科技發(fā)展項(xiàng)目技術(shù)總結(jié)報(bào)告

1、目 錄一、研究領(lǐng)域及資助研究項(xiàng)目概況.11、研究領(lǐng)域.12、資助研究項(xiàng)目概況.1二、 研究領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)和前沿.21、探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀.22、測(cè)量物質(zhì)含水率的主要方法及存在問(wèn)題.33、探地雷達(dá)探測(cè)物質(zhì)含水率研究領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).4三、研究工作總結(jié).71、研究項(xiàng)目實(shí)施情況.72、研究工作取得的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn).8四、經(jīng)費(fèi)使用情況 .34五、所在單位審核意見(jiàn) .341、單位對(duì)受資助者給予的支持.342、單位學(xué)術(shù)委員會(huì)對(duì)受資助者研究成果的評(píng)價(jià).353、對(duì)受資助者資助期間總體工作情況的評(píng)價(jià).36主要參考文獻(xiàn) .37一、研究領(lǐng)域及資助研究項(xiàng)目概況 1、研究領(lǐng)域 專業(yè)領(lǐng)域：勘探地球物理 主要研究

2、方向：探地雷達(dá)在土壤、建筑材料含水率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究2、資助研究項(xiàng)目概況 項(xiàng)目名稱：介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系研究 起止時(shí)間：2005 年 12 月2008 年 11 月 目標(biāo)任務(wù)：應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系研究，建立探地雷達(dá)測(cè)量信號(hào)與介質(zhì)含水率之間準(zhǔn)確合理的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，推動(dòng)探地雷達(dá)方法技術(shù)進(jìn)步。 主要研究?jī)?nèi)容：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。 工作成果：兩年來(lái)，針對(duì)上述研究?jī)?nèi)容開(kāi)展了較系統(tǒng)的研究工作，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的任務(wù)目標(biāo)，取得如下主要成果和認(rèn)識(shí)。 利用時(shí)間域有限差分

3、方法實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)三維正演計(jì)算，編制三維正演軟件。解決了目前探地雷達(dá)常見(jiàn)軟件無(wú)法模擬介質(zhì)孔隙度及含水率變化的問(wèn)題，為應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系問(wèn)題研究提供了有力工具。 首次應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了在介質(zhì)孔隙度及含水率發(fā)生變化時(shí)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播特征的影響規(guī)律。并與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了數(shù)值模擬方法的有效性。 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析了當(dāng)介質(zhì)的孔隙度或含水率發(fā)生改變時(shí)，介質(zhì)的等效介電常數(shù)及雷達(dá)波幅值、傳播速度等參數(shù)隨孔隙度及含水率的變化規(guī)律，并對(duì)這些參數(shù)相對(duì)介質(zhì)孔隙度或含水率變化的靈敏程度進(jìn)行了對(duì)比分析。 在介質(zhì)含水率數(shù)值模擬中，不僅考慮了介質(zhì)電導(dǎo)率的影響，也考慮

4、了高頻電磁場(chǎng)條件下，由于極化滯后效應(yīng)造成的介電損耗，并利用物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，證明了這種思路的合理性。 通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，分析了石英砂、瀝青等材料的等效介電常數(shù)、雷達(dá)波頻譜及傳播速度等參數(shù)隨介質(zhì)含水率的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出了介質(zhì)含水率與等效介電常數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。這些數(shù)學(xué)關(guān)系模型，經(jīng)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，可作為探地雷達(dá)檢測(cè)公路材料含水性的基礎(chǔ)。二、 研究領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)和前沿1、探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀探地雷達(dá)是一種高頻電磁法。與探空雷達(dá)相似，探地雷達(dá)利用發(fā)射天線以寬頻短脈沖形式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在介質(zhì)電磁性質(zhì)不同的界面處會(huì)產(chǎn)生反射，并被接收天線所接收，通過(guò)分

5、析電磁波在時(shí)間、空間的傳播特性實(shí)現(xiàn)探測(cè)地下目標(biāo)體的空間位置、規(guī)模和物理性質(zhì)等目的。探地雷達(dá)技術(shù)具有分辨率高、無(wú)損、高效等特點(diǎn)。探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用最早可追溯到上世紀(jì)初。早在 1910 年，德國(guó)的 G. Leimback 和 Lwyc 曾以專利形式闡明了這一現(xiàn)象。第一次正式應(yīng)用是在 1929年用以確定冰河的深度（Stern, 1929, 1930），之后這種技術(shù)幾乎消失。直到1950 年因有飛機(jī)失事掉進(jìn)格陵蘭島的冰縫中，才再次采用探地雷達(dá)技術(shù)。受儀器性能和理論研究等因素的限制，探地雷達(dá)初期的應(yīng)用僅限于波吸收很弱的冰層、鹽巖礦等介質(zhì)中(Cook, 1964; Barringer, 1965; Lun

6、dien, 1966)。隨著儀器信噪比的大大提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，七十年代以后，探地雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。1972 年更被阿波羅號(hào)宇宙飛船帶上了月球(Simmons et al., 1972)。目前，探地雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于工程勘察、考古、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域。在儀器制造方面，國(guó)際幾大著名廠商相繼推出適于不同應(yīng)用的多種儀器系統(tǒng)。在理論研究方面，主要集中在信號(hào)處理和正反演研究等方面(Olhoeft, 2000)。每?jī)赡暾匍_(kāi)一次的國(guó)際探地雷達(dá)會(huì)議基本反映出探地雷達(dá)技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。我國(guó)探地雷達(dá)研究始于七十年代初期，原地質(zhì)礦產(chǎn)部物探研究所、煤炭部煤炭科學(xué)院等科研單位開(kāi)展過(guò)探地雷達(dá)儀器研制和野外

7、實(shí)驗(yàn)工作。目前，我國(guó)已有幾百家單位擁有探地雷達(dá)設(shè)備和有關(guān)技術(shù)人員，行業(yè)覆蓋地質(zhì)、冶金、煤炭、水利、交通、建筑、考古、環(huán)境及軍事等。主要使用進(jìn)口儀器，也有少量國(guó)產(chǎn)儀器在銷售和使用。在研究方面主要是針對(duì)信號(hào)處理技術(shù)，少數(shù)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了正反演方法研究。2、測(cè)量物質(zhì)含水率的主要方法及存在問(wèn)題實(shí)際生活中，常常需要研究或了解天然物質(zhì)和人工材料的孔隙度和含水率等參數(shù)隨空間或時(shí)間的變化，如了解土壤、巖石的孔隙度及含水率的大小在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防，海侵程度監(jiān)測(cè)，凍土層調(diào)查，賦水層位的確定，公路、機(jī)場(chǎng)跑道危險(xiǎn)隱患調(diào)查，建筑地基狀況的評(píng)估及種植業(yè)管理等方面都是十分重要的指標(biāo)。了解建筑材料孔隙度及含水率情況同樣是評(píng)價(jià)

8、材料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。如瀝青是一種廣泛用于鋪設(shè)公路路面的材料，影響瀝青公路質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是瀝青材料的孔隙度大小。其原因是由于孔隙中可能充滿空氣、水、冰或者它們的混合物，它們的存在會(huì)嚴(yán)重影響瀝青材料的整體物理性質(zhì)，進(jìn)而造成材料質(zhì)量發(fā)生變化。目前，檢測(cè)物質(zhì)含水量的常見(jiàn)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(kāi)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)

9、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、探地雷達(dá)探測(cè)物質(zhì)含水率研究領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)目前，探地雷達(dá)的應(yīng)用還主要集中在探測(cè)目標(biāo)體的空間位置、幾何形態(tài)等方面。在資料處理和解釋中通常假設(shè)目標(biāo)體及其周圍介質(zhì)是均勻的，然而事實(shí)上，大自然中常見(jiàn)物質(zhì)，如土壤、巖石及人工合成建筑材料等，都是由多種成分組成的，因此這些物質(zhì)的電磁性質(zhì)既取決于物質(zhì)組成成分的物理性質(zhì)，也受物質(zhì)的結(jié)

10、構(gòu)及其孔隙度、含水率、溫度等多種因素的影響。在多數(shù)情況下，這些因素在一定尺度范圍內(nèi)并非處處相同，因此天然物質(zhì)存在著不均勻性，雷達(dá)波在其中的傳播特性會(huì)因此發(fā)生一定程度的改變。特別是，由于水具有較高的介容率，又是有極分子，不僅會(huì)改變物質(zhì)的電導(dǎo)率，更會(huì)改變物質(zhì)整體介電常數(shù)。因此，物質(zhì)的含水狀況對(duì)雷達(dá)波的傳播速度和能量損耗都會(huì)產(chǎn)生很大影響，使雷達(dá)波在介質(zhì)中的傳播特性對(duì)介質(zhì)含水率的變化十分敏感，因此應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)物質(zhì)含水情況具有良好的地球物理前提，可以應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)介質(zhì)含水率的變化情況。重要的是，相對(duì)上述幾種檢測(cè)物質(zhì)含水率的常見(jiàn)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)：

11、與測(cè)量介質(zhì)非接觸。因此既可以應(yīng)用于土壤等非固結(jié)狀物質(zhì)，也可以應(yīng)用于巖石、瀝青、混凝土等固結(jié)狀物質(zhì)，且不會(huì)對(duì)介質(zhì)造成任何破壞，是真正的無(wú)損檢測(cè)； 現(xiàn)代雷達(dá)提供了高密度采樣測(cè)量方式，因此可以對(duì)測(cè)量介質(zhì)實(shí)現(xiàn)空間或時(shí)間上連續(xù)測(cè)量，相對(duì)傳統(tǒng)的定點(diǎn)測(cè)量方式，更能準(zhǔn)確地對(duì)介質(zhì)整體含水狀況進(jìn)行評(píng)估。 探地雷達(dá)不僅具有較高的橫向分辨能力，也具有較高的縱向分辨能力和一定的勘探深度，因此可以同時(shí)對(duì)地下不同物質(zhì)層（如路基不同基層）同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，且可以同時(shí)對(duì)不同層位的含水情況分別進(jìn)行評(píng)估； 測(cè)量效率高。如采用車載雷達(dá)，可以 50 公里/小時(shí)的速度進(jìn)行測(cè)量，因此更適合開(kāi)展大范圍的監(jiān)測(cè)。正是因?yàn)樘降乩走_(dá)技術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，應(yīng)

12、用探地雷達(dá)檢測(cè)介質(zhì)含水率成為近年來(lái)探地雷達(dá)技術(shù)新的研究方向。然而，介質(zhì)含水率的變化與雷達(dá)波的傳播特性之間的關(guān)系十分復(fù)雜，需要通過(guò)開(kāi)展理論和實(shí)驗(yàn)研究建立起兩者之間的定量關(guān)系，才能使探地雷達(dá)技術(shù)真正應(yīng)用于探測(cè)物質(zhì)含水率這一領(lǐng)域。在這一方面已有一些學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。Hasted （1973）通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了 25條件下水的介電常數(shù)隨電磁波頻率變化情況（圖），可見(jiàn)在高頻電磁場(chǎng)作用下水的極化特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的頻散特征。Topp（1980）通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出的土壤介電常數(shù)與土壤含水率之間的近似關(guān)系式：（）362422103 . 4105 . 51092. 2103 . 5bbb圖水的介電常數(shù)隨頻率變化曲線實(shí)踐證明

13、上述實(shí)驗(yàn)公式可以在不同類型、成分的土壤條件下取得較高的精度（0.022m3m-3，Jacobsen 和 Schjonning，1994）。更多的學(xué)者（如 Dobson 1985，Roth 1990，F(xiàn)riedman 1998，Jones 和Friedman 2000）則是建立土壤不同組成成分的介電常數(shù)和含量多少（包括含水率的多少）與土壤整體介電常數(shù)之間的關(guān)系模型。在這些模型中，土壤整體介電常數(shù)與土壤顆粒、土壤中含水率以及土壤中的空氣含量之間的關(guān)系可以用如下CRIM （Complex Refraction Index Model）模型來(lái)描述 （）1)()1 (aswbnn其中，為土壤整體介電常數(shù)

14、，為土壤含水率，n 為土壤的孔隙度，、bs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wa的相對(duì)關(guān)系有關(guān)。上述表明前人的研究主要集中在土壤含水率與土壤整體介電常數(shù)之間的關(guān)系，這些關(guān)系式在測(cè)量土壤含水率方面取得較好效果，但不能直接用于描述其它介質(zhì)的含水率與介質(zhì)介電常數(shù)之間的關(guān)系。在其它介質(zhì)研究方面，S. Laurens 等研究了混凝土材料中含水率變化與雷達(dá)信號(hào)之間的關(guān)系，討論了雷達(dá)信號(hào)的速度、介電常數(shù)、幅值及相位與含水率之間的關(guān)系。Lanbo Liu 等研究了瀝青材料中孔隙度、含水率與整體介電常數(shù)之間的關(guān)系，研究表明：在干燥條件下，介質(zhì)孔隙度的變化對(duì)整體介電常數(shù)影響不大；隨著

15、含水率的增加介質(zhì)整體介電常數(shù)明顯增大。但研究尚不夠深入。在應(yīng)用方面，美國(guó)在應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測(cè)葡萄園土壤水分狀況方面取得了很好的應(yīng)用效果；一些國(guó)家在應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測(cè)高速公路路基含水情況方面也開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用工作。從國(guó)內(nèi)刊物發(fā)表的文章看，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科技人員開(kāi)展了部分研究工作，如楊厚榮等開(kāi)發(fā)了 WPRT - 1 型原油持(含) 水率雷達(dá)測(cè)井儀，巧妙地利用了雷達(dá)探測(cè)技術(shù), 可將原油持水率的測(cè)量范圍擴(kuò)大到 0100% ,測(cè)量精度達(dá) 1% ,有效地解決了油田高含水率生產(chǎn)的測(cè)量問(wèn)題。在其它方面，如能否應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究介質(zhì)含水率變化與雷達(dá)信號(hào)之間的關(guān)系，以及其它因素如環(huán)境溫度、介質(zhì)孔隙的大小等

16、因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等方面的研究工作開(kāi)展得還很少。研究介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)之間的關(guān)系可以利用數(shù)值模擬和物理模擬兩種方法。數(shù)值模擬方法方便、靈活，但由于數(shù)值模擬過(guò)程中進(jìn)行了一定程度的近似處理，因此數(shù)值模擬結(jié)果與物理模擬結(jié)果會(huì)有一定差別，可以用于研究一般性規(guī)律。物理模擬更能準(zhǔn)確地反映特定環(huán)境下物質(zhì)含水率變化對(duì)雷達(dá)波的影響規(guī)律，對(duì)探地雷達(dá)資料精確解釋是必不可少的，因此后者應(yīng)用較為普遍。雖然，探地雷達(dá)數(shù)值模擬技術(shù)最近十年得到了較大發(fā)展，國(guó)際上一些大學(xué)如荷蘭 Delft 理工大學(xué)、美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院及一些商業(yè)公司開(kāi)展了大量研究工作，已有商業(yè)或免費(fèi)二、三維正演軟件出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)中國(guó)礦業(yè)大

17、學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也有學(xué)者開(kāi)展了數(shù)值模擬技術(shù)研究。但是，在數(shù)值模擬研究領(lǐng)域，除算法研究外，應(yīng)用研究主要集中在研究均勻介質(zhì)中局部不均勻體的響應(yīng)，雷達(dá)天線極化特性，介質(zhì)頻散特性等方面。由于這些研究中都假設(shè)介質(zhì)是均勻的，因此目前大多數(shù)軟件不能用于模擬介質(zhì)不均勻變化，也就難以直接用來(lái)模擬介質(zhì)含水情況。也很少見(jiàn)到利用數(shù)值模擬技術(shù)研究介質(zhì)含水率變化對(duì)雷達(dá)波的傳播特性影響規(guī)律等方面的報(bào)道。總之，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)大規(guī)模的測(cè)量介質(zhì)無(wú)損、高效、低成本地實(shí)現(xiàn)橫向與縱向空間連續(xù)觀測(cè)，是近年來(lái)探地雷達(dá)技術(shù)研究的新方向。但是，在建立探地雷達(dá)信號(hào)與介質(zhì)含水率之間的定量關(guān)系方面工作開(kāi)展得還很不夠，需要開(kāi)展更系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)；在

18、數(shù)值模擬方面還需要研制開(kāi)發(fā)更適合的計(jì)算軟件。三、研究工作總結(jié)1、研究項(xiàng)目實(shí)施情況根據(jù)合同要求，按計(jì)劃全面開(kāi)展了研究工作，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： 研制一套探地雷達(dá)三維正演軟件； 完成了石英、瀝青砂等不同材料的探地雷達(dá)檢測(cè)含水率的物理模型試驗(yàn)； 完成了部分理論模型的數(shù)值模擬研究； 完成了物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)的整理和分析； 初步建立了適于瀝青、石英砂等材料的含水率-介電常數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系式。2、研究工作取得的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn) （1）受資助期間取得的

19、主要研究成果成果一 利用時(shí)間域有限差分法實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)三維正演計(jì)算，研制了一套探地雷達(dá)三維正演軟件，解決了目前探地雷達(dá)常見(jiàn)軟件無(wú)法模擬介質(zhì)孔隙度、含水率變化的問(wèn)題，為應(yīng)用數(shù)值模擬方法開(kāi)展介質(zhì)含水率問(wèn)題研究提供了有力工具。自然條件下，水賦存于介質(zhì)內(nèi)部的孔隙中，而且在非飽和狀態(tài)下，一部分孔隙含水，另一部分孔隙則充填為空氣。因此，開(kāi)展介質(zhì)含水率數(shù)值模擬時(shí)，要求正演程序要能實(shí)現(xiàn)均勻介質(zhì)中隨機(jī)分布有不同比例的自由水或空氣等“雜質(zhì)”，而目前常見(jiàn)的正演軟件均假設(shè)介質(zhì)是均勻的，無(wú)法模擬介質(zhì)含水狀態(tài)，要應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系，首先要研制一套合適的探地雷達(dá)三維正演軟件。 基本理論實(shí)驗(yàn)表明

20、，所有的電磁現(xiàn)象都服從麥克斯韋方程，在時(shí)間域中，麥克斯韋方程有如下形式： t BE JDHt D 0 B在導(dǎo)電介質(zhì)中，對(duì)于單色電磁波，利用，的關(guān)系及EDHBEj場(chǎng)矢量、，很容易推導(dǎo)出頻率域波動(dòng)方程的解為tier)(EEtier)(BB )(0)(0tkrisrtkrisreeeeBBEE其中k和s與介質(zhì)物性參數(shù)和電磁波頻率有關(guān)。值得指出的是，水分子在交變電場(chǎng)情況下容易被極化，偶極距隨交變電場(chǎng)不斷改變方向。受分子的慣性影響，偶極子的取向需要一定時(shí)間（馳豫時(shí)間），出現(xiàn)極化滯后現(xiàn)象，即電場(chǎng)和感應(yīng)偶極矩之間出現(xiàn)了相位差，這時(shí)水的介電常數(shù)實(shí)際為復(fù)數(shù)，即：，此時(shí)，式中k和s分別為：)Im()Re(i 21

21、22121)Re()Im(1211)Re()Im(121sk因子S決定振幅隨傳播距離的減速度，故稱S為衰減系數(shù)。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v由因子K決定 2121)Re()Im(1211kv可以看出，介電常數(shù)的實(shí)部為介質(zhì)的固有極化，虛部為介電損耗，并與導(dǎo)電率合并成為介質(zhì)的有效導(dǎo)電率。實(shí)驗(yàn)表明介電常數(shù)的實(shí)部和虛部還隨頻率變化，變化規(guī)律可以用Debye公式來(lái)描述（Debye，1929） )(1)(relsffif其中，、為直流和極高頻狀態(tài)下介質(zhì)的介電常數(shù)，為弛豫頻率。srelf對(duì)于25條件下的自然水，其Debye參數(shù)為s=，=，frel= （Hasted,1973）。根據(jù)Debye模型可以計(jì)算出當(dāng)雷

22、達(dá)波頻率為1GHz時(shí)，由于水分子的遲豫作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率約為m，這與自然狀態(tài)下常見(jiàn)物質(zhì)的電導(dǎo)率在同一量級(jí)或更高一些，因此在介質(zhì)含水率模型正演計(jì)算中，必須考慮水分子所產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率的影響。 數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)三維正演計(jì)算最常采用的方法是時(shí)間域有限差分法。時(shí)間域有限差分法最早由Yee于1966年提出，是一種對(duì)麥克斯韋方程進(jìn)行離散化的簡(jiǎn)單實(shí)用技術(shù)。Yee巧妙地在剖分單元內(nèi)使電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量在時(shí)間和空間上相互分離，利用中心差商代替微商把連續(xù)變量離散化，使含時(shí)間變量的麥克斯韋旋度方程離散以后構(gòu)成顯式差分方程，從而可以在時(shí)間上迭代求解，而不需要進(jìn)行矩陣求逆運(yùn)算。由給定相應(yīng)電磁問(wèn)題的初始值，應(yīng)用時(shí)

23、間域有限差分法就可以逐步推進(jìn)地求得以后各個(gè)時(shí)刻空間電磁場(chǎng)的分布。具體計(jì)算流程如下：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)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)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)值應(yīng)用吸收邊界條件計(jì)算邊界上的電場(chǎng)值 數(shù)值計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)根據(jù)電磁場(chǎng)理論可以推導(dǎo)出球坐標(biāo)系下描述自由空間中電偶極子輻射場(chǎng)時(shí)空分布的解析公式如下: crtprctrctrctrcrtrrsincos24,222222eeE式中p(t)

24、為偶極子的電偶極矩，c為光速。為方便求解，發(fā)射信號(hào)選為高斯脈沖，其函數(shù)的時(shí)域形式為： 2204exptttEi其中為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度，脈沖峰值出現(xiàn)在時(shí)刻，如圖0tt 所示，實(shí)際計(jì)算中=2ns。圖、分別為電偶極子下方10和25厘米處平行偶極子方向電場(chǎng)的解析解和時(shí)間域有限差分法三維正演對(duì)比結(jié)果。對(duì)比結(jié)果顯示，在電偶極子下方10厘米處，解析解和數(shù)值解十分接近；25厘米處的結(jié)果顯示在信號(hào)晚時(shí)兩者存在少許差別，其原因可能是邊界效應(yīng)引起的。數(shù)值解與解析解的一致性證明研制的正演軟件是可靠的。是是否完成設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)輸出數(shù)據(jù)文件否結(jié)束圖高斯脈沖信號(hào)012345t (ns)00.20.40.60.81E

25、 (v)成果二 首次應(yīng)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了介質(zhì)孔隙度及含水率變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播特征影響規(guī)律的研究。在介質(zhì)含水率數(shù)值模擬中，不僅考慮了介質(zhì)電導(dǎo)率的影響，也考慮了高頻電磁場(chǎng)條件下，由于極化滯后效應(yīng)造成的介電損耗，并利用物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，證明了這種思路的合理性。研究結(jié)果表明應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究介質(zhì)孔隙度及含水率的變化對(duì)探地雷達(dá)信號(hào)傳播特性的影響規(guī)律是可行的。介質(zhì)孔隙度變化與雷達(dá)信號(hào)傳播特性關(guān)系2.1.1 數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)： 數(shù)值模擬模型由相對(duì)介電常數(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(jiàn)圖，即：各層介質(zhì)物性參數(shù)：r1、1m，

26、r2、2m、r3、3；模型整體尺寸：0.50m，第一界面位于 XOY 平面上 0.25m，第二界面在 0.45m 處；雷達(dá)波場(chǎng)源為電偶極子天線，位于第一界面中心上方 0.01m 處；電偶極子極化方向平行 X 軸，主頻 1GHz；剖分單元尺寸：0.005m。圖 天線下方 10 厘米處數(shù)值解和解析解計(jì)算結(jié)果數(shù)值解幅值(v/m)時(shí)間（ns）時(shí)間（ns）幅值(v/m)圖 天線下方 25 厘米處數(shù)值解和解析解計(jì)算結(jié)果數(shù)值解解析解解析解為研究介質(zhì)孔隙度變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播的影響： 在第二層介質(zhì)中加入隨機(jī)分布，相對(duì)介電常數(shù)r、電導(dǎo)率 =m 的異常單元，借以模擬均勻介質(zhì)中分布有充滿空氣的孔隙； 異常單元所占模型

27、剖分單元的體積百分比分別為：2，4，10。2.1.2 模型正演結(jié)果分析介質(zhì)的孔隙可看作均勻介質(zhì)中加入具有另一種介電常數(shù)的“雜質(zhì)”。雷達(dá)波的傳播特性會(huì)隨著“雜質(zhì)”含量的多少發(fā)生改變。圖為介質(zhì)孔隙度分別為 2%、4%、10%時(shí)，通過(guò)天線中心，平行電偶極子極化方向剖面上 t=時(shí)刻電場(chǎng)分量 Ex 空間分布狀況，可見(jiàn)隨著孔隙度增大，電場(chǎng)的背景“噪聲”明顯增強(qiáng)。圖 模型示意圖模型參數(shù)：第一層：r1，1=(s/m)，厚度 h1=25cm第二層：r2，2=(s/m)，厚度 h2=20cm第三層：r3，3xyz=5.40 s/m空氣天線計(jì)算結(jié)果表明：隨著介質(zhì)孔隙度增大，由于孔隙內(nèi)充填的空氣使介質(zhì)的等效介電常數(shù)減

28、?。▓D），雷達(dá)波傳播速度增大（圖），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）。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1%，反射波傳播速度平均增大%。介質(zhì)等效介電常數(shù)由孔隙度為零時(shí)的減小到孔隙度為 10%時(shí)的，即孔隙度每增加 1%，等效介電常數(shù)平均減小%。不同的觀測(cè)參數(shù)相對(duì)介質(zhì)孔隙度變化的靈敏程度也不一樣。圖為不同觀測(cè)參數(shù)的靈敏度曲線?？梢钥闯鼋橘|(zhì)的等效介電常數(shù)對(duì)于介質(zhì)孔隙度變化最靈敏，反射波速度次之，這是因?yàn)榻殡姵?shù)與電磁波傳播速度呈平方反比關(guān)系。信號(hào)的幅值相對(duì)靈敏度較低，這是因?yàn)樾盘?hào)幅值的改變

29、主要是因?yàn)榻橘|(zhì)孔隙度的變化改變了介質(zhì)的等效介電常數(shù)，從而改變了介質(zhì)與相鄰介質(zhì)間的反射和折射系數(shù)，使電磁波的傳播發(fā)生改變，但這種改變是有限的。另一方面，介質(zhì)孔隙度的存在又有可能使雷達(dá)波產(chǎn)生散射從而降低幅值的信噪比，因此實(shí)際工作中若根據(jù)反射信號(hào)幅值反演介質(zhì)孔隙度可能較其它兩個(gè)參數(shù)反演精度低。 02468104.855.25.4024681012.81313.213.413.613.8圖雷達(dá)波傳播速度隨孔隙度變化曲線圖介質(zhì)等效介電常數(shù)隨孔隙度變化曲線孔隙度 (%)等效介電常數(shù)速度（cm/ns）孔隙度（%）圖 t=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

30、%；3： 孔隙度4%；4： 孔隙度6%；5： 孔隙度8%；6：孔隙度10% 02468100.0270.02720.02740.02760.02780246810-0.400.40.81.2 介質(zhì)含水率變化與雷達(dá)信號(hào)傳播特性關(guān)系介質(zhì)含水率變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響有時(shí)被認(rèn)為是干擾，有時(shí)又可被利用。第一章中已經(jīng)提到由于水的特殊性質(zhì)，即具有高介電常數(shù)和相對(duì)較大的附加電導(dǎo)率，使電磁波在含水介質(zhì)中的傳播變得更加復(fù)雜，因此，介質(zhì)含水率模型可以看作是均勻介質(zhì)中加入同時(shí)具有高介電常數(shù)和高電導(dǎo)率“雜質(zhì)”的模型。事實(shí)上，介質(zhì)中含水率大小與介質(zhì)孔隙度是密切相關(guān)的。介質(zhì)在飽和狀態(tài)下，孔隙度越大，介質(zhì)含水率越高。當(dāng)介質(zhì)處于

31、不飽和狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)中既含有水也含有空氣。這里將計(jì)算兩類模型，模型一中只考慮介質(zhì)含水率變化，模型二中同時(shí)考慮含水率和孔隙度的變化。2.2.1 數(shù)值模擬模型一設(shè)計(jì)數(shù)值模型仍由相對(duì)介電常數(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(jiàn)圖。圖反射波幅值隨孔隙度變化曲線圖不同觀測(cè)參數(shù)隨孔隙度變化靈敏度曲線反射波幅值（v/m）孔隙度（%）孔隙度（%）靈敏度（dB）等效介電常數(shù)雷達(dá)波速度反射信號(hào)幅值=5.40s/mxyz介質(zhì)中存在的自由水可以看作是均勻介質(zhì)中加入一種同時(shí)具有高介電常數(shù)和高電導(dǎo)率的“雜質(zhì)”。雷達(dá)波的傳播特性會(huì)隨著“雜質(zhì)”含量的多少發(fā)生改變。為研究介質(zhì)

32、含水率變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播的影響，在第二層均勻介質(zhì)中加入一定體積百分比，呈隨機(jī)分布的高介電常數(shù)、高電導(dǎo)率的異常單元。異常單元： 所占模型中剖分單元的體積百分比分別為：2，4，10； 由于水為有極分子，在高頻電磁場(chǎng)作用下，水分子的馳豫作用會(huì)產(chǎn)生附加電導(dǎo)率；因此在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，必須考慮其附加電導(dǎo)率對(duì)雷達(dá)波的影響。依據(jù)第一章提到的 Debey 模型，在天線（雷達(dá)波場(chǎng)源）主頻為 1GHz 的條件下，異常單元的物性參數(shù)取：相對(duì)介電常數(shù)r；水自身電導(dǎo)率為sm-1；馳豫作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率 Im()sm-1，并假設(shè)附加電導(dǎo)率在雷達(dá)波主頻附近的小范圍內(nèi)不隨頻率而改變。 2.2.2 模型正演結(jié)果分析空氣天線圖模

33、型示意圖模型參數(shù)：第一層：r1，1=(s/m)，厚度 h1=35cm第二層：r2，2=(s/m)，厚度 h2=10cm第三層：r3，3圖為介質(zhì)含水率分別為 2%、4%、10%時(shí)，通過(guò)天線中心，分別平行電偶極子極化方向的剖面上 t=時(shí)刻電場(chǎng)分量 Ex 空間分布狀況?？梢?jiàn)： 隨著含水率增大，雷達(dá)波場(chǎng)產(chǎn)生越來(lái)越強(qiáng)的散射現(xiàn)象，電場(chǎng)的背景“噪聲”明顯增強(qiáng)； 介質(zhì)等效介電常數(shù)由不含水時(shí)的，增大到含水率為 10%時(shí)的（圖），即含水率每增加 1%，等效介電常數(shù)平均增大%。隨著含水率增大，雷達(dá)波的傳播速度明顯減?。▓D）。由不含水時(shí)的 12.9cm/ns 近似線性地減小到含水率為10%時(shí)的 9.57cm/ns，即

34、含水率每增加 1%反射波傳播速度平均減小%。信號(hào)的絕對(duì)幅值則由不含水時(shí)的 m 減小到含水率為 10%時(shí)的 m（圖），即含水率每增加 1%，信號(hào)絕對(duì)幅值平均減小%，從而造成探地雷達(dá)的有效勘探深度也隨之減小。總之，介質(zhì)含水率的改變會(huì)使雷達(dá)波的空間傳播特性發(fā)生強(qiáng)烈改變。作為干擾源，介質(zhì)含水率的變化，會(huì)降低探地雷達(dá)的有效勘探深度和對(duì)弱不均勻體的空間分辯能力；對(duì)目標(biāo)層（體）埋藏深度的估計(jì)可能出現(xiàn)偏差。正因?yàn)殡姶挪▽?duì)介質(zhì)含水率變化如此靈敏，所以探地雷達(dá)技術(shù)更適合用于探測(cè)含水率分布不均勻介質(zhì)情況。根據(jù)模型正演得到的反射波傳播速度、幅值及介質(zhì)的等效介電常數(shù)與介質(zhì)含水率之間的關(guān)系式可用來(lái)指導(dǎo)探地雷達(dá)的資料解釋。

35、圖為不同觀測(cè)參數(shù)的靈敏度曲線?？梢钥闯鼋橘|(zhì)的等效介電常數(shù)對(duì)于介質(zhì)含水率變化最為靈敏；反射波速度與信號(hào)幅值的靈敏度相當(dāng)。圖 t=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%此外，由于水在高頻電磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生較強(qiáng)的附加電導(dǎo)率，致使信號(hào)的幅值隨介質(zhì)含水率變化發(fā)生明顯改變；水又具有較高的介電常數(shù)使得電磁波的傳播速度隨介質(zhì)含水率的變化十分敏感。但自然界中的常見(jiàn)物質(zhì)大都不具有這樣雙重性質(zhì)，這也就為應(yīng)用探地雷達(dá)方法區(qū)分水與非水提供了十分有利的前提。2.2.3 數(shù)值模擬模型二設(shè)計(jì)模型二是為了與物

36、理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)數(shù)值模擬技術(shù)的有效性。物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果取自法國(guó)作者 S. Lauren 發(fā)表在“Non-destructive Testing in Civil Engineering 2003”會(huì)議論文集中的文章中。作者為研究混凝土含水率變化與介質(zhì)等效介電常數(shù)及雷達(dá)波傳播特性的關(guān)系，進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榱⒎襟w，長(zhǎng)和寬均為 25cm，高為 7cm。雷達(dá)天線放在模型的上方，天線主頻為。模型的底面放在一金屬板上，以使雷達(dá)波產(chǎn)生全反射（圖）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了介質(zhì)等效介電常數(shù)、傳播速度隨介質(zhì)含水率變化的關(guān)系曲線（圖）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了 CRIM 模型分析，在 CRIM 模型中，介質(zhì)固體材料

37、的介電常數(shù)取為，孔隙度取 14%。圖 混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄗ螅┘皽y(cè)量裝置（右）圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 CRIM 模型與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比傳播速度圖 雷達(dá)波速度隨含水率變化曲線圖反射波幅值隨含水率變化曲線圖等效介電常數(shù)隨含水率變化曲線圖 不同測(cè)量參數(shù)靈敏度曲線02468100123456含水率（%）靈敏度（dB）等效介電常數(shù)信號(hào)幅值（v/m）含水率（%）02468100.080.090.10.110.12速度（cm/ns）含水率 (%)02468109101112130123456789105678910等效介電常數(shù)含水率 (%)信號(hào)幅值為了模擬上述物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值模型仍由相對(duì)介電常數(shù)（r）、電導(dǎo)率（/sm-）

38、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r2，h2=7cm，雷達(dá)天線主頻設(shè)計(jì)為，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(jiàn)圖。=4.20 s/mxyz為研究介質(zhì)孔隙度及含水率變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播的影響，孔隙度及含水率變化異常場(chǎng)的設(shè)計(jì)，是在第二層均勻介質(zhì)中加入呈隨機(jī)分布的異常單元： 異常單元所占模型剖分單元的體積百分比為 14%； 異常單元中一部分充填水，另一部分充填空氣，二者在空間上均為隨機(jī)分布。填水單元所占模型剖分單元的體積百分比分別為0，2，4，14，同時(shí)，充填空氣的異常單元所占模型剖分單元的體積百分比分別為 14，12

39、，2，0。 依據(jù) Debey 模型，在天線（雷達(dá)波場(chǎng)源）主頻為的條件下，異常單元的物性參數(shù)?。合鄬?duì)介電常數(shù)r；圖模型示意圖模型參數(shù)：第一層：r1，1=(s/m)，厚度 h1=25cm第二層：r2，2=(s/m)，厚度 h2=7cm第三層：r3，3空氣天線水自身電導(dǎo)率為sm-1；弛豫作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率 Im()sm-1，并假設(shè)附加電導(dǎo)率在雷達(dá)波主頻附近的小范圍內(nèi)不隨頻率而改變。 圖為數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況?？梢钥闯?，無(wú)論是反射信號(hào)幅值，還是根據(jù)速度換算出的介質(zhì)等效介電常數(shù)，其數(shù)值模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果都吻合較好，特別是當(dāng)介質(zhì)含水率較低時(shí)（含水率小于 6%），兩種結(jié)果更為接近。隨

40、著含水率增大，介質(zhì)的不均勻程度增強(qiáng)，干擾程度隨之加大，計(jì)算結(jié)果相對(duì)較分散。但數(shù)值模擬技術(shù)能較好地計(jì)算出反射信號(hào)幅值的相對(duì)變化情況。數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析證明了數(shù)值模擬技術(shù)的可行性和有效性，也說(shuō)明了在數(shù)值模擬計(jì)算中由于引入了附加電導(dǎo)率，使其結(jié)果更為合理。因此，數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)可以作為研究介質(zhì)不均勻性對(duì)電磁波傳播特性影響規(guī)律的有效手段。成果三 開(kāi)展了石英砂、公路瀝青等材料的探地雷達(dá)檢測(cè)含水率物理模型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了這些材料的等效介電常數(shù)、幅值、傳播速度、頻譜特征等參數(shù)隨介質(zhì)含水率的變化規(guī)律；用數(shù)值模擬方法和前人的試驗(yàn)數(shù)圖 物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比含水率（%）反射

41、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)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)介質(zhì)含水率是可行的，其無(wú)損、非接觸、高效的特性表現(xiàn)出其它檢測(cè)介質(zhì)含水率的傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)。（2）資助期間發(fā)表論文、論著、報(bào)告及專利情況資助期間發(fā)表論文 4 篇，完成研究報(bào)告 7 部。 Experimental determination of bulk dielectric properties and porosity of porous asphalt and soils using GPR an

42、d a cyclic moisture variation technique，Geophysics，Vol. 71, No. 4，第三作者； Structural features of the Coqen basin in central Tibet by magnetotelluric sounding，Journal of China University of Geosciences，,Special Issue,第一作者； 青藏高原措勤盆地大地電磁測(cè)量初步結(jié)果，物化探計(jì)算技術(shù)，2007 年增刊，第一作者； 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，物探與化探，, 2009第一作者；

43、 羌塘盆地石油地質(zhì)走廊大剖面綜合地質(zhì)調(diào)查（玉盤(pán)湖雙湖段）大地電磁測(cè)深調(diào)查報(bào)告，第一作者； 措勤盆地石油地質(zhì)走廊大剖面綜合地質(zhì)調(diào)查（洞錯(cuò)東措勤段）大地電磁測(cè)深調(diào)查報(bào)告，第二作者； 羌塘盆地龍尾湖區(qū)塊連續(xù)電磁剖面（CEMP）測(cè)量成果報(bào)告，第一作者； 羌塘盆地關(guān)鍵地段連續(xù)電磁剖面測(cè)量成果報(bào)告，第一作者； 青藏高原石油地質(zhì)調(diào)查大地電磁測(cè)量綜合研究報(bào)告，第一作者； 青藏高原非地震油氣勘探方法技術(shù)綜合研究成果報(bào)告，第三作者； 青藏高原油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)成果報(bào)告，主筆一章。（3）負(fù)責(zé)和參加相關(guān)科研項(xiàng)目情況資助期間，除完成資助課題外，還承擔(dān)了如下科研工作。 參加國(guó)家油氣專項(xiàng)“青藏高原油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)

44、查與評(píng)價(jià)（XQ200406）”過(guò)程中，負(fù)責(zé)完成了如下專題： 洞錯(cuò)東措勤石油地質(zhì)走廊大剖面大地電磁測(cè)量（科油200610 號(hào)），2006 年，經(jīng)費(fèi) 130 萬(wàn)，第一負(fù)責(zé)人； 羌塘盆地龍尾錯(cuò)區(qū)塊連續(xù)電磁剖面（CEMP）測(cè)量（科油200615 號(hào)），2006 年，經(jīng)費(fèi) 50 萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人； 羌塘盆地重點(diǎn)地區(qū)電磁陣列剖面測(cè)量（科油200707 號(hào)），2007 年，經(jīng)費(fèi) 256 萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人； 青藏高原油氣勘探方法技術(shù)綜合研究（科油200613 號(hào)、科油200709 號(hào)、科油200806 號(hào)、科油200807 號(hào)），2006-2008 年，經(jīng)費(fèi) 366 萬(wàn)元，第二負(fù)責(zé)人。 國(guó)土資源部公益性行業(yè)科

45、研專項(xiàng)“重要成礦區(qū)帶地球物理深部探測(cè)與研究示范（9）”，2008-2009，總經(jīng)費(fèi) 304 萬(wàn)，第一負(fù)責(zé)人。 國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目“龍門山及鄰近構(gòu)造帶綜合地球物理調(diào)查（）”，2009-2011 年，2009 年度經(jīng)費(fèi) 200 萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人。 國(guó)土資源大調(diào)查與物化探所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)聯(lián)合資助項(xiàng)目“永久凍土區(qū)天然氣水合物電磁異常特征研究”，2009 年，總經(jīng)費(fèi) 80 萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人。 國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目（）“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質(zhì)綜合調(diào)查”，2007-2010 年，2009 年度經(jīng)費(fèi) 180 萬(wàn)元，第三負(fù)責(zé)人。四、經(jīng)費(fèi)使用情況見(jiàn)決算報(bào)告。五、所在單位審核意見(jiàn) 1、單位對(duì)受資助者給予的支持

46、 為完成本項(xiàng)目，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所在人力、財(cái)力和物力方面給與了受資助人大力支持。不僅提供了用于開(kāi)展物理模擬實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)室、探地雷達(dá)及計(jì)算機(jī)等設(shè)備，還免收了項(xiàng)目參加人員的工資福利等費(fèi)用。2、單位學(xué)術(shù)委員會(huì)對(duì)受資助者研究成果的評(píng)價(jià)探地雷達(dá)是一種快速高效地對(duì)淺層目標(biāo)體進(jìn)行精細(xì)探測(cè)的手段，其應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。受資助者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，以開(kāi)發(fā)新的檢測(cè)介質(zhì)含水率的方法技術(shù)，拓寬探地雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槟康?，以介質(zhì)含水率對(duì)雷達(dá)波傳播特性影響規(guī)律研究為切入點(diǎn)，選定“介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系研究”為題，既具有理論意義，又具有實(shí)用價(jià)值。研究工作在以下幾方面具有創(chuàng)新性： 利用時(shí)間域有限差分方法實(shí)現(xiàn)了

47、探地雷達(dá)三維正演計(jì)算。解決了目前探地雷達(dá)常見(jiàn)軟件無(wú)法對(duì)模型介質(zhì)加入隨機(jī)擾動(dòng)參數(shù)問(wèn)題，為應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展介質(zhì)不均勻性問(wèn)題研究提供了有力工具。 采用數(shù)值模擬方法研究了介質(zhì)含水率變化對(duì)雷達(dá)波傳播特性的影響規(guī)律，并通過(guò)與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，檢驗(yàn)了所實(shí)現(xiàn)的數(shù)值模擬方法的有效性。 在研究介質(zhì)含水率影響的數(shù)值模型中，不僅考慮了介質(zhì)導(dǎo)電率的影響，也考慮了高頻電磁場(chǎng)條件下由于極化滯后效應(yīng)造成的介電損耗，并通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。 通過(guò)探地雷達(dá)與傳統(tǒng)介質(zhì)含水率檢測(cè)方法（TDR 法）物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比研究，證明了探地雷達(dá)是檢測(cè)介質(zhì)含水率的一種有效方法，而其本身所具有的無(wú)損、非接觸、高效的特性使

48、探地雷達(dá)可能成為一種實(shí)用的檢測(cè)介質(zhì)含水率的方法。 通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，分析研究了石英砂、瀝青公路材料的等效介電常數(shù)隨介質(zhì)含水率的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出了介質(zhì)含水率與等效介電常數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。總之，受資助者完成的研究工作很有意義，并取得了一些具有創(chuàng)新性的進(jìn)展和認(rèn)識(shí)，較圓滿地完成了設(shè)計(jì)的工作任務(wù)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所學(xué)術(shù)委員會(huì)主任：胡平3、對(duì)受資助者資助期間總體工作情況的評(píng)價(jià)方慧同志任我所油氣與深部地球物理研究室主任，是物化探所國(guó)家科技創(chuàng)新基地地球物理研究領(lǐng)域的科研骨干。受資助期間，不僅較好地完成了受資助的科研工作，同時(shí)，作為負(fù)責(zé)人還先后承擔(dān)了國(guó)家專項(xiàng)“青藏高原油氣資源戰(zhàn)

49、略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中的 4 個(gè)專題，國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng) 1 項(xiàng)，地質(zhì)大調(diào)查工作項(xiàng)目 2 項(xiàng)，其它項(xiàng)目 1 項(xiàng)。帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)多次進(jìn)入青藏高原藏北無(wú)人區(qū)、青海祁連山地區(qū)和川西龍門山地區(qū)開(kāi)展工作，在探測(cè)羌塘盆地等青藏重點(diǎn)含油氣盆地構(gòu)造格架方面，在研究青藏高原油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查與評(píng)價(jià)有效物化探方法技術(shù)組合方面，在探索凍土區(qū)天然氣水合物調(diào)查物化探有效技術(shù)方面，在探測(cè)龍門山構(gòu)造帶深部結(jié)構(gòu)及地震活動(dòng)性等方面取得了不少新的認(rèn)識(shí)和成果，成績(jī)顯著。該同志基礎(chǔ)理論扎實(shí)，學(xué)術(shù)思想敏銳，有強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)和很好的職業(yè)道德以及團(tuán)隊(duì)合作精神，具有良好的科研素質(zhì)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所所長(zhǎng)：韓子夜

50、主要參考文獻(xiàn)1.Annan, . Radar interferometry depth sounding: part I - theoretical discussion. Geophysics, 1973, 38(3):557580.2.B. Engquist and A. Majda, “Absorbing boundary conditions for the numerical simulation of waves,” Math. Comput., 1977, 31: 6296513.D. J. Daniels, Surface Penetrating Radar, Short Ru

51、n Press Ltd，19884.Dobson, ., . Ulaby, . Hallikainen, and . El-Rayes, Microwave dielectric behaviour of wet soil-part II: dielectric mixing models. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, 1985, GE-23: 3546.5.Fawwaz T., Thomas H. et al, Microwave dielectric property of dry rocks, IEEE. Trans. on

52、 Geoscience and Remote Sensing, 1990, 28(3): 325336.6.Friedman, . A saturation degree-dependent composite spheres model for describing the effective dielectric constant of unsaturated porous media. Wat. Resour. Res. 1998, 34: 29492961.7.Gary R. Olhoeft, Maximizing the information return from ground

53、penetrating radar, Journal of applied geophysics, 2000, 43: 1751878.G. Mur, Absorbing boundary conditions for the finite-difference approximation of the time-domain electromagnetic-field equations, IEEE Trans. Electromagn. Compat., 1981, EMC-23: 377382. 9.Grote, K., . Hubbard, and Y. Rubin. GPR moni

54、toring of volumetric water content in soils applied to highway construction and maintenance. Leading Edge of Expl. 2002. 21: 482485.10. Hubbard, ., K. Grote, and Y. Rubin, Mapping the volumetric soil water content of a California vineyard using high-frequency GPR ground wave data,.Leading Edge of Ex

55、pl. 2002, 21:552559.11. Huisman, ., C. Sperl, W. Bouten, and . Verstraten. Soil water content measurements at different scales: accuracy of time domain reflectometry and groundpenetrating radar. J. of Hydrol. 2001, 245: 4858.12. J. A. Huisman et al. Measuring soil water content with ground penetrati

56、ng radar: a review, Vadose Zone Journal, 2003, 2: 476491. 13. J. R. Wang, The dielectric property of soil-water mixtures at microwave frequencies, Radio Science, 1980, GE-18: 28829514. J. R. Wang, Thomas J. Schmugge, An empirical model for the complex dielectric permittivity of soils as a function of water content, IEEE Trans. Electromagn. Compat., 1981, EMC-23: 377382.15. J. L. Davis, A. P. Annan, Ground-penetrating radar for high-resolut