隐隐患调查查，建筑筑地基状状况的评评估及种种植业管管理等方方面都是是十分重重要的指指标。了了解建筑筑材料孔孔隙度及及含水率率情况同同样是评评价材料料质量的的重要指指标之一一。如沥沥青是一一种广泛泛用于铺铺设公路路路面的的材料，影响沥沥青公路路质量的的一个重重要指标标是沥青青材料的的孔隙度度大小。其原因因是由于于孔隙中中可

14、能充充满空气气、水、冰或者者它们的的混合物物，它们们的存在在会严重重影响沥沥青材料料的整体体物理性性质，进进而造成成材料质质量发生生变化。目前，检测物物质含水量量的常见见方法主要要有烘干干法、电阻法法、中子仪仪法、射线(透射) 法、时域反反射仪法法( TTDR) 法等。这些些方法原原理不同同、各具特色色，有些方法法简便、经济，有些方方法测量量精度很很高。但但这些方方法普遍遍存在如如下缺点点：一是是只能采采用定点点测量方方式，无无法实现现空间上上的连续续测量，若开展展大面积积测量，成本较较高；二二是测量量结果受受采集样样品或测测量探头头附近物物质的含含水状态态影响较较大，其其测量结结果有时时不能

15、准准确代表表物质整体体含水情情况；三三是有些些方法要要求测量量探头埋埋设在测测量物质质中，因因此只能能适用于于土壤等等非固结结物质，无法对对沥青、混凝土土等建筑筑材料的的含水情情况进行行检测；四是需需要采样样测试的的方法会会对检测测物质造造成一定定程度的的破坏。因此，研究精精确、高高效、无无损的探探测技术术正在成成为上述述领域的的需要。3、探地地雷达探探测物质质含水率率研究领领域现状状及发展展趋势目前，探探地雷达达的应用用还主要集集中在探探测目标标体的空空间位置置、几何何形态等等方面。在资料料处理和和解释中中通常假假设目标标体及其其周围介介质是均均匀的，然而事事实上，大自然然中常见见物质，如土

16、壤壤、岩石石及人工工合成建建筑材料料等，都都是由多多种成分分组成的的，因此此这些物物质的电电磁性质质既取决决于物质质组成成成分的物物理性质质，也受受物质的的结构及及其孔隙隙度、含含水率、温度等等多种因因素的影影响。在在多数情情况下，这些因因素在一一定尺度度范围内内并非处处处相同同，因此此天然物物质存在在着不均均匀性，雷达波在在其中的的传播特特性会因因此发生生一定程程度的改改变。特特别是，由于水水具有较较高的介介容率，又是有有极分子子，不仅仅会改变变物质的的电导率率，更会会改变物物质整体体介电常常数。因此，物质的的含水状状况对雷雷达波的的传播速速度和能能量损耗耗都会产产生很大大影响，使雷达达波在

17、介介质中的的传播特特性对介介质含水水率的变变化十分分敏感，因此应用用探地雷雷达技术术探测物物质含水水情况具具有良好好的地球球物理前前提，可可以应用用探地雷雷达技术术探测介介质含水水率的变变化情况况。重要要的是，相对上上述几种种检测物物质含水水率的常常见方法法，应用用探地雷雷达技术术测量介介质含水水率变化化情况具具有如下下主要优优点： = 1 * GB3 与测测量介质质非接触触。因此此既可以以应用于于土壤等等非固结结状物质质，也可可以应用用于岩石石、沥青青、混凝凝土等固固结状物物质，且且不会对对介质造造成任何何破坏，是真正正的无损损检测； = 2 * GB3 现代代雷达提提供了高高密度采采样测量

18、量方式，因此可可以对测测量介质质实现空空间或时时间上连连续测量量，相对对传统的的定点测测量方式式，更能能准确地地对介质质整体含含水状况况进行评评估。 = 3 * GBB3 探地地雷达不不仅具有有较高的的横向分分辨能力力，也具具有较高高的纵向向分辨能能力和一一定的勘勘探深度度，因此此可以同同时对地地下不同同物质层层（如路路基不同同基层）同时进进行检测测，且可可以同时时对不同同层位的的含水情情况分别别进行评评估； = 4 * GB3 测量量效率高高。如采采用车载载雷达，可以550公里里/小时时的速度度进行测测量，因因此更适适合开展展大范围围的监测测。正是因为为探地雷雷达技术术具有上上述优势势，应用

19、用探地雷雷达检测介质质含水率率成为近近年来探探地雷达达技术新新的研究究方向。然而而，介质质含水率率的变化化与雷达达波的传传播特性性之间的的关系十十分复杂杂，需要要通过开开展理论论和实验验研究建建立起两两者之间间的定量量关系，才能使使探地雷雷达技术术真正应应用于探探测物质质含水率率这一领领域。在这一方方面已有有一些学学者开展展了相关关研究。图2.1水的介电常数随频率变化曲线Hastted （19973）通过实实验获得得了255条件下下水的介介电常数数随电磁磁波频率率变化情情况（图图2.11），可见见在高频频电磁场场作用下下水的极极化特性性表现出出较强的的频散特特征。Toppp（19980）通过实

20、实验给出出的土壤壤介电常常数与土土壤含水水率之间间的近似似关系式式：（22.1）实践证明明上述实实验公式式可以在在不同类类型、成成分的土土壤条件件下取得得较高的的精度（0.0022mm3m-3，JJacoobseen和 Scchjoonniing，19994）。更多的学学者（如如Dobbsonn 19885，Rotth 119900，Friiedmman 19998，Jonnes和和Friiedmman 20000）则则是建立立土壤不不同组成成成分的的介电常常数和含含量多少少（包括括含水率率的多少少）与土土壤整体体介电常常数之间间的关系系模型。在这些些模型中中，土壤壤整体介介电常数数与土壤壤颗

21、粒、土壤中中含水率率以及土土壤中的的空气含含量之间间的关系系可以用用如下CCRIMM （Commpleex RRefrracttionn Inndexx Moodell）模型来来描述 （2.2）其中，为为土壤整整体介电电常数，为土壤壤含水率率，n为土壤壤的孔隙隙度，、及分别为为土壤颗颗粒、水水及空气气的介电电常数。系数与电场场方向和和土壤构构造的相相对关系系有关。上述表明明前人的的研究主主要集中中在土壤壤含水率率与土壤壤整体介介电常数数之间的的关系，这些关关系式在在测量土土壤含水水率方面面取得较较好效果果，但不不能直接接用于描描述其它它介质的的含水率率与介质质介电常常数之间间的关系系。在其它介

22、介质研究究方面，S. Lauurenns 等等研究了了混凝土土材料中中含水率率变化与与雷达信信号之间间的关系系，讨论了了雷达信信号的速速度、介介电常数数、幅值值及相位位与含水水率之间间的关系系。Laanboo Liiu等研研究了沥沥青材料料中孔隙隙度、含含水率与与整体介介电常数数之间的的关系，研究表表明：在在干燥条条件下，介质孔孔隙度的的变化对对整体介介电常数数影响不不大；随随着含水水率的增增加介质质整体介介电常数数明显增增大。但但研究尚尚不够深深入。在应用方方面，美美国在应应用探地地雷达技技术监测测葡萄园园土壤水水分状况况方面取取得了很很好的应应用效果果；一些些国家在在应用探探地雷达达技术监

23、监测高速速公路路路基含水水情况方方面也开开展了实实验和实实际应用用工作。从国内刊刊物发表表的文章章看，国国内只有有少数科科技人员员开展了了部分研研究工作作，如杨杨厚荣等等开发了了WPRRT - 1 型原油油持(含含) 水水率雷达达测井仪仪，巧妙妙地利用用了雷达达探测技技术, 可将原原油持水水率的测测量范围围扩大到到01100% ,测测量精度度达1% ,有有效地解解决了油油田高含含水率生生产的测测量问题题。在其它方方面，如如能否应应用数值值模拟技技术研究究介质含含水率变变化与雷雷达信号号之间的的关系，以及其其它因素素如环境境温度、介质孔孔隙的大大小等因因素对测测量结果果的影响响等方面面的研究究工

24、作开开展得还还很少。研究介质质含水率率与探地地雷达信信号之间间的关系系可以利利用数值值模拟和和物理模模拟两种种方法。数值模模拟方法法方便、灵活，但由于数数值模拟拟过程中中进行了了一定程程度的近近似处理理，因此此数值模模拟结果果与物理理模拟结结果会有有一定差差别，可可以用于于研究一一般性规规律。物物理模拟拟更能准确地地反映特特定环境境下物质质含水率率变化对对雷达波波的影响响规律，对探地地雷达资资料精确确解释是是必不可可少的，因此后后者应用用较为普普遍。虽虽然，探探地雷达达数值模模拟技术术最近十十年得到到了较大发发展，国国际上一一些大学学如荷兰兰Dellft理理工大学学、美国国俄亥俄俄州立大大学、

25、科科罗拉多多矿业学学院及一一些商业业公司开开展了大大量研究究工作，已有商商业或免免费二、三维正正演软件件出现。国内中中国矿业业大学等等科研机机构也有有学者开开展了数数值模拟拟技术研研究。但但是，在在数值模模拟研究究领域，除算法法研究外外，应用用研究主主要集中中在研究究均匀介介质中局局部不均均匀体的的响应，雷达天天线极化化特性，介质频频散特性性等方面面。由于于这些研研究中都都假设介介质是均均匀的，因此目目前大多多数软件件不能用用于模拟拟介质不不均匀变变化，也也就难以以直接用用来模拟拟介质含含水情况况。也很很少见到到利用数数值模拟拟技术研研究介质质含水率率变化对对雷达波波的传播播特性影影响规律律等

26、方面面的报道道。总之，应应用探地地雷达技技术可以以对大规规模的测测量介质质无损、高效、低成本本地实现现横向与与纵向空空间连续续观测，是近年年来探地地雷达技技术研究究的新方方向。但是，在建立立探地雷雷达信号号与介质质含水率率之间的的定量关关系方面面工作开开展得还还很不够够，需要要开展更更系统的的物理实实验；在在数值模模拟方面面还需要要研制开开发更适适合的计计算软件件。三、研究究工作总总结1、研究究项目实实施情况况根据合同同要求，按计划划全面开展展了研究究工作，主要包括括探地雷雷达三维维正演技技术研究究；介质质含水率率与探地地雷达信信号关系系物理实实验研究究；介质质含水率率与探地地雷达信信号关系系

27、数值模模拟研究究等研究究内容，全面完完成了合合同规定定的研究究任务。完成的的主要工工作量包包括： = 1 * GB3 研制制一套探探地雷达达三维正正演软件件； = 2 * GB3 完成成了石英、沥沥青砂等等不同材料料的探地地雷达检检测含水水率的物理理模型试试验； = 3 * GB3 完成成了部分分理论模型型的数值值模拟研研究； = 4 * GB3 完成成了物理理实验和和数值计计算数据据的整理理和分析析； = 5 * GB3 初步步建立了了适于沥沥青、石石英砂等等材料的的含水率率-介电电常数数数学关系系式。2、研究究工作取取得的主主要成果果和创新新点 （1）受受资助期期间取得得的主要要研究成成果

28、成果一 利用时时间域有有限差分分法实现现了探地地雷达三三维正演演计算，研制了了一套探探地雷达达三维正正演软件件，解决决了目前前探地雷雷达常见见软件无无法模拟拟介质孔孔隙度、含水率率变化的的问题，为应用用数值模模拟方法法开展介介质含水水率问题题研究提提供了有有力工具具。自然条件件下，水水赋存于于介质内内部的孔孔隙中，而且在在非饱和和状态下下，一部部分孔隙隙含水，另一部部分孔隙隙则充填填为空气气。因此此，开展展介质含含水率数数值模拟拟时，要要求正演演程序要要能实现现均匀介介质中随随机分布布有不同同比例的的自由水水或空气气等“杂质”，而目前前常见的的正演软软件均假假设介质质是均匀匀的，无无法模拟拟介

29、质含含水状态态，要应应用数值值模拟技技术研究究介质含含水率与与探地雷雷达信号号关系，首先要要研制一一套合适适的探地地雷达三三维正演演软件。1.1 基本理理论实验表明明，所有有的电磁磁现象都都服从麦麦克斯韦韦方程，在时间间域中，麦克斯斯韦方程程有如下下形式： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)在导电介介质中，对于单单色电磁磁波，利利用，的关系系及场矢矢量、，很容容易推导导出频率率域波动动方程的的解为 (3.5)其中k和和s与介介质物性性参数和和电磁波波频率有有关。值值得指出出的是，水分子子在交变变电场情情况下容容易被极极化，偶偶极距随随交变电电场不断断改变方方向。受受分子的的惯性影影

30、响，偶偶极子的的取向需需要一定定时间（驰豫时时间），出现极极化滞后后现象，即电场场和感应应偶极矩矩之间出出现了相相位差，这时水水的介电电常数实实际为复复数，即即：，此此时，33.5式式中k和和s分别别为： (3.6)因子S决决定振幅幅随传播播距离的的减速度度，故称称S为衰衰减系数数。电磁磁波在介介质中的的传播速速度v由由因子KK决定 (3.7)可以看出出，介电电常数的的实部为为介质的的固有极极化，虚虚部为介介电损耗耗，并与与导电率率合并成成为介质质的有效效导电率率。实验验表明介介电常数数的实部部和虚部部还随频频率变化化，变化化规律可可以用DDebyye公式式来描述述（Deebyee，19929

31、） (3.8)其中，、为直流流和极高高频状态态下介质质的介电电常数，为弛豫豫频率。对于225条件下下的自然然水，其其Debbye参参数为s=880.11，=44.2，freel=117.11GHzz （Haasteed,119733）。根根据Deebyee模型可可以计算算出当雷雷达波频频率为11GHzz时，由由于水分分子的迟迟豫作用用产生的的附加电电导率约约为0.2655s/mm，这与与自然状状态下常常见物质质的电导导率在同同一量级级或更高高一些，因此在在介质含含水率模模型正演演计算中中，必须须考虑水水分子所所产生的的附加电电导率的的影响。1.2 数值模模拟的实实现探地雷达达三维正正演计算算最

32、常采采用的方方法是时时间域有有限差分分法。时时间域有有限差分分法最早早由Yeee于119666年提出出，是一一种对麦麦克斯韦韦方程进进行离散散化的简简单实用用技术。Yeee巧妙地地在剖分分单元内内使电场场分量与与磁场分分量在时时间和空空间上相相互分离离，利用用中心差差商代替替微商把把连续变变量离散散化，使使含时间间变量的的麦克斯斯韦旋度度方程离离散以后后构成显显式差分分方程，从而可可以在时时间上迭迭代求解解，而不不需要进进行矩阵阵求逆运运算。由由给定相相应电磁磁问题的的初始值值，应用用时间域域有限差差分法就就可以逐逐步推进进地求得得以后各各个时刻刻空间电电磁场的的分布。具体计算算流程如如下：设

33、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应用吸收边界条件计算边界上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是是否完成设计时间步长？否输出数据文件结束1.3 数值计计算结果果检验根据电磁磁场理论论可以推推导出球球坐标系系下描述述自由空空间中电电偶极子子辐射场场时空分分布的解解析公式式如下: (3.9)式中p(t)为为偶极子子的电偶偶极矩，c为光速速。为方便求求解，发发射信号号选为高高斯

34、脉冲冲，其函函数的时时域形式式为： (3.110)其中为为常数，决定了了高斯脉脉冲的宽宽度，脉脉冲峰值值出现在在时刻，如图33.1所所示，实实际计算算中=2nss。图3.2、3.3分别为为电偶极极子下方方10和25厘厘米处平平行偶极极子方向向电场的的解析解解和时间间域有限限差分法法三维正正演对比比结果。图3.1高斯脉冲信号对比结果果显示，在电偶偶极子下下方100厘米处处，解析析解和数数值解十十分接近近；255厘米处处的结果果显示在在信号晚晚时两者者存在少少许差别别，其原原因可能能是边界界效应引引起的。数值解解与解析析解的一一致性证证明研制制的正演演软件是是可靠的的。解析解幅值(v/m)时间（n

35、s）解析解数值解时间（ns）幅值(v/m)数值解图3.3 天线下方25厘米处数值解和解析解计算结果图3.2 天线下方10厘米处数值解和解析解计算结果成果二 首次应应用数值值模拟方方法进行行了介质质孔隙度度及含水水率变化化对雷达达信号传传播特征征影响规规律的研研究。在在介质含含水率数数值模拟拟中，不不仅考虑虑了介质质电导率率的影响响，也考考虑了高高频电磁磁场条件件下，由由于极化化滞后效效应造成成的介电电损耗，并利用用物理模模型实验验结果与与数值模模拟结果果的对比比分析，证明了了这种思思路的合合理性。研究结结果表明明应用数数值模拟拟方法研研究介质质孔隙度度及含水水率的变变化对探探地雷达达信号传传播

36、特性性的影响响规律是是可行的的。2.1介介质孔隙隙度变化化与雷达达信号传传播特性性关系2.1.1数值值模拟模模型设计计： 数值模拟拟模型由由相对介介电常数数（r）、电电导率（/sm-）横横向均匀匀的三层层介质组组成，其其中第一一层介质质为空气气；模型型及其坐坐标系统统见图33.4，即：各各层介质质物性参参数：rr11.0、10.0s/m，r255.4、20.0s/m、r3115.00、3；模型整体体尺寸：0.5500.5500.550m，第一界界面位于于XOYY平面上上0.225m，第二界界面在00.45m处；雷达波场场源为电电偶极子子天线，位于第第一界面面中心上上方0.01mm处；电偶偶极子

37、极极化方向向平行XX轴，主主频1GGHz；剖分单元元尺寸：0.00050.00050.0005mm。图3.4 模型示意图模型参数：第一层：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm第二层：r25.4，2=0.0(s/m)，厚度h2=20cm第三层：r315.0，3空气天线为研究介介质孔隙隙度变化化对雷达达信号传传播的影影响： 在第第二层介介质中加加入随机机分布，相对介介电常数数r1.0、电电导率 =0.0s/m的异异常单元元，借以以模拟均均匀介质质中分布布有充满满空气的的孔隙； 异常常单元所所占模型型剖分单单元的体体积百分分比分别别为：22，44，110。2.1.2 模型正正演结果果

38、分析介质的孔孔隙可看看作均匀匀介质中中加入具具有另一一种介电电常数的的“杂质”。雷达达波的传传播特性性会随着着“杂质”含量的的多少发发生改变变。图3.55为介质孔孔隙度分分别为22%、4%、10%时，通过过天线中中心，平平行电偶偶极子极极化方向向剖面上上t=22.0nns时刻刻电场分分量Exx空间分分布状况况，可见随随着孔隙隙度增大大，电场场的背景景“噪声”明显增增强。计算结果果表明：随着介介质孔隙隙度增大大，由于于孔隙内内充填的的空气使使介质的的等效介介电常数数减小（图3.6），雷达波波传播速速度增大大（图33.7），反射信信号的走走时明显显减小，信号的的幅值也也有小幅幅增大（图3.8）。雷

39、达波波传播速速度由孔孔隙度为为零时的的12.91ccm/nns近似似线性地地增加到到孔隙度度为100%时的的13.61ccm/nns，即即孔隙度度每增加加图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%1%，反反射波传传播速度度平均增增大0.54%。介质质等效介介电常数数由孔隙隙度为零零时的55.299减小到到孔隙度度为100%时的的4.886，即即孔隙度度每增加加1%，等等效介电电常数平平均减小小0.88%。不同的观观测参数数相对介介质孔隙隙度变化化的灵敏敏程

40、度也也不一样样。图33.9为不同同观测参参数的灵灵敏度曲曲线。可可以看出出介质的的等效介介电常数数对于介介质孔隙隙度变化化最灵敏敏，反射射波速度度次之，这是因因为介电电常数与与电磁波波传播速速度呈平平方反比比关系。信号的的幅值相相对灵敏敏度较低低，这是是因为信信号幅值值的改变变主要是是因为介介质孔隙隙度的变变化改变变了介质质的等效效介电常常数，从从而改变变了介质质与相邻邻介质间间的反射射和折射射系数，使电磁磁波的传传播发生生改变，但这种种改变是是有限的的。另一一方面，介质孔孔隙度的的存在又又有可能能使雷达达波产生生散射从从而降低低幅值的的信噪比比，因此此实际工工作中若若根据反反射信号号幅值反反

41、演介质质孔隙度度可能较较其它两两个参数数反演精精度低。速度（cm/ns）孔隙度（%）孔隙度 (%)等效介电常数 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（%）灵敏度（dB）反射信号幅值雷达波速度等效介电常数 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2.2 介质含含水率变变化与雷雷达信号号传播特特性关系系介质含水水率变化化对雷达达信号的的影响有有时被认认为是干干扰，有有时又可可被利用用。第一一章中已已经提到到由于水水的特殊殊性质，即具有有高介电电常数和和相对较较大的附附加电导导率，使使

42、电磁波波在含水水介质中中的传播播变得更更加复杂杂，因此此，介质质含水率率模型可可以看作作是均匀匀介质中中加入同同时具有有高介电电常数和和高电导导率“杂质”的模型型。事实实上，介介质中含含水率大大小与介介质孔隙隙度是密密切相关关的。介介质在饱饱和状态态下，孔孔隙度越越大，介介质含水水率越高高。当介介质处于于不饱和和状态时时，介质质中既含含有水也也含有空空气。这这里将计计算两类类模型，模型一一中只考考虑介质质含水率率变化，模型二二中同时时考虑含含水率和和孔隙度度的变化化。2.2.1数值值模拟模模型一设设计数值模型型仍由相相对介电电常数（r）、电电导率（/sm-）横横向均匀匀的三层层介质组组成，其其

43、中第一一层介质质为空气气；模型型及其坐坐标系统统见图33.10。空气天线图3.10模型示意图模型参数：第一层：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=35cm第二层：r25.4，2=0.0(s/m)，厚度h2=10cm第三层：r315.0，3介质中存存在的自自由水可可以看作作是均匀匀介质中中加入一一种同时时具有高高介电常常数和高高电导率率的“杂质”。雷达达波的传传播特性性会随着着“杂质”含量的的多少发发生改变变。为研研究介质质含水率率变化对对雷达信信号传播播的影响响，在第第二层均均匀介质质中加入入一定体体积百分分比，呈呈随机分分布的高高介电常常数、高高电导率率的异常常单元。异常单单元： =

44、 1 * GGB3 所占模模型中剖剖分单元元的体积积百分比比分别为为：2，4，100； = 2 * GB3 由于于水为有有极分子子，在高高频电磁磁场作用用下，水水分子的的驰豫作作用会产产生附加加电导率率；因此此在数值值模拟计计算时，必须考考虑其附附加电导导率对雷雷达波的的影响。依据第第一章提提到的DDebey模模型，在在天线（雷达波波场源）主主频为11GHzz的条件件下，异异常单元元的物性性参数取取：相对介电电常数rr800.1；水自身电电导率为为0.1/ssm-1；驰豫豫作用产产生的附附加电导导率Imm()0.2655/sm-1，并假假设附加加电导率率在雷达达波主频频附近的的小范围围内不随随

45、频率而而改变。 2.2.2模型型正演结结果分析析图3.111为介质含含水率分分别为22%、4%、10%时，通过过天线中中心，分分别平行行电偶极极子极化化方向的的剖面上上t=22.0nns时刻刻电场分分量Exx空间分分布状况况。可见见： = 1 * GB3 随着着含水率率增大，雷达波波场产生生越来越越强的散散射现象象，电场场的背景景“噪声”明显增增强； = 2 * GB3 介质质等效介介电常数数由不含含水时的的5.44，增大大到含水水率为110%时时的9.8（图图3.112），即含含水率每每增加11%，等等效介电电常数平平均增大大7.77%。随着含水水率增大大，雷达达波的传传播速度度明显减减小（

46、图图3.113）。由不不含水时时的122.9ccm/nns近似似线性地地减小到到含水率率为100%时的的9.557cmm/nss，即含水水率每增增加1%反射波波传播速速度平均均减小22.9%。信号号的绝对对幅值则则由不含含水时的的1144.4mv/m减小小到含水水率为110%时时的844.9mmv/mm（图3.14），即含水率率每增加加1%，信信号绝对对幅值平平均减小小1.99%，从而造造成探地地雷达的的有效勘勘探深度度也随之之减小。总之，介介质含水水率的改改变会使使雷达波波的空间间传播特特性发生生强烈改改变。作作为干扰扰源，介介质含水水率的变变化，会会降低探探地雷达达的有效效勘探深深度和对对

47、弱不均均匀体的的空间分分辩能力力；对目目标层（体）埋埋藏深度度的估计计可能出出现偏差差。正因为电电磁波对对介质含含水率变变化如此此灵敏，所以探探地雷达达技术更更适合用用于探测测含水率率分布不不均匀介介质情况况。根据据模型正正演得到到的反射射波传播播速度、幅值及及介质的的等效介介电常数数与介质质含水率率之间的的关系式式可用来来指导探探地雷达达的资料料解释。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%图3.115为不同同观测参参数的灵灵敏度曲曲线。可可以看出出介质

48、的的等效介介电常数数对于介介质含水水率变化化最为灵灵敏；反反射波速速度与信信号幅值值的灵敏敏度相当当。此外，由由于水在在高频电电磁场作作用下能能产生较较强的附附加电导导率，致致使信号号的幅值值随介质质含水率率变化发发生明显显改变；水又具具有较高高的介电电常数使使得电磁磁波的传传播速度度随介质质含水率率的变化化十分敏敏感。但但自然界界中的常常见物质质大都不不具有这这样双重重性质，这也就就为应用用探地雷雷达方法法区分水水与非水水提供了了十分有有利的前前提。速度（cm/ns）含水率 (%)等效介电常数含水率 (%)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信号幅值（

49、v/m）含水率（%）含水率（%）灵敏度（dB）等效介电常数传播速度信号幅值图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2.2.3数值值模拟模模型二设设计模型二是是为了与与物理实实验结果果进行对对比，以以检验数数值模拟拟技术的的有效性性。物理实验验结果取取自法国国作者SS. LLaurren发发表在“Nonn-deestrructtivee Teestiing in Civvil Enggineeeriing 20003”会会议论文文集中的的文章中中。作者者为研究究混凝土土含水率率变化与与介质等等效介电电常数及及雷达波波传播特特性的关关系，进进行了物物理实验验。实验验模

50、型为为立方体体，长和和宽均为为25ccm，高高为7ccm。雷达天线线放在模模型的上上方，天天线主频频为1.5GHHz。模型型的底面面放在一一金属板板上，以以使雷达达波产生生全反射射（图33.166）。实实验结果果得到了了介质等等效介电电常数、传播速速度随介介质含水水率变化化的关系系曲线（图3.17）。根据据实验数数据进行行了CRRIM模模型分析析，在CCRIMM模型中中，介质质固体材材料的介介电常数数取为44.0，孔隙度度取144%。 图3.116 混混凝土实实验模型型（左）及测量量装置（右） 图3.117 实实验结果果图3.118 CCRIMM模型与与实测结结果对比比为了模拟拟上述物物理实验

51、验结果，数值模模型仍由由相对介介电常数数（r）、电电导率（/sm-）横横向均匀匀的三层层介质组组成，其其中第一一层介质质为空气气，第二二层介质质的相对对介电常常数和厚厚度与物物理模型型相同，分别取取r24.22，h2=7cmm，雷达达天线主主频设计计为1.5GHHz，第第三层取取电导率率为无穷穷大，以以模拟金金属板。模型及及其坐标标系统见见图3.19。图3.19模型示意图模型参数：第一层：r11.0，1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm第二层：r24.2，2=0.0(s/m)，厚度h2=7cm第三层：r315.0，3空气天线为研究介介质孔隙隙度及含含水率变变化对雷雷达信号号传播的的影响，孔

52、隙度度及含水水率变化化异常场场的设计计，是在在第二层层均匀介介质中加加入呈随机分分布的异异常单元元： = 1 * GB3 异常常单元所所占模型型剖分单单元的体体积百分分比为14%； = 2 * GB3 异常常单元中中一部分分充填水水，另一一部分充充填空气气，二者者在空间间上均为为随机分分布。填填水单元元所占模模型剖分分单元的的体积百百分比分分别为00，22，44，114，同同时，充充填空气气的异常常单元所所占模型型剖分单单元的体体积百分分比分别别为144，122，2，0。 = 3 * GB3 依据据Debbey模模型，在在天线（雷达波波场源）主主频为11.5GHHz的条条件下，异常单单元的物物

53、性参数数取：相对介电电常数rr800.1；水自身电电导率为为0.1/ssm-1；弛豫作用用产生的的附加电电导率IIm()0.6/sm-1，并假假设附加加电导率率在雷达达波主频频附近的的小范围围内不随随频率而而改变。 图3.220为数数值模型型计算结结果与物物理实验验结果对对比情况况。可以以看出，无论是是反射信信号幅值值，还是是根据速速度换算算出的介介质等效效介电常常数，其其数值模模拟结果果与物理理实验结结果都吻合较较好，特别是是当介质质含水率率较低时时（含水水率小于于6%），两种结结果更为为接近。随着含含水率增增大，介介质的不不均匀程程度增强强，干扰扰程度随随之加大大，计算结结果相对对较分散散

54、。但数数值模拟拟技术能能较好地地计算出出反射信信号幅值值的相对对变化情情况。数值模拟拟结果与与物理模模型实验验结果对对比分析析证明了了数值模模拟技术术的可行行性和有有效性，也说明明了在数数值模拟拟计算中中由于引引入了附附加电导导率，使使其结果果更为合合理。因因此，数数值模拟拟计算技技术可以以作为研研究介质质不均匀匀性对电电磁波传传播特性性影响规规律的有有效手段段。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成果三 开展了了石英砂砂、公路路沥青等等材料的的探地雷雷达检测测含水率

55、率物理模模型实验验。通过过根据物物理实验验结果，分分析了这这些材料料的等效效介电常常数、幅幅值、传传播速度度、频谱谱特征等参参数随介介质含水水率的变变化规律律；用数数值模拟拟方法和和前人的的试验数数据对实实验结果果进行了了检验，证明了了实验结结果的可可靠性，试验结结果表明明应用探探地雷达达技术检检测介质质含水率率是可行行的，其其无损、非接触触、高效效的特性性表现出出其它检检测介质质含水率率的传统统技术所所不具备备的优势势。（2）资资助期间间发表论论文、论论著、报报告及专专利情况况资助期间间发表论论文4篇，完完成研究究报告77部。 = 1 * GB2 Exxperrimeentaal ddete

56、ermiinattionn off buulk dieelecctriic ppropperttiess annd pporoositty oof pporoous aspphallt aand soiils usiing GPRR annd aa cyycliic mmoissturre vvariiatiion tecchniiquee，Geeophhysiics，Voll. 771, No. 4，第三作作者； = 2 * GB2 Sttruccturral feaaturres of thee Cooqenn baasinn inn ceentrral Tibbet by maggnet

57、toteelluuricc soounddingg，Joournnal of Chiina Uniiverrsitty oof GGeosscieencees，VVol.18,Speeciaal IIssuue,第第一作者者； = 3 * GB2 青藏藏高原措措勤盆地地大地电电磁测量量初步结结果，物物化探计计算技术术，20007 年增刊刊，第一一作者； = 4 * GB2 介质质含水率率与探地地雷达信信号关系系数值模模拟研究究，物探探与化探探，Vool.333,NNo.55, 220099第一作作者； = 5 * GB2 羌塘塘盆地石石油地质质走廊大大剖面综综合地质质调查（玉盘湖湖双湖段段）大

58、地地电磁测测深调查查报告，第一作作者； = 6 * GB2 措勤勤盆地石石油地质质走廊大大剖面综综合地质质调查（洞错东东措勤段段）大地地电磁测测深调查查报告，第二作者； = 7 * GB2 羌塘塘盆地龙龙尾湖区区块连续续电磁剖剖面（CCEMPP）测量量成果报报告，第第一作者者； = 8 * GB2 羌塘塘盆地关关键地段段连续电电磁剖面面测量成成果报告告，第一一作者； = 9 * GB2 青藏藏高原石石油地质质调查大大地电磁磁测量综综合研究究报告，第一作作者； = 10 * GB2 青藏藏高原非非地震油油气勘探探方法技技术综合合研究成成果报告告，第三三作者； = 11 * GB2 青藏藏高原油油

59、气资源源战略选选区调查查与评价价成果报报告，主主笔一章章。（3）负负责和参参加相关关科研项项目情况况资助期间间，除完完成资助助课题外外，还承承担了如如下科研研工作。 = 1 * GB2 参加加国家油油气专项项“青藏高高原油气气资源战战略选区区调查与与评价（XQ22004406）”过程中中，负责责完成了了如下专专题： = 1 * GB3 洞错错东措勤石石油地质质走廊大大剖面大大地电磁磁测量（科油20006110号），20006年年，经费费1300万，第第一负责责人； = 2 * GB3 羌塘塘盆地龙龙尾错区区块连续续电磁剖剖面（CCEMPP）测量量（科油油2000615号号），220066年，经

60、经费500万元，第一负负责人； = 3 * GB3 羌塘塘盆地重重点地区区电磁阵阵列剖面面测量（科油20007007号），20007年年，经费费2566万元，第一负负责人； = 4 * GB3 青藏藏高原油油气勘探探方法技技术综合合研究（科油20006113号、科油20007009号、科油20008006号、科油20008007号），20006-20008年，经费3366万万元，第第二负责责人。 = 2 * GB2 国土土资源部部公益性性行业科科研专项项“重要成成矿区带带地球物物理深部部探测与与研究示示范（220088110039）”，20008-20009，总总经费3304万万，第一负负责人