科技发展项目技术总结报告35266.docx

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1、优秀青年科科技人才才计划项项目总结结报告 项目名称：介质含水率率与探地地雷达信信号关系系研究委托单位：国土资源部部科技与与国际合合作司承担单位：中国地质科科学院物物化探研研究所受资助人：方 慧起止时间：2005年年10月20008年11月国土资源部部二九年年十一月二十日目 录一、研究领领域及资资助研究究项目概概况11、研究领领域12、资助研研究项目目概况1二、 研究究领域国国内外发发展趋势势和前沿沿21、探地雷雷达技术术应用现现状22、测量物物质含水水率的主主要方法法及存在在问题33、探地雷雷达探测测物质含含水率研研究领域域现状及及发展趋趋势4三、研究工工作总结结71、研究项项目实施施情况72

2、、研究工工作取得得的主要要成果和和创新点点8四、经费使使用情况况34五、所在单单位审核核意见341、单位对对受资助助者给予予的支持持342、单位学学术委员员会对受受资助者者研究成成果的评评价353、对受资资助者资资助期间间总体工工作情况况的评价价36主要参考文文献37一、研究领领域及资资助研究究项目概概况 1、研究领领域 专业领领域：勘勘探地球球物理 主要研研究方向向：探地地雷达在在土壤、建建筑材料料含水率率监测领领域的应应用技术术研究2、资助研研究项目目概况 项目名名称：介介质含水水率与探探地雷达达信号关关系研究究 起止时时间：220055年122月20008年111月 目标任任务：应应用数

3、值值模拟技技术和物物理实验验技术开开展介质质含水率率与探地地雷达信信号关系系研究，建建立探地地雷达测测量信号号与介质质含水率率之间准准确合理理的数学学关系模模型，推推动探地地雷达方方法技术术进步。 主要研研究内容容：探地地雷达三三维正演演技术研研究；介介质含水水率与探探地雷达达信号关关系物理理实验研研究；介介质含水水率与探探地雷达达信号关关系数值值模拟研研究。 工作成成果：两两年来，针针对上述述研究内内容开展展了较系系统的研究工工作，基基本实现现了设计计的任务务目标，取取得如下下主要成成果和认认识。 利用时时间域有有限差分分方法实实现了探探地雷达达三维正正演计算算，编制制三维正正演软件件。解决

4、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及及含水率率变化的的问题，为为应用数数值模拟拟技术开开展介质质含水率率与探地地雷达信信号关系系问题研研究提供供了有力力工具。 首次应应用数值值模拟方方法研究究了在介质孔孔隙度及及含水率率发生变变化时，对对雷达信信号传播播特征的的影响规规律。并并与物理理模型实实验结果果进行了了对比分分析，证证明了数数值模拟拟方法的的有效性性。 根据数数值模拟拟结果，分分析了当当介质的的孔隙度度或含水水率发生生改变时时，介质质的等效效介电常常数及雷雷达波幅幅值、传传播速度度等参数数随孔隙隙度及含含水率的的变化规规律，并并对这些些参数相相对介质质孔隙度度或含水水

5、率变化化的灵敏敏程度进进行了对对比分析析。 在介质质含水率率数值模模拟中，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。 通过物物理模型型实验，分分析了石石英砂、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

6、的基础础。二、 研究究领域国国内外发发展趋势势和前沿沿1、探地雷雷达技术术应用现现状探地雷达是是一种高高频电磁磁法。与与探空雷雷达相似似，探地地雷达利利用发射射天线以以宽频短短脉冲形形式向地地下发射射高频电电磁波，电电磁波在在介质电电磁性质质不同的的界面处处会产生生反射，并并被接收收天线所所接收，通通过分析析电磁波波在时间间、空间间的传播播特性实实现探测测地下目目标体的的空间位位置、规规模和物物理性质质等目的的。探地地雷达技技术具有有分辨率率高、无无损、高高效等特特点。探地雷达技技术的应应用最早早可追溯溯到上世世纪初。早早在19910年年，德国国的G. Leeimbbackk和Lwycc曾以专

7、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。直直到19950年年因有飞飞机失事事掉进格格陵兰岛岛的冰缝缝中，才才再次采采用探地地雷达技技术。受受仪器性性能和理理论研究究等因素素的限制制，探地地雷达初初期的应应用仅限限于波吸吸收很弱弱的冰层层、盐岩岩矿等介介质中(Coook, 19664; Barrrinngerr, 119655; LLunddienn, 119666)。随随着仪器器信噪比比的大大大提高和和数据处处理技术术的进步步，七十十年代以以后，探探地雷达达的实际际应

8、用范范围迅速速扩大。119722年更被被阿波罗罗号宇宙宙飞船带带上了月月球(SSimmmonss ett all., 19772)。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，国国际几大大著名厂厂商相继继推出适适于不同同应用的的多种仪仪器系统统。在理理论研究究方面，主主要集中中在信号号处理和和正反演演研究等等方面(Olhhoefft, 20000)。每每两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。我国探地雷雷达研究究始于七七十年代代初期，原原地质矿矿产部物物探研究究所、煤煤炭部煤煤炭科学学院

9、等科科研单位位开展过过探地雷雷达仪器器研制和和野外实实验工作作。目前前，我国国已有几几百家单位拥拥有探地地雷达设设备和有有关技术术人员，行行业覆盖盖地质、冶冶金、煤煤炭、水水利、交交通、建建筑、考考古、环环境及军军事等。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、测量物物质含水水率的主主要方法法及存在在问题实际生活中中，常常常需要研研究或了了解天然然物质和和人工材材料的孔孔隙度和和含水率率等参数数随空间间或时间间的变化化，如了了解土壤壤、岩石石的孔隙隙度及含含水率的的大小在在

10、地质灾灾害预防防，海侵侵程度监监测，冻冻土层调调查，赋赋水层位位的确定定，公路路、机场场跑道危危险隐患患调查，建建筑地基基状况的的评估及及种植业业管理等等方面都都是十分分重要的的指标。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，影影响沥青青公路质质量的一一个重要要指标是是沥青材材料的孔孔隙度大大小。其其原因是是由于孔孔隙中可可能充满满空气、水水、冰或或者它们们的混合合物，它它们的存存在会严严重影响响沥青材材料的整整体物理理性质，进进而造成成材料质质量发生生变化。目前，检测物质含水量的常见方法主要有烘干

11、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。3、探地雷

12、雷达探测测物质含含水率研研究领域域现状及及发展趋趋势目前，探地地雷达的的应用还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。在在资料处处理和解解释中通通常假设设目标体体及其周围围介质是是均匀的的，然而事事实上，大大自然中中常见物物质，如土壤壤、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、温温度等多多种因素素的影响响。在多多数情况况下，这这些因素素在一定定尺度范范围内并并非处处处相同，因因此天然然物质存存在着不不均匀性性，雷达达波在其其中的传传

13、播特性性会因此此发生一一定程度度的改变变。特别别是，由于水水具有较较高的介介容率，又又是有极极分子，不不仅会改改变物质质的电导导率，更更会改变变物质整整体介电电常数。因此，物物质的含含水状况况对雷达达波的传传播速度度和能量量损耗都都会产生生很大影影响，使使雷达波波在介质质中的传传播特性性对介质质含水率率的变化化十分敏敏感，因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： 与测量量介质非非接触。因因

14、此既可可以应用用于土壤壤等非固固结状物物质，也也可以应应用于岩岩石、沥沥青、混混凝土等等固结状状物质，且且不会对对介质造造成任何何破坏，是是真正的的无损检检测； 现代雷雷达提供供了高密密度采样样测量方方式，因因此可以以对测量量介质实实现空间间或时间间上连续续测量，相相对传统统的定点点测量方方式，更更能准确确地对介介质整体体含水状状况进行行评估。 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）同同时进行行检测，且且可以同同时对不不同层位位的含水水情况分分别进行行评估； 测量效效率

15、高。如如采用车车载雷达达，可以以50公公里/小小时的速速度进行行测量，因因此更适适合开展展大范围围的监测测。正是因为探探地雷达达技术具具有上述述优势，应应用探地地雷达检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，介介质含水水率的变变化与雷雷达波的的传播特特性之间间的关系系十分复复杂，需需要通过过开展理理论和实实验研究究建立起起两者之之间的定定量关系系，才能能使探地地雷达技技术真正正应用于于探测物物质含水水率这一一领域。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Hasteed （19973）通通过实验验获得了了25条件下下水的介介

16、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。Topp（119800）通过过实验给给出的土土壤介电电常数与与土壤含含水率之之间的近近似关系系式：（2.1）实践证明上上述实验验公式可可以在不不同类型型、成分分的土壤壤条件下下取得较较高的精精度（00.0222m3m-3，JJacoobseen和 Scchjoonniing，19994）。更多的学者者（如DDobsson 19885，Rotth 119900，Friiedmman 19998，Jonnes和和Friiedmman 20000）则则是建立立土壤不不同组成成

17、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。在在这些模模型中，土土壤整体体介电常常数与土土壤颗粒粒、土壤壤中含水水率以及及土壤中中的空气气含量之之间的关关系可以以用如下下CRIIM （Commpleex RRefrracttionn Inndexx Moodell）模型来来描述 （2.2）其中，为土土壤整体体介电常常数，为为土壤含含水率，n为土壤的孔隙度，、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的相对关系有关。上述表明前前人的研研究主要要集中在在土壤含含水率与与土壤整整体介电电常数之之间的关关系，这这些关系系式在

18、测测量土壤壤含水率率方面取取得较好好效果，但但不能直直接用于于描述其其它介质质的含水水率与介介质介电电常数之之间的关关系。在其它介质质研究方方面，SS. LLaurrenss 等研研究了混混凝土材材料中含含水率变变化与雷雷达信号号之间的的关系，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，研研究表明明：在干干燥条件件下，介介质孔隙隙度的变变化对整整体介电电常数影影响不大大；随着着含水率率的增加加介质整整体介电电常数明明显增大大。但研研究尚不不够深入入。在应用方

19、面面，美国国在应用用探地雷雷达技术术监测葡葡萄园土土壤水分分状况方方面取得得了很好好的应用用效果；一些国国家在应应用探地地雷达技技术监测测高速公公路路基基含水情情况方面面也开展展了实验验和实际际应用工工作。从国内刊物物发表的的文章看看，国内内只有少数数科技人人员开展展了部分分研究工工作，如如杨厚荣荣等开发发了WPPRT - 11 型原原油持(含) 水率雷雷达测井井仪，巧巧妙地利利用了雷雷达探测测技术, 可将将原油持持水率的的测量范范围扩大大到01000% ,测量精精度达11% ,有效地地解决了了油田高高含水率率生产的的测量问问题。在其它方面面，如能能否应用用数值模模拟技术术研究介介质含水水率变

20、化化与雷达达信号之之间的关关系，以以及其它它因素如如环境温温度、介介质孔隙隙的大小小等因素素对测量量结果的的影响等等方面的的研究工工作开展展得还很很少。研究介质含含水率与与探地雷雷达信号号之间的的关系可可以利用用数值模模拟和物物理模拟拟两种方方法。数数值模拟拟方法方方便、灵灵活，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，对对探地雷雷达资料料精确解解释是必必不可少少的，因因此后者者应用较较为普遍遍。虽然然

21、，探地地雷达数数值模拟拟技术最最近十年年得到了较大发发展，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、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，已已有商业业或免费费二、三三维正演演软件出出现。国国内中国国矿业大大学等科科研机构构也有学学者开展展了数值值模拟技技术研究究。但是是，在数数值模拟拟研究领领域，除除算法研研究外，应应用研究究主要集集中在研研究均匀匀介质中中局部不不均匀体体的响应应，雷达达天线极极化特性性，介质质频散特特性等方方面。由由于这些些研究中中都假设设介质是是均匀的的，因此此目前大大多数软软件不能能用于模模拟介质质不均匀

22、匀变化，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方面面的报道道。总之，应用用探地雷雷达技术术可以对对大规模模的测量量介质无无损、高高效、低低成本地地实现横横向与纵纵向空间间连续观观测，是是近年来来探地雷雷达技术术研究的的新方向向。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、研究工工作总结结1、研究项项目实施施情况根据合同要要求，按按计划全全面开

23、展展了研究究工作，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： 研制一一套探地地雷达三三维正演演软件； 完成了了石英、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； 完成了了部分理理论模型型的数值值模拟研研究； 完成了了物理实实验和数数值计算算数据的的整理和和分析； 初步建建立了适适于沥青青、石英英砂等材材料的含含水率-介电常常数数学学关系式式。2、研究工工作取得得的主要要成果和和创新点点 （1）受资资助期间间取得的的主要研研究成果果成果

24、一 利利用时间间域有限限差分法法实现了了探地雷雷达三维维正演计计算，研研制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。自然条件下下，水赋赋存于介介质内部部的孔隙隙中，而而且在非饱和和状态下下，一部部分孔隙隙含水，另另一部分分孔隙则则充填为为空气。因因此，开开展介质质含水率率数值模模拟时，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，无无法模拟拟介质含含水状态态，要应应用

25、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，首首先要研研制一套套合适的的探地雷雷达三维维正演软软件。1.1 基基本理论论实验表明，所所有的电电磁现象象都服从从麦克斯斯韦方程程，在时时间域中中，麦克克斯韦方方程有如如下形式式： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)在导电介质质中，对对于单色色电磁波波，利用用，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ss与介质质物性参参数和电电磁波频频率有关关。值得得指出的的是，水水分子在在交变电电场情况况下容易易被极化化，偶极极距随交交变电场场不断改改变方向向。受分分子的惯惯性影响响，偶极极子

26、的取取向需要要一定时时间（驰驰豫时间间），出出现极化化滞后现现象，即即电场和和感应偶偶极矩之之间出现现了相位位差，这这时水的的介电常常数实际际为复数数，即：，此时时，3.5式式中k和和s分别别为： (3.6)因子S决定定振幅随随传播距距离的减减速度，故故称S为为衰减系系数。电电磁波在在介质中中的传播播速度vv由因子子K决定定 (3.7)可以看出，介介电常数数的实部部为介质质的固有有极化，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） (3.

27、8)其中，、为为直流和和极高频频状态下下介质的的介电常常数，为为弛豫频频率。对对于255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，因因此在介介质含水水率模型型正演计计算中，必必须考虑虑水分子子所产生生的附加加电导率率的影响响。1.2 数数值模拟拟的实现现探地雷达三三维正演演计算最最

28、常采用用的方法法是时间间域有限限差分法法。时间间域有限限差分法法最早由由Yeee于19966年年提出，是是一种对对麦克斯斯韦方程程进行离离散化的的简单实实用技术术。Yeee巧妙妙地在剖剖分单元元内使电电场分量量与磁场场分量在在时间和和空间上上相互分分离，利利用中心心差商代代替微商商把连续续变量离离散化，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，从从而可以以在时间间上迭代代求解，而而不需要要进行矩矩阵求逆逆运算。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。具体计算流流程如下下：设

29、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 数数值计算算结果检检验根据电磁场场理论可可以推导导出球坐坐标系下下描述自自由空间间中电偶偶极子辐辐射场时时空分布布的解析析公式如如下: (3.9)式中p(tt)为偶偶极子的的电偶极极矩，cc为光速速。为方便求解解，发射射

30、信号选选为高斯斯脉冲，其其函数的的时域形形式为： (3.110)其中为常常数，决决定了高高斯脉冲冲的宽度度，脉冲冲峰值出出现在时时刻，如如图3.1所所示，实实际计算算中=2nss。图3.2、33.3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显显示，在在电偶极极子下方方10厘米米处，解解析解和和数值解解十分接接近；225厘米米处的结结果显示示在信号号晚时两两者存在在少许差差别，其其原因可可能是边边界效应应引起的的。数值值解与解解析解的的一致性性证明研研制的正正演软件件是可靠靠的。解析解幅

31、值(v/m)时间（ns）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 首首次应用用数值模模拟方法法进行了了介质孔孔隙度及及含水率率变化对对雷达信信号传播播特征影影响规律律的研究究。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，也也考虑了了高频电电磁场条条件下，由由于极化化滞后效效应造成成的介电电损耗，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。研研究结果果表明应应用数值值模拟方方法研究究介质孔孔隙度及及含水率率的变化

32、化对探地地雷达信信号传播播特性的影影响规律律是可行行的。2.1介质质孔隙度度变化与与雷达信信号传播播特性关关系2.1.11数值模模拟模型型设计： 数值模拟模模型由相相对介电电常数（er）、电导率（s/sm-）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：er11.0、s10.0s/m，er25.4、s20.0s/m、er315.0、s3； 模型整体尺尺寸：00.5000.5500.550m，第第一界面面位于XXOY平平面上00.255m，第第二界面面在0.45m处； 雷达波场源源为电偶偶极子天天线，位位于第一一界面中中心上方方0.001m处处；

33、电偶偶极子极极化方向向平行XX轴，主主频1GGHz； 剖分单元尺尺寸：00.00050.00050.0005mm。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空气天线为研究介质质孔隙度度变化对对雷达信信号传播播的影响响： 在第第二层介介质中加加入随机机分布，相相对介电电常数err1.0、电电导率s =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.

34、22 模型正正演结果果分析介质的孔隙隙可看作作均匀介介质中加加入具有有另一种种介电常常数的“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3.5为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。计算结果表表明：随随着介质质孔隙度度增大，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

35、孔隙度为零时的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%1%，反射射波传播播速度平平均增大大0.554%。介介质等效效介电常常数由孔孔隙度为为零时的的5.229减小小到孔隙隙度为110%时时的4.86，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%。不同的观测测参数相相对介质质孔隙度度变化的的灵敏程程度也不不一样。图图3.9为不同同观测参参数的灵灵敏

36、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，这这是因为为介电常常数与电电磁波传传播速度度呈平方方反比关关系。信信号的幅幅值相对对灵敏度度较低，这这是因为为信号幅幅值的改改变主要要是因为为介质孔孔隙度的的变化改改变了介介质的等等效介电电常数，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，使使电磁波波的传播播发生改改变，但但这种改改变是有有限的。另另一方面面，介质质孔隙度度的存在在又有可可能使雷雷达波产产生散射射从而降降低幅值值的信噪噪比，因因此实际际工作中中若根据据反射信信号幅值值反演介介质孔隙隙度可能能较其它它两个参参数反演演

37、精度低低。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 介介质含水水率变化化与雷达达信号传传播特性性关系介质含水率率变化对对雷达信信号的影影响有时时被认为为是干扰扰，有时时又可被被利用。第第一章中中已经提提到由于于水的特特殊性质质，即具具有高介介电常数数和相对对较大的的附加电电导率，使使电磁波波在含水水介质中中的传播播变得更更加复

38、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，模模型一中中只考虑虑介质含含水率变变化，模模型二中中同时考考虑含水水率和孔孔隙度的的变化。2.2.11数值模模拟模型型一设计计数值模型仍仍由相对对介电常常数（er）、电电导率（s/sm-）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3.1

39、0。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介质中存在在的自由由水可以以看作是是均匀介介质中加加入一种种同时具具有高介介电常数数和高电电导率的的“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。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。异异常单元元： 所占模模型中剖剖分单元元的体积积百分比比分别为为：2，4，1

40、00； 由于水水为有极极分子，在在高频电电磁场作作用下，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，必必须考虑虑其附加加电导率率对雷达达波的影影响。依依据第一一章提到到的Deebey模模型，在在天线（雷雷达波场场源）主主频为11GHzz的条件件下，异异常单元元的物性性参数取取： 相对介电常常数er800.1； 水自身电导导率为s0.11/sm-1；驰豫豫作用产产生的附附加电导导率Imm(e)w0.2655/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频率而而改变。 2.2.22模型正正演结果果分析图3.111为介质含含水率分分别为22%

41、、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： 随着含含水率增增大，雷雷达波场场产生越越来越强强的散射射现象，电电场的背背景“噪声”明显增增强； 介质等等效介电电常数由由不含水水时的55.4，增增大到含含水率为为10%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（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

42、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，介质质含水率率的改变变会使雷雷达波的的空间传传播特性性发生强强烈改变变。作为为干扰源源，介质质含水率率的变化化，会降降低探地地雷达的的有效勘勘探深度度和对弱弱不均匀匀体的空空间分辩辩能力；对目标标层（体体）埋藏藏深度的的估计可可能出现现偏差。正因为电磁磁波对介介质含水水率变化化如此灵灵敏

43、，所所以探地地雷达技技术更适适合用于于探测含含水率分分布不均均匀介质质情况。根根据模型型正演得得到的反反射波传传播速度度、幅值值及介质质的等效效介电常常数与介介质含水水率之间间的关系系式可用用来指导导探地雷雷达的资资料解释释。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3.155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，由于于水在高高频电磁磁

44、场作用用下能产产生较强强的附加加电导率率，致使使信号的的幅值随随介质含含水率变变化发生生明显改改变；水水又具有有较高的的介电常常数使得得电磁波波的传播播速度随随介质含含水率的的变化十十分敏感感。但自自然界中中的常见见物质大大都不具具有这样样双重性性质，这这也就为为应用探探地雷达达方法区区分水与与非水提提供了十十分有利利的前提提。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（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

45、测量参数灵敏度曲线2.2.33数值模模拟模型型二设计计模型二是为为了与物物理实验验结果进进行对比比，以检检验数值值模拟技技术的有有效性。物理实验结结果取自自法国作作者S. Laaureen发表表在“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、传传播速度度随介质质含水率率变化的的关系曲曲线（图图3.117）。根根据实验验数据进进行了CCRIMM模型分分析，在在CRIIM模型型中，介介质固体体材料的的介电常常数取为为4.00，孔隙隙度取114%。 图3.166 混凝凝土实验验模型（左左）及测测量装置置（右） 图3.177 实验验结果图3.188 CRRIM模模型与实实测结果果对比为了模拟上上述物理理实