1、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 月国土资源部二九年十一月二十日目 录一、研究领域及资助研究项目概况 .11、研究领域 .12、资助研究项目概况 .1二、 研究领域国内外发展趋势和前沿 .21、探地雷达技术应用现状 .22、测量物质含水率的主要方法及存在问题 .33、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 .71、研究项目实施情况 .72、研究工作取得的主要成果和创新点 .8四、
2、经费使用情况 .34五、所在单位审核意见 .341、单位对受资助者给予的支持 .342、单位学术委员会对受资助者研究成果的评价 .353、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 .37一、研究领域及资助研究项目概况 1、研究领域 专业领域：勘探地球物理 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、资助研究项目概况 项目名称：介质含水率与探地雷达信号关系研究 起止时间：2005 年 12 月2008 年 11 月 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
3、动探地雷达方法技术进步。 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：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
4、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。 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
5、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、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 Lwyc 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
6、, 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
7、种仪器系统。在理论研究方面，主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、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
8、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)
9、 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、探地雷达探测物质含水率研究领域现状及发展
10、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
11、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
12、，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。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
13、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）362422 10.105.109.3.5 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（0.022m 3m-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
14、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(aswbn图 2.1 水的介电常数随频率变化曲线其中， 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wa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
15、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 W
16、PRT - 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 0100% ,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
17、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
18、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1、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
19、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。2、研究工作取得的主要成果和创新点 （1）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
20、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。1.1 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)tBE(3.2)JDHt(3.3)(3.4)0B在导电介质中，对于单色电磁波，利用 ， ， 的关系及EHBEj场矢量 、 ，很容易推导出频率域波动方程的解为tier)(Etier)(3.5)(0tkrisBE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，
