科技发展项目技术总结报告18729.docx

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1、优秀青年科科技人才计计划项目总总结报告 项目名称：介质含水率率与探地雷雷达信号关关系研究委托单位：国土资源部部科技与国国际合作司司承担单位：中国地质科科学院物化化探研究所所受资助人：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、研究领领域及资助助研究项目目概况11、研究领领域12、资助研研究项目概概况1二、 研究究领域国内内外发展趋趋势和前沿沿21、探地雷雷达技术应应用现状22、测量物物质含水率率的主要方方法及存在在问题33、探地雷雷达探测物物质含水率率研究领域域现状及发发展趋势4三、研究工工作总结71、研究项项目实施情情况72、研究工工作取得的

2、的主要成果果和创新点点8四、经费使使用情况34五、所在单单位审核意意见341、单位对对受资助者者给予的支支持342、单位学学术委员会会对受资助助者研究成成果的评价价353、对受资资助者资助助期间总体体工作情况况的评价36主要参考文文献37一、研究领领域及资助助研究项目目概况 1、研究领领域 专业领领域：勘探探地球物理理 主要研研究方向：探地雷达达在土壤、建建筑材料含含水率监测测领域的应应用技术研研究2、资助研研究项目概概况 项目名名称：介质质含水率与与探地雷达达信号关系系研究 起止时时间：20005年112月20088年11月月 目标任任务：应用用数值模拟拟技术和物物理实验技技术开展介介质含水

3、率率与探地雷雷达信号关关系研究，建建立探地雷雷达测量信信号与介质质含水率之之间准确合合理的数学学关系模型型，推动探探地雷达方方法技术进进步。 主要研研究内容：探地雷达达三维正演演技术研究究；介质含含水率与探探地雷达信信号关系物物理实验研研究；介质质含水率与与探地雷达达信号关系系数值模拟拟研究。 工作成成果：两年年来，针对对上述研究内内容开展了了较系统的的研究工作作，基本实实现了设计计的任务目目标，取得得如下主要要成果和认认识。 利用时时间域有限限差分方法法实现了探探地雷达三三维正演计计算，编制制三维正演演软件。解解决了目前前探地雷达达常见软件件无法模拟拟介质孔隙隙度及含水水率变化的的问题，为为

4、应用数值值模拟技术术开展介质质含水率与与探地雷达达信号关系系问题研究究提供了有有力工具。 首次应应用数值模模拟方法研研究了在介质孔隙隙度及含水水率发生变变化时，对对雷达信号号传播特征征的影响规规律。并与与物理模型型实验结果果进行了对对比分析，证证明了数值值模拟方法法的有效性性。 根据数数值模拟结结果，分析析了当介质质的孔隙度度或含水率率发生改变变时，介质质的等效介介电常数及及雷达波幅幅值、传播播速度等参参数随孔隙隙度及含水水率的变化化规律，并并对这些参参数相对介介质孔隙度度或含水率率变化的灵灵敏程度进进行了对比比分析。 在介质质含水率数数值模拟中中，不仅考考虑了介质质电导率的的影响，也也考虑了

5、高高频电磁场场条件下，由由于极化滞滞后效应造造成的介电电损耗，并并利用物理理模型实验验结果与数数值模拟结结果的对比比分析，证证明了这种种思路的合合理性。 通过物物理模型实实验，分析析了石英砂砂、沥青等材料的等等效介电常常数、雷达波频频谱及传播播速度等参参数随介质质含水率的的变化规律律。在此基基础上，提提出了介质质含水率与与等效介电电常数之间间的数学关关系式。这这些数学关关系模型，经经进一步实实验验证后后，可作为为探地雷达达检测公路路材料含水水性的基础础。二、 研究究领域国内内外发展趋趋势和前沿沿1、探地雷雷达技术应应用现状探地雷达是是一种高频频电磁法。与与探空雷达达相似，探探地雷达利利用发射天

6、天线以宽频频短脉冲形形式向地下下发射高频频电磁波，电电磁波在介介质电磁性性质不同的的界面处会会产生反射射，并被接接收天线所所接收，通通过分析电电磁波在时时间、空间间的传播特特性实现探探测地下目目标体的空空间位置、规规模和物理理性质等目目的。探地地雷达技术术具有分辨辨率高、无无损、高效效等特点。探地雷达技技术的应用用最早可追追溯到上世世纪初。早早在19110年，德德国的G. Leiimbacck和Lwyc曾以以专利形式式阐明了这这一现象。第第一次正式式应用是在在19299年用以确确定冰河的的深度（SSternn, 19929, 19300），之后这这种技术几几乎消失。直直到19550年因有有飞机

7、失事事掉进格陵陵兰岛的冰冰缝中，才才再次采用用探地雷达达技术。受受仪器性能能和理论研研究等因素素的限制，探探地雷达初初期的应用用仅限于波波吸收很弱弱的冰层、盐盐岩矿等介介质中(CCook, 19664; BBarriingerr, 19965; Lunddien, 19666)。随随着仪器信信噪比的大大大提高和和数据处理理技术的进进步，七十十年代以后后，探地雷雷达的实际际应用范围围迅速扩大大。19772年更被被阿波罗号号宇宙飞船船带上了月月球(Siimmonns ett al., 19972)。目前，探探地雷达已已广泛应用用于工程勘勘察、考古古、环境、军军事等领域域。在仪器器制造方面面，国际几

8、几大著名厂厂商相继推推出适于不不同应用的的多种仪器器系统。在在理论研究究方面，主主要集中在在信号处理理和正反演演研究等方方面(Ollhoefft, 22000)。每两年年召开一次次的国际探探地雷达会会议基本反反映出探地地雷达技术术的研究及及应用现状状。我国探地雷雷达研究始始于七十年年代初期，原原地质矿产产部物探研研究所、煤煤炭部煤炭炭科学院等等科研单位位开展过探探地雷达仪仪器研制和和野外实验验工作。目目前，我国国已有几百百家单位拥有有探地雷达达设备和有有关技术人人员，行业业覆盖地质质、冶金、煤煤炭、水利利、交通、建建筑、考古古、环境及及军事等。主主要使用进进口仪器，也也有少量国国产仪器在在销售

9、和使用。在研研究方面主主要是针对对信号处理理技术，少少数大学等等科研机构构开展了正正反演方法法研究。2、测量物物质含水率率的主要方方法及存在在问题实际生活中中，常常需需要研究或或了解天然然物质和人人工材料的的孔隙度和和含水率等等参数随空空间或时间间的变化，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

10、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、

11、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、探地雷雷达探测物物质含水率率研究领域域现状及发展展趋势目前，探地地雷达的应应用还主要集中中在探测目目标体的空空间位置、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

12、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： 与测量量介质非接接触。因此此既可以应应用于土壤壤等非固结结状物质，也也可以应用用于岩石、沥沥青、混凝凝土等

13、固结结状物质，且且不会对介介质造成任任何破坏，是是真正的无无损检测； 现代雷雷达提供了了高密度采采样测量方方式，因此此可以对测测量介质实实现空间或或时间上连连续测量，相相对传统的的定点测量量方式，更更能准确地地对介质整整体含水状状况进行评评估。 探地雷雷达不仅具具有较高的的横向分辨辨能力，也也具有较高高的纵向分分辨能力和和一定的勘勘探深度，因因此可以同同时对地下下不同物质质层（如路路基不同基基层）同时时进行检测测，且可以以同时对不不同层位的的含水情况况分别进行行评估； 测量效效率高。如如采用车载载雷达，可可以50公公里/小时时的速度进进行测量，因因此更适合合开展大范范围的监测测。正是因为探探地

14、雷达技技术具有上上述优势，应用用探地雷达达检测介质含含水率成为为近年来探探地雷达技技术新的研研究方向。然而，介质质含水率的的变化与雷雷达波的传传播特性之之间的关系系十分复杂杂，需要通通过开展理理论和实验验研究建立立起两者之之间的定量量关系，才才能使探地地雷达技术术真正应用用于探测物物质含水率率这一领域域。在这一方面面已有一些些学者开展展了相关研研究。图2.1水的介电常数随频率变化曲线Hasteed （19773）通过过实验获得得了25条件下水水的介电常常数随电磁磁波频率变变化情况（图图2.1），可见在在高频电磁磁场作用下下水的极化化特性表现现出较强的的频散特征征。Topp（11980）通通过实

15、验给给出的土壤壤介电常数数与土壤含含水率之间间的近似关关系式：（2.1）实践证明上上述实验公公式可以在在不同类型型、成分的的土壤条件件下取得较较高的精度度（0.0022m3m-3，Jaacobssen和 Schhjonnning，19944）。更多的学者者（如Doobsonn 19855，Rothh 19990，Frieedmann 19998，Jonees和Frieedmann 20000）则是是建立土壤壤不同组成成成分的介介电常数和和含量多少少（包括含含水率的多多少）与土土壤整体介介电常数之之间的关系系模型。在在这些模型型中，土壤壤整体介电电常数与土土壤颗粒、土土壤中含水水率以及土土壤中的

16、空空气含量之之间的关系系可以用如如下CRIIM （Compplex Refrractiion IIndexx Moddel）模型来描描述 （2.2）其中，为土土壤整体介介电常数，为土壤含水率，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究究主要集中中在土壤含含水率与土土壤整体介介电常数之之间的关系系，这些关关系式在测测量土壤含含水率方面面取得较好好效果，但但不能直接接用于描述述其它介质质的含水率率与介质介介电常数之之间的关系系。在其它介质质研究方面面，S. Laurrens 等研究了了混凝土材材料中含水水率变化与与雷达信号

17、号之间的关关系，讨论了雷雷达信号的的速度、介介电常数、幅幅值及相位位与含水率率之间的关关系。Laanbo Liu等等研究了沥沥青材料中中孔隙度、含含水率与整整体介电常常数之间的的关系，研研究表明：在干燥条条件下，介介质孔隙度度的变化对对整体介电电常数影响响不大；随随着含水率率的增加介介质整体介介电常数明明显增大。但但研究尚不不够深入。在应用方面面，美国在在应用探地地雷达技术术监测葡萄萄园土壤水水分状况方方面取得了了很好的应应用效果；一些国家家在应用探探地雷达技技术监测高高速公路路路基含水情情况方面也也开展了实实验和实际际应用工作作。从国内刊物物发表的文文章看，国国内只有少数科科技人员开开展了部

18、分分研究工作作，如杨厚厚荣等开发发了WPRRT - 1 型原原油持(含含) 水率率雷达测井井仪，巧妙妙地利用了了雷达探测测技术, 可将原油油持水率的的测量范围围扩大到001000% ,测测量精度达达1% ,有效地解解决了油田田高含水率率生产的测测量问题。在其它方面面，如能否否应用数值值模拟技术术研究介质质含水率变变化与雷达达信号之间间的关系，以以及其它因因素如环境境温度、介介质孔隙的的大小等因因素对测量量结果的影影响等方面面的研究工工作开展得得还很少。研究介质含含水率与探探地雷达信信号之间的的关系可以以利用数值值模拟和物物理模拟两两种方法。数数值模拟方方法方便、灵灵活，但由于数值值模拟过程程中

19、进行了了一定程度度的近似处处理，因此此数值模拟拟结果与物物理模拟结结果会有一一定差别，可可以用于研研究一般性性规律。物物理模拟更更能准确地反反映特定环环境下物质质含水率变变化对雷达达波的影响规律律，对探地地雷达资料料精确解释释是必不可可少的，因因此后者应应用较为普普遍。虽然然，探地雷雷达数值模模拟技术最最近十年得得到了较大发展展，国际上上一些大学学如荷兰DDelftt理工大学学、美国俄俄亥俄州立立大学、科科罗拉多矿矿业学院及及一些商业业公司开展展了大量研研究工作，已已有商业或或免费二、三三维正演软软件出现。国国内中国矿矿业大学等等科研机构构也有学者者开展了数数值模拟技技术研究。但是，在数值模拟

20、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，应用用探地雷达达技术可以以对大规模模的测量介介质无损、高高效、低成成本地实现现横向与纵纵向空间连连续观测，是是近年来探探地雷达技技术研究的的新方向。但是，在建立探探地雷达信信号与介质质含水率之之间的定量量关系方面面工作开展展得还很不不够，需要要开展更系系统的物理实验验；在数值值模拟

21、方面面还需要研研制开发更更适合的计计算软件。三、研究工工作总结1、研究项项目实施情情况根据合同要要求，按计计划全面开展了了研究工作作，主要包括探地雷雷达三维正正演技术研研究；介质质含水率与与探地雷达达信号关系系物理实验验研究；介介质含水率率与探地雷雷达信号关关系数值模模拟研究等等研究内容容，全面完完成了合同同规定的研研究任务。完成的主要工作量包括： 研制一一套探地雷雷达三维正正演软件； 完成了了石英、沥青青砂等不同材料的的探地雷达达检测含水水率的物理模型型试验； 完成了了部分理论论模型的数值值模拟研究究； 完成了了物理实验验和数值计计算数据的的整理和分分析； 初步建建立了适于于沥青、石石英砂等

22、材材料的含水水率-介电电常数数学学关系式。2、研究工工作取得的的主要成果果和创新点点 （1）受资资助期间取取得的主要要研究成果果成果一 利利用时间域域有限差分分法实现了了探地雷达达三维正演演计算，研研制了一套探地地雷达三维维正演软件件，解决了了目前探地地雷达常见见软件无法法模拟介质质孔隙度、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。自然条件下下，水赋存存于介质内内部的孔隙隙中，而且且在非饱和状状态下，一一部分孔隙隙含水，另另一部分孔孔隙则充填填为空气。因因此，开展展介质含水水率数值模模拟时，要要求正演程程序要能实实现均匀介介质中随机机分布有不不同比例的的自由水或

23、或空气等“杂质”，而目前常常见的正演演软件均假假设介质是是均匀的，无无法模拟介介质含水状状态，要应应用数值模模拟技术研研究介质含含水率与探探地雷达信信号关系，首首先要研制制一套合适适的探地雷雷达三维正正演软件。1.1 基基本理论实验表明，所所有的电磁磁现象都服服从麦克斯斯韦方程，在在时间域中中，麦克斯斯韦方程有有如下形式式： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)在导电介质质中，对于于单色电磁磁波，利用用，的关系及及场矢量、，很容易易推导出频频率域波动动方程的解解为 (3.5)其中k和ss与介质物物性参数和和电磁波频频率有关。值值得指出的的是，水分分子在交变变电场情况况下容易被被极化，

24、偶偶极距随交交变电场不不断改变方方向。受分分子的惯性性影响，偶偶极子的取取向需要一一定时间（驰驰豫时间），出出现极化滞滞后现象，即即电场和感感应偶极矩矩之间出现现了相位差差，这时水水的介电常常数实际为为复数，即即：，此时时，3.5式中中k和s分分别为： (3.6)因子S决定定振幅随传传播距离的的减速度，故故称S为衰衰减系数。电电磁波在介介质中的传传播速度vv由因子KK决定 (3.7)可以看出，介介电常数的的实部为介介质的固有有极化，虚虚部为介电电损耗，并并与导电率率合并成为为介质的有有效导电率率。实验表表明介电常常数的实部部和虚部还还随频率变变化，变化化规律可以以用Debbye公式式来描述（D

25、ebye，1929） (3.8)其中，、为为直流和极极高频状态态下介质的的介电常数数，为弛豫豫频率。对对于25条件下的的自然水，其其Debyye参数为为s=800.1，=4.2，frell=17.1GHzz （Hassted,19733）。根据据Debyye模型可可以计算出出当雷达波波频率为11GHz时时，由于水水分子的迟迟豫作用产产生的附加加电导率约约为0.2265s/m，这与与自然状态态下常见物物质的电导导率在同一一量级或更更高一些，因因此在介质质含水率模模型正演计计算中，必必须考虑水水分子所产产生的附加加电导率的的影响。1.2 数数值模拟的的实现探地雷达三三维正演计计算最常采采用的方法法

26、是时间域域有限差分分法。时间间域有限差差分法最早早由Yeee于19666年提出出，是一种种对麦克斯斯韦方程进进行离散化化的简单实实用技术。YYee巧妙地地在剖分单单元内使电电场分量与与磁场分量量在时间和和空间上相相互分离，利利用中心差差商代替微微商把连续续变量离散散化，使含含时间变量量的麦克斯斯韦旋度方方程离散以以后构成显显式差分方方程，从而而可以在时时间上迭代代求解，而而不需要进进行矩阵求求逆运算。由由给定相应应电磁问题题的初始值值，应用时时间域有限限差分法就就可以逐步步推进地求求得以后各各个时刻空空间电磁场场的分布。具体计算流流程如下：设计正演模型： 计算空间尺度； 剖分单元尺度； 各剖分

27、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 数数值计算结结果检验根据电磁场场理论可以以推导出球球坐标系下下描述自由由空间中电电偶极子辐辐射场时空空分布的解解析公式如如下: (3.9)式中p(tt)为偶极极子的电偶偶极矩，cc为光速。为方便求解解，发射信信号选为高高斯脉冲，其其函数的时时域形式为为： (3.100)其

28、中为常常数，决定定了高斯脉脉冲的宽度度，脉冲峰峰值出现在在时刻，如如图3.1所示示，实际计计算中=2ns。图3.2、3.3分别为电电偶极子下下方10和25厘米米处平行偶偶极子方向向电场的解解析解和时时间域有限限差分法三三维正演对对比结果。图3.1高斯脉冲信号对比结果显显示，在电电偶极子下下方10厘米处处，解析解解和数值解解十分接近近；25厘厘米处的结结果显示在在信号晚时时两者存在在少许差别别，其原因因可能是边界界效应引起起的。数值值解与解析析解的一致致性证明研研制的正演演软件是可可靠的。解析解幅值(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

29、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 首首次应用数数值模拟方方法进行了了介质孔隙隙度及含水水率变化对对雷达信号号传播特征征影响规律律的研究。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。2.1介质质孔隙度变变化与雷达达信号传播播特性关系系2.1.11数值模拟拟模型设计计： 数值模拟模模型由相对对介电常数数（er）、电导导率（s

30、/ssm-）横向向均匀的三三层介质组组成，其中中第一层介介质为空气气；模型及及其坐标系系统见图33.4，即：各层层介质物性性参数：err11.0、s10.00s/m，er25.4、s20.00s/m、er3155.0、s33； 模型整体尺尺寸：0.500.5000.500m，第一一界面位于于XOY平面面上0.225m，第第二界面在在0.45m处； 雷达波场源源为电偶极极子天线，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； 剖分单元尺尺寸：0.0050.00050.0005m。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

31、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变变化对雷达达信号传播播的影响： 在第二二层介质中中加入随机机分布，相相对介电常常数er1.00、电导率率s =0.00s/m的异常常单元，借借以模拟均均匀介质中中分布有充充满空气的的孔隙； 异常单单元所占模模型剖分单单元的体积积百分比分分别为：22，4，100。2.1.22 模型正演演结果分析析介质的孔隙隙可看作均均匀介质中中加入具有有另一种介介电常数的的“杂质”。雷达波波的传播特特性会随着着“杂质”含量的多多少发生改改变。图3.5为为介质孔隙隙度分别为为2%、4%、10%时，通过天

32、天线中心，平平行电偶极极子极化方方向剖面上上t=2.0ns时时刻电场分分量Ex空空间分布状状况，可见随着着孔隙度增增大，电场场的背景“噪声”明显增强强。计算结果表表明：随着着介质孔隙隙度增大，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

33、隙度6%；5： 孔隙度8%；6：孔隙度10%1%，反射射波传播速速度平均增增大0.554%。介介质等效介介电常数由由孔隙度为为零时的55.29减减小到孔隙隙度为100%时的4.886，即孔孔隙度每增增加1%，等效效介电常数数平均减小小0.8%。不同的观测测参数相对对介质孔隙隙度变化的的灵敏程度度也不一样样。图3.9为不同观观测参数的的灵敏度曲曲线。可以以看出介质质的等效介介电常数对对于介质孔孔隙度变化化最灵敏，反反射波速度度次之，这这是因为介介电常数与与电磁波传传播速度呈呈平方反比比关系。信信号的幅值值相对灵敏敏度较低，这这是因为信信号幅值的的改变主要要是因为介介质孔隙度度的变化改改变了介质质

34、的等效介介电常数，从从而改变了了介质与相相邻介质间间的反射和和折射系数数，使电磁磁波的传播播发生改变变，但这种种改变是有有限的。另另一方面，介介质孔隙度度的存在又又有可能使使雷达波产产生散射从从而降低幅幅值的信噪噪比，因此此实际工作作中若根据据反射信号号幅值反演演介质孔隙隙度可能较较其它两个个参数反演演精度低。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

35、隙度变化灵敏度曲线2.2 介介质含水率率变化与雷雷达信号传传播特性关关系介质含水率率变化对雷雷达信号的的影响有时时被认为是是干扰，有有时又可被被利用。第第一章中已已经提到由由于水的特特殊性质，即即具有高介介电常数和和相对较大大的附加电电导率，使使电磁波在在含水介质质中的传播播变得更加加复杂，因因此，介质质含水率模模型可以看看作是均匀匀介质中加加入同时具具有高介电电常数和高高电导率“杂质”的模型。事事实上，介介质中含水水率大小与与介质孔隙隙度是密切切相关的。介介质在饱和和状态下，孔孔隙度越大大，介质含含水率越高高。当介质质处于不饱饱和状态时时，介质中中既含有水水也含有空空气。这里里将计算两两类模

36、型，模模型一中只只考虑介质质含水率变变化，模型型二中同时时考虑含水水率和孔隙隙度的变化化。2.2.11数值模拟拟模型一设设计数值模型仍仍由相对介介电常数（er）、电导导率（s/ssm-）横向向均匀的三三层介质组组成，其中中第一层介介质为空气气；模型及及其坐标系系统见图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介质中存在在的自由水水可以看作作是均匀介介质中加入入一种同时时具有高介介电常数和和高电导率率的“杂质”。雷达波波的传播特特性会随着着“杂质

37、”含量的多多少发生改改变。为研研究介质含含水率变化化对雷达信信号传播的的影响，在在第二层均均匀介质中中加入一定定体积百分分比，呈随随机分布的的高介电常常数、高电电导率的异异常单元。异异常单元： 所占模型型中剖分单单元的体积积百分比分分别为：22，4，100； 由于水水为有极分分子，在高高频电磁场场作用下，水水分子的驰驰豫作用会会产生附加加电导率；因此在数数值模拟计计算时，必必须考虑其其附加电导导率对雷达达波的影响响。依据第第一章提到到的Debbey模型型，在天线线（雷达波波场源）主频频为1GHHz的条件件下，异常常单元的物物性参数取取： 相对介电常常数er80.1； 水自身电导导率为s00.1

38、/ssm-1；驰豫作作用产生的的附加电导导率Im(e)w0.2265/ssm-1，并假设设附加电导导率在雷达达波主频附附近的小范范围内不随随频率而改改变。 2.2.22模型正演演结果分析析图3.111为介质含水水率分别为为2%、4%、10%时，通过天天线中心，分分别平行电电偶极子极极化方向的的剖面上tt=2.00ns时刻刻电场分量量Ex空间分分布状况。可可见： 随着含含水率增大大，雷达波波场产生越越来越强的的散射现象象，电场的的背景“噪声”明显增强强； 介质等等效介电常常数由不含含水时的55.4，增增大到含水水率为100%时的9.88（图3.112），即含水水率每增加加1%，等效效介电常数数平

39、均增大大7.7%。随着含水率率增大，雷雷达波的传传播速度明明显减小（图图3.133）。由不含含水时的112.9ccm/nss近似线性性地减小到到含水率为为10%时的的9.577cm/nns，即含水率率每增加11%反射波波传播速度度平均减小小2.9%。信号的的绝对幅值值则由不含含水时的1114.4mv/mm减小到含含水率为110%时的的84.99mv/mm（图3.14），即含水率每每增加1%，信号绝绝对幅值平平均减小11.9%，从而造成成探地雷达达的有效勘勘探深度也也随之减小小。总之，介质质含水率的的改变会使使雷达波的的空间传播播特性发生生强烈改变变。作为干干扰源，介介质含水率率的变化，会会降低

40、探地地雷达的有有效勘探深深度和对弱弱不均匀体体的空间分分辩能力；对目标层层（体）埋埋藏深度的的估计可能能出现偏差差。正因为电磁磁波对介质质含水率变变化如此灵灵敏，所以以探地雷达达技术更适适合用于探探测含水率率分布不均均匀介质情情况。根据据模型正演演得到的反反射波传播播速度、幅幅值及介质质的等效介介电常数与与介质含水水率之间的的关系式可可用来指导导探地雷达达的资料解解释。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3.155为不同观观测参数的的灵敏度曲曲线。可

41、以以看出介质质的等效介介电常数对对于介质含含水率变化化最为灵敏敏；反射波波速度与信信号幅值的的灵敏度相相当。此外，由于于水在高频频电磁场作作用下能产产生较强的的附加电导导率，致使使信号的幅幅值随介质质含水率变变化发生明明显改变；水又具有有较高的介介电常数使使得电磁波波的传播速速度随介质质含水率的的变化十分分敏感。但但自然界中中的常见物物质大都不不具有这样样双重性质质，这也就就为应用探探地雷达方方法区分水水与非水提提供了十分分有利的前前提。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（v/m）含水率

42、（%）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2.2.33数值模拟拟模型二设设计模型二是为为了与物理理实验结果果进行对比比，以检验验数值模拟拟技术的有有效性。物理实验结结果取自法法国作者SS. Laaurenn发表在“Non-desttructtive Testting in CCivill Enggineeeringg 20003”会议议论文集中中的文章中中。作者为为研究混凝凝土含水率率变化与介介质等效介介电常数及及雷达波传传播特性的的关系，进进行了物理理实验。实实验模型为为立方体，长长和宽均为为25cmm，

43、高为7ccm。雷达天线放放在模型的的上方，天天线主频为为1.5GGHz。模型的的底面放在在一金属板板上，以使使雷达波产产生全反射射（图3.16）。实实验结果得得到了介质质等效介电电常数、传传播速度随随介质含水水率变化的的关系曲线线（图3.17）。根根据实验数数据进行了了CRIMM模型分析析，在CRRIM模型型中，介质质固体材料料的介电常常数取为44.0，孔孔隙度取114%。 图3.166 混凝土土实验模型型（左）及及测量装置置（右） 图3.177 实验结结果图3.188 CRIIM模型与与实测结果果对比为了模拟上上述物理实实验结果，数数值模型仍由相相对介电常常数（er）、电导导率（s/ssm-

44、）横向向均匀的三三层介质组组成，其中中第一层介介质为空气气，第二层层介质的相相对介电常常数和厚度度与物理模模型相同，分分别取er224.2，h2=7cm，雷雷达天线主主频设计为为1.5GGHz，第第三层取电电导率为无无穷大，以以模拟金属属板。模型及其其坐标系统统见图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空气天线为研究介质质孔隙度及及含水率变变化对雷达达信号传播播的影响，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

45、单单元所占模模型剖分单单元的体积积百分比为为14%； 异常单单元中一部部分充填水水，另一部部分充填空空气，二者者在空间上上均为随机机分布。填填水单元所占模模型剖分单单元的体积积百分比分分别为0，2，44，14，同时时，充填空空气的异常常单元所占占模型剖分分单元的体体积百分比比分别为114，12，2，0。 依据DDebey模型型，在天线线（雷达波波场源）主频频为1.55GHz的的条件下，异常单元的物性参数取： 相对介电常常数er80.1； 水自身电导导率为s00.1/ssm-1；弛豫作用产产生的附加加电导率IIm(e)w0.6/sm-1，并假设设附加电导导率在雷达达波主频附附近的小范范围内不随随频率而改改变。 图3.200为数值模模型计算结结果与物理理实验结果果对比情况况。可以看看出，无论论是反射信信号幅值，还还是根据速速度换算出出的介质等等效介电常常数，其数数值模拟结结果与物理理实验结果果都吻合较好好，特别是当当介质含水水率较低时时（含水率率小于6%），两种种结果更为为接近。随随着含水率率增大，介介质的不均均匀程度增增强，干扰扰程度随之之加大，计算结果果相对较分分