優(yōu)秀青年科技人才計(jì)劃項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告

1、第四章：介質(zhì)含水率與雷達(dá)信號(hào)關(guān)系的物理模型實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)秀青年科科技人才才計(jì)劃項(xiàng)項(xiàng)目總結(jié)結(jié)報(bào)告 項(xiàng)目名稱：介質(zhì)含水率率與探地地雷達(dá)信信號(hào)關(guān)系系研究委托單位：國(guó)土資源部部科技與與國(guó)際合合作司承擔(dān)單位：中國(guó)地質(zhì)科科學(xué)院物物化探研研究所受資助人：方 慧起止時(shí)間：2005年年10月20008年11月國(guó)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(lǐng)領(lǐng)域及資資助研究究項(xiàng)目概概況 PAGEREF _Toc248510098 h 1 HYPERLINK l _Toc248510099 1、研究領(lǐng)領(lǐng)域 PAGEREF _Toc248

2、510099 h 1 HYPERLINK l _Toc248510100 2、資助研研究項(xiàng)目目概況 PAGEREF _Toc248510100 h 1 HYPERLINK l _Toc248510101 二、 研究究領(lǐng)域國(guó)國(guó)內(nèi)外發(fā)發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)和前沿沿 PAGEREF _Toc248510101 h 2 HYPERLINK l _Toc248510102 1、探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc248510102 h 2 HYPERLINK l _Toc248510103 2、測(cè)量物物質(zhì)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(dá)探測(cè)測(cè)物質(zhì)含含水率研研究領(lǐng)域域現(xiàn)狀及及發(fā)展趨趨勢(shì) PAGEREF _Toc248510104 h 4 HYPERLINK l _Toc248510105 三、研究工工作總結(jié)結(jié) PAGEREF _Toc248510105 h 7 HYPERLINK l _Toc248510106 1、研究項(xiàng)項(xiàng)目實(shí)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(diǎn)點(diǎn) PAGEREF _Toc248510107 h 8 HYPERLINK l _Toc2

4、48510108 四、經(jīng)費(fèi)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(duì)對(duì)受資助助者給予予的支持持 PAGEREF _Toc248510110 h 34 HYPERLINK l _Toc248510111 2、單位學(xué)學(xué)術(shù)委員員會(huì)對(duì)受受資助者者研究成成果的評(píng)評(píng)價(jià) PAGEREF _Toc248510111 h 35 HYPERLINK l _Toc248510112 3、對(duì)受資資助者

5、資資助期間間總體工工作情況況的評(píng)價(jià)價(jià) PAGEREF _Toc248510112 h 36 HYPERLINK l _Toc248510113 主要參考文文獻(xiàn) PAGEREF _Toc248510113 h 37主要參考文獻(xiàn)一、研究領(lǐng)領(lǐng)域及資資助研究究項(xiàng)目概概況 1、研究領(lǐng)領(lǐng)域 = 1 * GB2 專業(yè)領(lǐng)領(lǐng)域：勘勘探地球球物理 = 2 * GB2 主要研研究方向向：探地地雷達(dá)在在土壤、建建筑材料料含水率率監(jiān)測(cè)領(lǐng)領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用技術(shù)術(shù)研究2、資助研研究項(xiàng)目目概況 = 1 * GB2 項(xiàng)目名名稱：介介質(zhì)含水水率與探探地雷達(dá)達(dá)信號(hào)關(guān)關(guān)系研究究 = 2 * GB2 起止時(shí)時(shí)間：220055年122月200

6、08年111月 = 3 * GB2 目標(biāo)任任務(wù)：應(yīng)應(yīng)用數(shù)值值模擬技技術(shù)和物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)技術(shù)開開展介質(zhì)質(zhì)含水率率與探地地雷達(dá)信信號(hào)關(guān)系系研究，建建立探地地雷達(dá)測(cè)測(cè)量信號(hào)號(hào)與介質(zhì)質(zhì)含水率率之間準(zhǔn)準(zhǔn)確合理理的數(shù)學(xué)學(xué)關(guān)系模模型，推推動(dòng)探地地雷達(dá)方方法技術(shù)術(shù)進(jìn)步。 = 4 * GB2 主要研研究?jī)?nèi)容容：探地地雷達(dá)三三維正演演技術(shù)研研究；介介質(zhì)含水水率與探探地雷達(dá)達(dá)信號(hào)關(guān)關(guān)系物理理實(shí)驗(yàn)研研究；介介質(zhì)含水水率與探探地雷達(dá)達(dá)信號(hào)關(guān)關(guān)系數(shù)值值模擬研研究。 = 5 * GB2 工作成成果：兩兩年來(lái)，針針對(duì)上述述研究?jī)?nèi)內(nèi)容開展展了較系系統(tǒng)的研究工工作，基基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了設(shè)計(jì)計(jì)的任務(wù)務(wù)目標(biāo)，取取得如下下主要成成果和認(rèn)認(rèn)識(shí)。

7、 = 1 * GB3 利用時(shí)時(shí)間域有有限差分分方法實(shí)實(shí)現(xiàn)了探探地雷達(dá)達(dá)三維正正演計(jì)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(dá)常見見軟件無(wú)無(wú)法模擬擬介質(zhì)孔孔隙度及及含水率率變化的的問題，為為應(yīng)用數(shù)數(shù)值模擬擬技術(shù)開開展介質(zhì)質(zhì)含水率率與探地地雷達(dá)信信號(hào)關(guān)系系問題研研究提供供了有力力工具。 = 2 * GB3 首次應(yīng)應(yīng)用數(shù)值值模擬方方法研究究了在介質(zhì)孔孔隙度及及含水率率發(fā)生變變化時(shí)，對(duì)對(duì)雷達(dá)信信號(hào)傳播播特征的的影響規(guī)規(guī)律。并并與物理理模型實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果果進(jìn)行了了對(duì)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(jié)果，分分析了當(dāng)當(dāng)介質(zhì)的的孔隙度度或含水水率發(fā)

8、生生改變時(shí)時(shí)，介質(zhì)質(zhì)的等效效介電常常數(shù)及雷雷達(dá)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(duì)這些些參數(shù)相相對(duì)介質(zhì)質(zhì)孔隙度度或含水水率變化化的靈敏敏程度進(jìn)進(jìn)行了對(duì)對(duì)比分析析。 = 4 * GB3 在介質(zhì)質(zhì)含水率率數(shù)值模模擬中，不不僅考慮慮了介質(zhì)質(zhì)電導(dǎo)率率的影響響，也考考慮了高高頻電磁磁場(chǎng)條件件下，由由于極化化滯后效效應(yīng)造成成的介電電損耗，并并利用物物理模型型實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果與數(shù)數(shù)值模擬擬結(jié)果的的對(duì)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(shí)驗(yàn)，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(dá)波波頻譜及及傳播速速度等參參數(shù)隨介介質(zhì)含

9、水水率的變變化規(guī)律律。在此此基礎(chǔ)上上，提出出了介質(zhì)質(zhì)含水率率與等效效介電常常數(shù)之間間的數(shù)學(xué)學(xué)關(guān)系式式。這些些數(shù)學(xué)關(guān)關(guān)系模型型，經(jīng)進(jìn)進(jìn)一步實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證后，可可作為探探地雷達(dá)達(dá)檢測(cè)公公路材料料含水性性的基礎(chǔ)礎(chǔ)。二、 研究究領(lǐng)域國(guó)國(guó)內(nèi)外發(fā)發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)和前沿沿1、探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)狀探地雷達(dá)是是一種高高頻電磁磁法。與與探空雷雷達(dá)相似似，探地地雷達(dá)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(zhì)電電磁性質(zhì)質(zhì)不同的的界面處處會(huì)產(chǎn)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(shí)間間、空間間的傳播播特性實(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)測(cè)地下目目標(biāo)體的的空間位位置、規(guī)規(guī)模和物物理性質(zhì)

10、質(zhì)等目的的。探地地雷達(dá)技技術(shù)具有有分辨率率高、無(wú)無(wú)損、高高效等特特點(diǎn)。探地雷達(dá)技技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用最早早可追溯溯到上世世紀(jì)初。早早在19910年年，德國(guó)國(guó)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(yīng)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(shù)幾乎乎消失。直直到19950年年因有飛飛機(jī)失事事掉進(jìn)格格陵蘭島島的冰縫縫中，才才再次采采用探地地雷達(dá)技技術(shù)。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(dá)初初期的應(yīng)應(yīng)用僅限限于波吸吸收很弱弱的冰層層、鹽巖巖礦等介介質(zhì)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(shù)術(shù)的進(jìn)步步，七十十年代以以后，探探地雷達(dá)達(dá)的實(shí)際際應(yīng)用范范圍迅速速擴(kuò)大。119722年更被被阿波羅羅號(hào)宇宙宙飛船帶帶上了月月球(SSimmmonss ett all., 19772)。目前前，探地地雷達(dá)已已廣泛應(yīng)應(yīng)用于工工程勘察察、考古古、環(huán)境境、軍事事等領(lǐng)域域。在儀儀器制造造方面，國(guó)國(guó)際幾大大著名廠廠商相繼繼推出適適于不同同應(yīng)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(hào)號(hào)處理和和正反演演研究等等方面(Olhhoefft, 20000

12、)。每每?jī)赡暾僬匍_一次次的國(guó)際際探地雷雷達(dá)會(huì)議議基本反反映出探探地雷達(dá)達(dá)技術(shù)的的研究及及應(yīng)用現(xiàn)現(xiàn)狀。我國(guó)探地雷雷達(dá)研究究始于七七十年代代初期，原原地質(zhì)礦礦產(chǎn)部物物探研究究所、煤煤炭部煤煤炭科學(xué)學(xué)院等科科研單位位開展過過探地雷雷達(dá)儀器器研制和和野外實(shí)實(shí)驗(yàn)工作作。目前前，我國(guó)國(guó)已有幾幾百家單位擁?yè)碛刑降氐乩走_(dá)設(shè)設(shè)備和有有關(guān)技術(shù)術(shù)人員，行行業(yè)覆蓋蓋地質(zhì)、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(jìn)口儀儀器，也也有少量量國(guó)產(chǎn)儀儀器在銷售和和使用。在在研究方方面主要要是針對(duì)對(duì)信號(hào)處處理技術(shù)術(shù)，少數(shù)數(shù)大學(xué)等等科研機(jī)機(jī)構(gòu)開展展了正反反演方法法研究。2、測(cè)量物物質(zhì)含水水率的

13、主主要方法法及存在在問題實(shí)際生活中中，常常常需要研研究或了了解天然然物質(zhì)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(shí)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(zhì)災(zāi)災(zāi)害預(yù)防防，海侵侵程度監(jiān)監(jiān)測(cè)，凍凍土層調(diào)調(diào)查，賦賦水層位位的確定定，公路路、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)跑道危危險(xiǎn)隱患患調(diào)查，建建筑地基基狀況的的評(píng)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(biāo)。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(píng)評(píng)價(jià)材料料質(zhì)量的的重要指指標(biāo)之一一。如瀝瀝青是一一種廣泛泛用于鋪鋪設(shè)公路路路面的的材料，影影響瀝青青公路質(zhì)質(zhì)量的一一個(gè)重要要指標(biāo)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(huì)嚴(yán)嚴(yán)重影響響瀝青材材料的整整體物理理性質(zhì)，進(jìn)進(jìn)而造成成材料質(zhì)質(zhì)量發(fā)生生變化。目前，檢測(cè)物質(zhì)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(shí)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(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，有些方法測(cè)量精度很高。但這些方法普遍存在如下缺點(diǎn)：一是只能采用定點(diǎn)測(cè)量方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間上的連續(xù)測(cè)量，若開展大面積測(cè)量，成本較高；二是測(cè)量結(jié)果受采集樣品或測(cè)量探頭附近物質(zhì)的含水狀態(tài)影響較大，其測(cè)量結(jié)果有時(shí)不能準(zhǔn)確代表物質(zhì)整體含水情況；三是有些方法要求測(cè)量探頭埋設(shè)在測(cè)量物質(zhì)中，因此只能

15、適用于土壤等非固結(jié)物質(zhì)，無(wú)法對(duì)瀝青、混凝土等建筑材料的含水情況進(jìn)行檢測(cè)；四是需要采樣測(cè)試的方法會(huì)對(duì)檢測(cè)物質(zhì)造成一定程度的破壞。因此，研究精確、高效、無(wú)損的探測(cè)技術(shù)正在成為上述領(lǐng)域的需要。3、探地雷雷達(dá)探測(cè)測(cè)物質(zhì)含含水率研研究領(lǐng)域域現(xiàn)狀及及發(fā)展趨趨勢(shì)目前，探地地雷達(dá)的的應(yīng)用還還主要集集中在探探測(cè)目標(biāo)標(biāo)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(shè)設(shè)目標(biāo)體體及其周圍圍介質(zhì)是是均勻的的，然而事事實(shí)上，大大自然中中常見物物質(zhì)，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(zhì)的電電磁性質(zhì)質(zhì)既取決決于物質(zhì)質(zhì)組成成成分的物物理性質(zhì)質(zhì)，也受受

16、物質(zhì)的的結(jié)構(gòu)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(nèi)并并非處處處相同，因因此天然然物質(zhì)存存在著不不均勻性性，雷達(dá)達(dá)波在其其中的傳傳播特性性會(huì)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(huì)改改變物質(zhì)質(zhì)的電導(dǎo)導(dǎo)率，更更會(huì)改變變物質(zhì)整整體介電電常數(shù)。因此，物物質(zhì)的含含水狀況況對(duì)雷達(dá)達(dá)波的傳傳播速度度和能量量損耗都都會(huì)產(chǎn)生生很大影影響，使使雷達(dá)波波在介質(zhì)質(zhì)中的傳傳播特性性對(duì)介質(zhì)質(zhì)含水率率的變化化十分敏敏感，因因此應(yīng)用用探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)探測(cè)物物質(zhì)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(yīng)用用探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)探測(cè)介介質(zhì)含水水率的變變化情況況。重要要的是，相對(duì)上述幾種檢測(cè)物質(zhì)含水率的常見方法，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)測(cè)量介質(zhì)含水率變化情況具有如下主要優(yōu)點(diǎn)： = 1 * GB3 與測(cè)量量介質(zhì)非非接觸。因因此既可可以應(yīng)用用于土壤壤等非固固結(jié)狀物物質(zhì)，也也可以應(yīng)應(yīng)用于巖巖石、瀝瀝青、混混凝土等等固結(jié)狀狀物質(zhì)，且且不會(huì)對(duì)對(duì)介質(zhì)造造成任何何破壞，是是真正的的無(wú)損檢檢測(cè)； = 2 * GB3 現(xiàn)代雷雷達(dá)提供供了高密密度采樣樣測(cè)量方方式，因因此可以以對(duì)測(cè)量量介質(zhì)實(shí)實(shí)現(xiàn)空間間或時(shí)間間上連續(xù)續(xù)測(cè)量，相相對(duì)傳統(tǒng)統(tǒng)的定點(diǎn)點(diǎn)測(cè)量方方式，更更能準(zhǔn)確確地對(duì)介介質(zhì)整體體含水狀狀況進(jìn)行行評(píng)估。 = 3 * GB

18、33 探地地雷達(dá)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(shí)對(duì)地地下不同同物質(zhì)層層（如路路基不同同基層）同同時(shí)進(jìn)行行檢測(cè)，且且可以同同時(shí)對(duì)不不同層位位的含水水情況分分別進(jìn)行行評(píng)估； = 4 * GB3 測(cè)量效效率高。如如采用車車載雷達(dá)達(dá)，可以以50公公里/小小時(shí)的速速度進(jìn)行行測(cè)量，因因此更適適合開展展大范圍圍的監(jiān)測(cè)測(cè)。正是因?yàn)樘教降乩走_(dá)達(dá)技術(shù)具具有上述述優(yōu)勢(shì)，應(yīng)應(yīng)用探地地雷達(dá)檢檢測(cè)介質(zhì)質(zhì)含水率率成為近近年來(lái)探探地雷達(dá)達(dá)技術(shù)新新的研究究方向。然而，介介質(zhì)含水水率的變變化與雷雷達(dá)波的的傳播特特性之間間的關(guān)系系十分復(fù)復(fù)雜，需需要通過過

19、開展理理論和實(shí)實(shí)驗(yàn)研究究建立起起兩者之之間的定定量關(guān)系系，才能能使探地地雷達(dá)技技術(shù)真正正應(yīng)用于于探測(cè)物物質(zhì)含水水率這一一領(lǐng)域。在這一方方面已有有一些學(xué)學(xué)者開展展了相關(guān)關(guān)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(chǎng)場(chǎng)作用下下水的極極化特性性表現(xiàn)出出較強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(guān)系系式：（2.1）實(shí)踐證明上上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)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(guān)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(guān)關(guān)系可以以用如下下CRIIM （Commpleex RRefrracttion

21、n Inndexx Moodell）模型來(lái)來(lái)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(chǎng)方向和土壤構(gòu)造的相對(duì)關(guān)系有關(guān)。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(guān)關(guān)系，這這些關(guān)系系式在測(cè)測(cè)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(zhì)質(zhì)的含水水率與介介質(zhì)介電電常數(shù)之之間的關(guān)關(guān)系。在其它介質(zhì)質(zhì)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(dá)信號(hào)號(hào)之間的的關(guān)系，討論了了雷達(dá)信信號(hào)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(guān)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(guān)系，研研究表明明：在干干燥條件件下，介介質(zhì)孔隙隙度的變變化對(duì)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(zhì)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(yīng)用方面面，美國(guó)國(guó)在應(yīng)用用探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)監(jiān)測(cè)葡葡萄園土土壤水分分狀況方方面取得得了很好好的應(yīng)用用效果；一些國(guó)國(guó)家在應(yīng)應(yīng)用探地地雷達(dá)技技術(shù)監(jiān)測(cè)測(cè)高速公公路路基基含水情情況方面面也開展展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)和實(shí)際際應(yīng)用工工作。從國(guó)內(nèi)刊物物發(fā)表的的文章看看，國(guó)內(nèi)內(nèi)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(dá)測(cè)井井儀，巧巧妙地利利用了雷雷達(dá)探測(cè)測(cè)技術(shù), 可將將原油持持水率的的測(cè)量范范圍擴(kuò)大大到01000% ,測(cè)量精精度達(dá)11% ,有效地地解決了了油田高高含水率率生產(chǎn)的的測(cè)量問問題。在其它方面面，如能能否應(yīng)用用數(shù)值模模擬技術(shù)術(shù)研究介介質(zhì)含水水率變化化與雷達(dá)達(dá)信號(hào)之之間的關(guān)關(guān)系，以以及其它它因素如如環(huán)境溫溫度、介介質(zhì)孔隙隙的大小小等因素素對(duì)測(cè)量量結(jié)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(zhì)含含水率與與探地雷雷達(dá)信號(hào)號(hào)之間的的關(guān)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(jìn)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(jié)果果與物理理模擬結(jié)結(jié)果會(huì)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(zhǔn)確地地反映特特定環(huán)境境下物質(zhì)質(zhì)含水率率變化對(duì)對(duì)雷達(dá)波波的影響響規(guī)律，對(duì)對(duì)探地雷雷達(dá)資料料精確解解釋是必必不可少少的，因因此后者者應(yīng)用較較為普遍遍。雖然然，探地地雷達(dá)數(shù)數(shù)值模擬擬技術(shù)最最近十年年得到了較大發(fā)發(fā)展，國(guó)國(guó)際上一一些大學(xué)學(xué)如荷蘭蘭Dellft理理工大學(xué)學(xué)、美國(guó)國(guó)俄亥俄俄州立大大學(xué)、科科羅拉多多礦業(yè)學(xué)學(xué)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(fèi)費(fèi)二、三三維正演演軟件出出現(xiàn)。國(guó)國(guó)內(nèi)中國(guó)國(guó)礦業(yè)大大學(xué)等科科研機(jī)構(gòu)構(gòu)

25、也有學(xué)學(xué)者開展展了數(shù)值值模擬技技術(shù)研究究。但是是，在數(shù)數(shù)值模擬擬研究領(lǐng)領(lǐng)域，除除算法研研究外，應(yīng)應(yīng)用研究究主要集集中在研研究均勻勻介質(zhì)中中局部不不均勻體體的響應(yīng)應(yīng)，雷達(dá)達(dá)天線極極化特性性，介質(zhì)質(zhì)頻散特特性等方方面。由由于這些些研究中中都假設(shè)設(shè)介質(zhì)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(zhì)質(zhì)不均勻勻變化，也也就難以以直接用用來(lái)模擬擬介質(zhì)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(shù)研研究介質(zhì)質(zhì)含水率率變化對(duì)對(duì)雷達(dá)波波的傳播播特性影影響規(guī)律律等方面面的報(bào)道道?？傊瑧?yīng)用用探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)可以對(duì)對(duì)大規(guī)模模的測(cè)量量介質(zhì)無(wú)無(wú)損、高高效、低低成本地地實(shí)現(xiàn)橫橫向與縱縱向空間間連續(xù)觀觀測(cè)，是

26、是近年來(lái)來(lái)探地雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)研究的的新方向向。但是，在建立立探地雷雷達(dá)信號(hào)號(hào)與介質(zhì)質(zhì)含水率率之間的的定量關(guān)關(guān)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(shí)實(shí)驗(yàn)；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(jì)計(jì)算軟件件。三、研究工工作總結(jié)結(jié)1、研究項(xiàng)項(xiàng)目實(shí)施施情況根據(jù)合同要要求，按按計(jì)劃全全面開展展了研究究工作，主要包括探地雷達(dá)三維正演技術(shù)研究；介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系物理實(shí)驗(yàn)研究；介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系數(shù)值模擬研究等研究?jī)?nèi)容，全面完成了合同規(guī)定的研究任務(wù)。完成的主要工作量包括： = 1 * GB3 研制一一套探地地雷達(dá)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(dá)檢檢測(cè)含水水率的物理理模型試試驗(yàn)； = 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(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)數(shù)值計(jì)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(xué)學(xué)關(guān)系式式。2、研究工工作取得得的主要要成果和和創(chuàng)新點(diǎn)點(diǎn) （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(shí)間間域有限限差分法法實(shí)現(xiàn)了了探地雷雷達(dá)三維維正演計(jì)計(jì)算，研研制了一套探探地雷達(dá)達(dá)三維正正演軟件件，解決決了目前前探地雷雷達(dá)常見見軟件無(wú)無(wú)法模擬擬介質(zhì)孔孔隙度、含水率變化的問題，

28、為應(yīng)用數(shù)值模擬方法開展介質(zhì)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(zhì)內(nèi)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(zhì)質(zhì)含水率率數(shù)值模模擬時(shí)，要要求正演演程序要要能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)均勻介介質(zhì)中隨隨機(jī)分布布有不同同比例的的自由水水或空氣氣等“雜質(zhì)”，而目前前常見的的正演軟軟件均假假設(shè)介質(zhì)質(zhì)是均勻勻的，無(wú)無(wú)法模擬擬介質(zhì)含含水狀態(tài)態(tài)，要應(yīng)應(yīng)用數(shù)值值模擬技技術(shù)研究究介質(zhì)含含水率與與探地雷雷達(dá)信號(hào)號(hào)關(guān)系，首首先要研研制一套套合適的的探地雷雷達(dá)三維維正演軟軟件。1.1 基基本理論論實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(dǎo)電介質(zhì)質(zhì)中，對(duì)對(duì)于單色色電磁波波，利用用，的關(guān)系系及場(chǎng)矢矢量、，很容容易推導(dǎo)導(dǎo)出頻率率域波動(dòng)動(dòng)方程的的解為 (3.5)其中k和ss與介質(zhì)質(zhì)物性參參數(shù)和電電磁波頻頻率有關(guān)關(guān)。值得得指出的的是，水水分子在在交變電電場(chǎng)情況況下容易易被極化化，偶極極距隨交交變電場(chǎng)場(chǎng)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(shí)時(shí)間（馳馳豫時(shí)間間），出出現(xiàn)極化化滯后現(xiàn)現(xiàn)象，即即電場(chǎng)和和感應(yīng)偶偶極矩之之間出現(xiàn)現(xiàn)了相位位差，這這時(shí)水的的介電常常數(shù)實(shí)際際為復(fù)數(shù)數(shù)，即：，此時(shí)時(shí)，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(zhì)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(shí)部部為介質(zhì)質(zhì)的固有有極化，虛虛部為介介電損耗耗，并與與導(dǎo)電率率合并成成為介質(zhì)質(zhì)的有效效導(dǎo)電率率。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)表明介介電常數(shù)數(shù)的實(shí)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(lái)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(zhì)的的介電常常數(shù)，為為弛豫頻頻率。對(duì)對(duì)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(jì)算算出當(dāng)雷雷達(dá)波頻頻率為11GHzz時(shí)，由由于水分分子的遲遲豫作用用產(chǎn)生的的附加電電導(dǎo)率約約為0.2655s/mm，這與與自然狀狀態(tài)下常常見物質(zhì)質(zhì)的電導(dǎo)導(dǎo)率在同同一量級(jí)級(jí)或更高高一些，因因此在介介質(zhì)含水水率模型型正演計(jì)計(jì)算中，必必須考慮慮水分子子所產(chǎn)生生的附加加電導(dǎo)率率的影響響。1.2 數(shù)數(shù)值模擬擬的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)探地雷達(dá)三三維正演演計(jì)算最最常采用用的方法法是時(shí)間間域有限限差分法法。時(shí)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(duì)對(duì)麥克斯斯韋方程程進(jìn)行離離散化的的簡(jiǎn)單實(shí)實(shí)用技術(shù)術(shù)。Yeee巧妙妙地在剖剖分

32、單元元內(nèi)使電電場(chǎng)分量量與磁場(chǎng)場(chǎng)分量在在時(shí)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(shí)間間變量的的麥克斯斯韋旋度度方程離離散以后后構(gòu)成顯顯式差分分方程，從從而可以以在時(shí)間間上迭代代求解，而而不需要要進(jìn)行矩矩陣求逆逆運(yùn)算。由由給定相相應(yīng)電磁磁問題的的初始值值，應(yīng)用用時(shí)間域域有限差差分法就就可以逐逐步推進(jìn)進(jìn)地求得得以后各各個(gè)時(shí)刻刻空間電電磁場(chǎng)的的分布。具體計(jì)算流流程如下下：設(shè)計(jì)正演模型：設(shè)計(jì)正演模型：計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定發(fā)射天線位置、長(zhǎng)度及極化方向設(shè)定發(fā)射天線位置、長(zhǎng)度及極化方向設(shè)定發(fā)射脈沖信號(hào)為

33、計(jì)算空間各單元電場(chǎng)分量賦初始值為計(jì)算空間各單元電場(chǎng)分量賦初始值根據(jù)各單元電場(chǎng)值計(jì)算各單元磁場(chǎng)值根據(jù)各單元電場(chǎng)值計(jì)算各單元磁場(chǎng)值根據(jù)各單元磁場(chǎng)值計(jì)算各單元下一時(shí)間步長(zhǎng)的電場(chǎng)值根據(jù)各單元磁場(chǎng)值計(jì)算各單元下一時(shí)間步長(zhǎng)的電場(chǎng)值應(yīng)用吸收邊界條件計(jì)算邊界上的電場(chǎng)值應(yīng)用吸收邊界條件計(jì)算邊界上的電場(chǎng)值根據(jù)發(fā)射脈沖信號(hào)設(shè)置下一時(shí)間步長(zhǎng)發(fā)射天線的電場(chǎng)值根據(jù)發(fā)射脈沖信號(hào)設(shè)置下一時(shí)間步長(zhǎng)發(fā)射天線的電場(chǎng)值是是是否完成設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)？否是否完成設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)？否輸出數(shù)據(jù)文件輸出數(shù)據(jù)文件結(jié)束結(jié)束1.3 數(shù)數(shù)值計(jì)算算結(jié)果檢檢驗(yàn)根據(jù)電磁場(chǎng)場(chǎng)理論可可以推導(dǎo)導(dǎo)出球坐坐標(biāo)系下下描述自自由空間間中電偶偶極子輻輻射場(chǎng)時(shí)時(shí)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(hào)選選為高斯斯脈沖，其其函數(shù)的的時(shí)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(shí)時(shí)刻，如如圖3.1所所示，實(shí)實(shí)際計(jì)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(chǎng)的的解析解解和時(shí)間間域有限限差分法法三維正正演對(duì)比比結(jié)果。圖3.1高斯脈沖信號(hào)對(duì)比結(jié)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(jié)結(jié)果顯示示在信號(hào)號(hào)晚時(shí)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(yīng)應(yīng)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(hào)解析解解析解幅值(v/m)時(shí)間（幅值(v/m)時(shí)間（ns）解析解數(shù)值解時(shí)間（ns時(shí)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(jì)算結(jié)果圖3.2 天線下方10厘米處數(shù)值解和解析解計(jì)算結(jié)果成果二 首首次應(yīng)用用數(shù)值模模擬方法法進(jìn)行了了介質(zhì)孔孔隙度及及含水率率變化對(duì)對(duì)雷達(dá)信信號(hào)傳播播特征影影響規(guī)律律的研究究。在介介質(zhì)含水水率數(shù)值值模擬中中，不僅僅考慮了了介質(zhì)電電導(dǎo)率的的影響，也也考慮了了高頻電電磁場(chǎng)條條件下，由由于極化化滯后效效應(yīng)造成成的介電電損耗，并并利用物物理模型型實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果

36、與數(shù)數(shù)值模擬擬結(jié)果的的對(duì)比分分析，證證明了這這種思路路的合理理性。研研究結(jié)果果表明應(yīng)應(yīng)用數(shù)值值模擬方方法研究究介質(zhì)孔孔隙度及及含水率率的變化化對(duì)探地地雷達(dá)信信號(hào)傳播播特性的影影響規(guī)律律是可行行的。2.1介質(zhì)質(zhì)孔隙度度變化與與雷達(dá)信信號(hào)傳播播特性關(guān)關(guān)系2.1.11數(shù)值模模擬模型型設(shè)計(jì)： 數(shù)值模擬模模型由相相對(duì)介電電常數(shù)（r）、電導(dǎo)率（/sm-）橫向均勻的三層介質(zhì)組成，其中第一層介質(zhì)為空氣；模型及其坐標(biāo)系統(tǒng)見圖3.4，即：各層介質(zhì)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(dá)波場(chǎng)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(zhì)質(zhì)孔隙度度變化對(duì)對(duì)雷達(dá)信信號(hào)傳播播的影響響： 在第第二層介介質(zhì)中加加入隨機(jī)機(jī)分布，相相對(duì)介電電常數(shù)rr1.0、電電導(dǎo)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(jié)果果分析介質(zhì)的孔隙隙可看作作均勻介介質(zhì)中加加入具有有另一種種介電常常數(shù)的“雜質(zhì)”。雷達(dá)達(dá)波的傳傳播特性性會(huì)隨著著“雜質(zhì)”含量的的多少發(fā)發(fā)生改變變。圖3.5為為介質(zhì)孔孔隙度分分別為22%、4%、10%時(shí)，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(shí)刻刻電場(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)的背景景“噪聲”明顯增增強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果表表明：隨隨著介質(zhì)質(zhì)孔隙度度增大

39、，由于孔隙內(nèi)充填的空氣使介質(zhì)的等效介電常數(shù)減?。▓D3.6），雷達(dá)波傳播速度增大（圖3.7），反射信號(hào)的走時(shí)明顯減小，信號(hào)的幅值也有小幅增大（圖3.8）。雷達(dá)波傳播速度由孔隙度為零時(shí)的12.91cm/ns近似線性地增加到孔隙度為10%時(shí)的13.61cm/ns，即孔隙度每增加圖圖3.5 t=2.0ns時(shí)孔隙度不同的介質(zhì)中垂直電偶極子方向電場(chǎng)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(zhì)等效效介電常常數(shù)由孔孔隙度為為零時(shí)的的5.229減小小到孔隙隙度為110%時(shí)時(shí)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(cè)測(cè)參數(shù)相相對(duì)介質(zhì)質(zhì)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(cè)參參數(shù)的靈靈敏度曲曲線?？煽梢钥闯龀鼋橘|(zhì)的的等效介介電常數(shù)數(shù)對(duì)于介介質(zhì)孔隙隙度變化化最靈敏敏，反射射波速度度次之，這這是因?yàn)闉榻殡姵３?shù)與電電磁波傳傳播速度度呈平方方反比關(guān)關(guān)系。信信號(hào)的幅幅值相對(duì)對(duì)靈敏度度較低，這這是因?yàn)闉樾盘?hào)幅幅值的改改變主要要是因?yàn)闉榻橘|(zhì)孔孔隙度的的變化改改變了介介質(zhì)的等等效介電電常數(shù)，從從而改變變了介質(zhì)質(zhì)與相鄰鄰介質(zhì)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(zhì)

41、質(zhì)孔隙度度的存在在又有可可能使雷雷達(dá)波產(chǎn)產(chǎn)生散射射從而降降低幅值值的信噪噪比，因因此實(shí)際際工作中中若根據(jù)據(jù)反射信信號(hào)幅值值反演介介質(zhì)孔隙隙度可能能較其它它兩個(gè)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(dá)波傳播速度隨孔隙度變化曲線圖3.6介質(zhì)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(hào)幅值雷達(dá)波速度等效介電常數(shù) 孔隙度（%）靈敏度（dB）反射信號(hào)幅值雷達(dá)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(cè)參數(shù)隨孔隙度變化靈敏度

42、曲線2.2 介介質(zhì)含水水率變化化與雷達(dá)達(dá)信號(hào)傳傳播特性性關(guān)系介質(zhì)含水率率變化對(duì)對(duì)雷達(dá)信信號(hào)的影影響有時(shí)時(shí)被認(rèn)為為是干擾擾，有時(shí)時(shí)又可被被利用。第第一章中中已經(jīng)提提到由于于水的特特殊性質(zhì)質(zhì)，即具具有高介介電常數(shù)數(shù)和相對(duì)對(duì)較大的的附加電電導(dǎo)率，使使電磁波波在含水水介質(zhì)中中的傳播播變得更更加復(fù)雜雜，因此此，介質(zhì)質(zhì)含水率率模型可可以看作作是均勻勻介質(zhì)中中加入同同時(shí)具有有高介電電常數(shù)和和高電導(dǎo)導(dǎo)率“雜質(zhì)”的模型型。事實(shí)實(shí)上，介介質(zhì)中含含水率大大小與介介質(zhì)孔隙隙度是密密切相關(guān)關(guān)的。介介質(zhì)在飽飽和狀態(tài)態(tài)下，孔孔隙度越越大，介介質(zhì)含水水率越高高。當(dāng)介介質(zhì)處于于不飽和和狀態(tài)時(shí)時(shí)，介質(zhì)質(zhì)中既含含有水也也含有空空氣

43、。這這里將計(jì)計(jì)算兩類類模型，模模型一中中只考慮慮介質(zhì)含含水率變變化，模模型二中中同時(shí)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(shè)計(jì)計(jì)數(shù)值模型仍仍由相對(duì)對(duì)介電常常數(shù)（r）、電電導(dǎo)率（/sm-）橫向均勻的三層介質(zhì)組成，其中第一層介質(zhì)為空氣；模型及其坐標(biāo)系統(tǒng)見圖3.10。空氣天線空氣天線圖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(zhì)中存在在的自由由水可以以看作是是均勻介介質(zhì)中加加入一種種同時(shí)具具有高介介電常數(shù)數(shù)和高電電導(dǎo)率的的“雜質(zhì)”。雷達(dá)達(dá)波的傳

44、傳播特性性會(huì)隨著著“雜質(zhì)”含量的的多少發(fā)發(fā)生改變變。為研研究介質(zhì)質(zhì)含水率率變化對(duì)對(duì)雷達(dá)信信號(hào)傳播播的影響響，在第第二層均均勻介質(zhì)質(zhì)中加入入一定體體積百分分比，呈呈隨機(jī)分分布的高高介電常常數(shù)、高高電導(dǎo)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(chǎng)作作用下，水水分子的的馳豫作作用會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生附加加電導(dǎo)率率；因此此在數(shù)值值模擬計(jì)計(jì)算時(shí)，必必須考慮慮其附加加電導(dǎo)率率對(duì)雷達(dá)達(dá)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(dá)波場(chǎng)場(chǎng)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?duì)介電常常數(shù)r800.1；水自身電導(dǎo)導(dǎo)率為0.11/sm-1；馳豫豫作用產(chǎn)產(chǎn)生的附附加電導(dǎo)導(dǎo)率Imm()0.2655/sm-1，并假假設(shè)附加加電導(dǎo)率率在雷達(dá)達(dá)波主頻頻附近的的小范圍圍內(nèi)不隨隨頻率而而改變。 2.2.22模型正正演結(jié)果果分析圖3.111為介質(zhì)含含水率分分別為22%、4%、10%時(shí)，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(shí)刻刻電場(chǎng)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(dá)波場(chǎng)場(chǎng)產(chǎn)生越越來(lái)越強(qiáng)強(qiáng)的散射射現(xiàn)象，電電場(chǎng)的背背景“噪聲”明顯增增強(qiáng)； = 2 *

46、GB3 介質(zhì)等等效介電電常數(shù)由由不含水水時(shí)的55.4，增增大到含含水率為為10%時(shí)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(dá)達(dá)波的傳傳播速度度明顯減減小（圖圖3.113）。由不不含水時(shí)時(shí)的122.9ccm/nns近似似線性地地減小到到含水率率為100%時(shí)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(hào)號(hào)的絕對(duì)對(duì)幅值則則由不含含水時(shí)的的1144.4mv/m減小小到含水水率為110%時(shí)時(shí)的844.9mmv/mm（圖3.14），即含水率率每增加加1%，信信號(hào)絕對(duì)對(duì)幅值平平均減小

47、小1.99%，從而造造成探地地雷達(dá)的的有效勘勘探深度度也隨之之減小?？傊?，介質(zhì)質(zhì)含水率率的改變變會(huì)使雷雷達(dá)波的的空間傳傳播特性性發(fā)生強(qiáng)強(qiáng)烈改變變。作為為干擾源源，介質(zhì)質(zhì)含水率率的變化化，會(huì)降降低探地地雷達(dá)的的有效勘勘探深度度和對(duì)弱弱不均勻勻體的空空間分辯辯能力；對(duì)目標(biāo)標(biāo)層（體體）埋藏藏深度的的估計(jì)可可能出現(xiàn)現(xiàn)偏差。正因?yàn)殡姶糯挪▽?duì)介介質(zhì)含水水率變化化如此靈靈敏，所所以探地地雷達(dá)技技術(shù)更適適合用于于探測(cè)含含水率分分布不均均勻介質(zhì)質(zhì)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(zhì)質(zhì)的等效效介電常常數(shù)與介介質(zhì)含水水率之間間的關(guān)系系式可用用來(lái)指導(dǎo)導(dǎo)探地雷雷達(dá)的資資料解釋釋。圖圖3.11

48、 t=2.0ns時(shí)含水率不同的介質(zhì)中垂直電偶極子方向剖面電場(chǎng)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(cè)參參數(shù)的靈靈敏度曲曲線?？煽梢钥闯龀鼋橘|(zhì)的的等效介介電常數(shù)數(shù)對(duì)于介介質(zhì)含水水率變化化最為靈靈敏；反反射波速速度與信信號(hào)幅值值的靈敏敏度相當(dāng)當(dāng)。此外，由于于水在高高頻電磁磁場(chǎng)作用用下能產(chǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)強(qiáng)的附加加電導(dǎo)率率，致使使信號(hào)的的幅值隨隨介質(zhì)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(zhì)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(zhì)大大都不具具有這

49、樣樣雙重性性質(zhì)，這這也就為為應(yīng)用探探地雷達(dá)達(dá)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(dá)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(hào)幅值（信號(hào)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(hào)幅值信號(hào)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(cè)量參數(shù)靈敏度曲線2.2.33數(shù)值模模擬模型型二設(shè)計(jì)計(jì)模型二是為為了與物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)進(jìn)行對(duì)比比，以檢檢驗(yàn)數(shù)值值模擬技技術(shù)的有有效性。物理實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果取自自法國(guó)作作者S. Laa

50、ureen發(fā)表表在“Nonn-deestrructtivee Teestiing in Civvil Enggineeeriing 20003”會(huì)會(huì)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(zhì)等等效介電電常數(shù)及及雷達(dá)波波傳播特特性的關(guān)關(guān)系，進(jìn)進(jìn)行了物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑闉榱⒎襟w體，長(zhǎng)和和寬均為為25ccm，高高為7ccm。雷達(dá)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(dá)達(dá)波產(chǎn)生生全反射射（圖33.166）。實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果果得到了了介質(zhì)等等效介電電常數(shù)、傳傳播速度度隨介質(zhì)質(zhì)含水率率變化的的關(guān)系曲曲線（圖圖3.117）

51、。根根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行了CCRIMM模型分分析，在在CRIIM模型型中，介介質(zhì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄗ笞螅┘皽y(cè)測(cè)量裝置置（右） 圖3.177 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果圖3.188 CRRIM模模型與實(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果果對(duì)比為了模擬上上述物理理實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果，數(shù)數(shù)值模型型仍由相相對(duì)介電電常數(shù)（r）、電導(dǎo)率（/sm-）橫向均勻的三層介質(zhì)組成，其中第一層介質(zhì)為空氣，第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和厚度與物理模型相同，分別取r24.2，h2=7cm，雷達(dá)天線主頻設(shè)計(jì)為1.5GHz，第三層取電導(dǎo)率為無(wú)窮大，以模擬金屬板。模型及其坐標(biāo)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(zhì)質(zhì)孔隙度度及含水水率變化化對(duì)雷達(dá)達(dá)信號(hào)傳傳播的影影響，孔孔隙度及及含水率率變化異異常場(chǎng)的的設(shè)計(jì)，是是在第二二層均勻勻介質(zhì)中中加入呈呈隨機(jī)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(jī)機(jī)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(shí)，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(dá)波場(chǎng)場(chǎng)源）主主頻為11.5GHHz的條條件下，異常單元的物性參數(shù)?。合鄬?duì)介電常常數(shù)r800.1；水自身電導(dǎo)導(dǎo)率為0.11/sm-1；弛豫作用用產(chǎn)生的的附加電電導(dǎo)率IIm()0.6/sm-1，并假假設(shè)附加加電導(dǎo)率率在雷達(dá)達(dá)波主頻頻附近的的小范圍圍內(nèi)不隨隨頻率而而改變。 圖3.200為數(shù)值值模型計(jì)計(jì)算結(jié)果果與物理理實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果對(duì)比比情況?？煽梢钥闯龀觯瑹o(wú)論論是反射射信號(hào)幅幅值，還還是根據(jù)據(jù)速

54、度換換算出的的介質(zhì)等等效介電電常數(shù)，其其數(shù)值模模擬結(jié)果果與物理理實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果都吻合較較好，特別是是當(dāng)介質(zhì)質(zhì)含水率率較低時(shí)時(shí)（含水水率小于于6%），兩兩種結(jié)果果更為接接近。隨隨著含水水率增大大，介質(zhì)質(zhì)的不均均勻程度度增強(qiáng)，干干擾程度度隨之加加大，計(jì)算結(jié)結(jié)果相對(duì)對(duì)較分散散。但數(shù)數(shù)值模擬擬技術(shù)能能較好地地計(jì)算出出反射信信號(hào)幅值值的相對(duì)對(duì)變化情情況。數(shù)值模擬結(jié)結(jié)果與物物理模型型實(shí)驗(yàn)結(jié)結(jié)果對(duì)比比分析證證明了數(shù)數(shù)值模擬擬技術(shù)的的可行性性和有效效性，也也說(shuō)明了了在數(shù)值值模擬計(jì)計(jì)算中由由于引入入了附加加電導(dǎo)率率，使其其結(jié)果更更為合理理。因此此，數(shù)值值模擬計(jì)計(jì)算技術(shù)術(shù)可以作作為研究究介質(zhì)不不均勻性性對(duì)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(hào)幅值相對(duì)改變量（dB）物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算曲線圖3.20圖3.20 物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比含水率（%）物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算曲線介質(zhì)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(dá)檢檢測(cè)含水水率物理理模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)。通過過根據(jù)物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)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(zhì)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(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果果進(jìn)行了了檢驗(yàn)，證證明了實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果果的可靠靠性，試試驗(yàn)結(jié)果果表明應(yīng)應(yīng)用探地地雷達(dá)技技術(shù)檢測(cè)測(cè)介質(zhì)含含水率

56、是是可行的的，其無(wú)無(wú)損、非非接觸、高高效的特特性表現(xiàn)現(xiàn)出其它它檢測(cè)介介質(zhì)含水水率的傳傳統(tǒng)技術(shù)術(shù)所不具具備的優(yōu)優(yōu)勢(shì)。（2）資助助期間發(fā)發(fā)表論文文、論著著、報(bào)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(bào)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(cè)量初初步結(jié)果果，物化化探計(jì)

58、算算技術(shù)，2007 年增刊，第一作者； = 4 * GB2 介質(zhì)含含水率與與探地雷雷達(dá)信號(hào)號(hào)關(guān)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(zhì)走走廊大剖剖面綜合合地質(zhì)調(diào)調(diào)查（玉玉盤湖雙湖段段）大地地電磁測(cè)測(cè)深調(diào)查查報(bào)告，第第一作者者； = 6 * GB2 措勤盆盆地石油油地質(zhì)走走廊大剖剖面綜合合地質(zhì)調(diào)調(diào)查（洞洞錯(cuò)東措勤段段）大地地電磁測(cè)測(cè)深調(diào)查查報(bào)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(cè)測(cè)量成果果報(bào)告，第第一作者者； = 8 * GB2 羌塘盆盆地關(guān)鍵鍵地段連連

59、續(xù)電磁磁剖面測(cè)測(cè)量成果果報(bào)告，第第一作者者； = 9 * GB2 青藏高高原石油油地質(zhì)調(diào)調(diào)查大地地電磁測(cè)測(cè)量綜合合研究報(bào)報(bào)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(shù)術(shù)綜合研研究成果果報(bào)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(diào)查與與評(píng)價(jià)成成果報(bào)告告，主筆筆一章。（3）負(fù)責(zé)責(zé)和參加加相關(guān)科科研項(xiàng)目目情況資助期間，除除完成資資助課題題外，還還承擔(dān)了了如下科科研工作作。 = 1 * GB2 參加國(guó)國(guó)家油氣氣專項(xiàng)“青藏高高原油氣氣資源戰(zhàn)戰(zhàn)略選區(qū)區(qū)調(diào)查與與評(píng)價(jià)（XXQ2000406）”過程中中，負(fù)責(zé)責(zé)完成了了如下專專題： = 1 *

60、 GB3 洞錯(cuò)東東措勤石石油地質(zhì)質(zhì)走廊大大剖面大大地電磁磁測(cè)量（科科油220066100號(hào)），220066年，經(jīng)經(jīng)費(fèi)1330萬(wàn)，第第一負(fù)責(zé)責(zé)人； = 2 * GB3 羌塘盆盆地龍尾尾錯(cuò)區(qū)塊塊連續(xù)電電磁剖面面（CEEMP）測(cè)測(cè)量（科科油220066155號(hào)），220066年，經(jīng)經(jīng)費(fèi)500萬(wàn)元，第第一負(fù)責(zé)責(zé)人； = 3 * GB3 羌塘盆盆地重點(diǎn)點(diǎn)地區(qū)電電磁陣列列剖面測(cè)測(cè)量（科科油220077077號(hào)），220077年，經(jīng)經(jīng)費(fèi)2556萬(wàn)元元，第一一負(fù)責(zé)人人； = 4 * GB3 青藏高高原油氣氣勘探方方法技術(shù)術(shù)綜合研研究（科科油220066133號(hào)、科科油220077099號(hào)、科科油2200880