介质含水率与探地雷达信号关系研究(5)

1.5GHz。模型的底面放在一金属板上，以使雷达波产生全反射（图3.16）。实验结果得到了介质等效介电常数、传播速度随介质含水率变化的关系曲线（图3.17）。根据实验数据进行了CRIM模型分析，在CRIM模型中，介质固体材料的介电常数取为4.0，孔隙度取14%。

图3.16 混凝土实验模型（左）及测量装置（右）

图3.17 实验结果

图3.18 CRIM模型与实测结果对比

为了模拟上述物理实验结果，数值模型仍由相对介电常数（?r）、电导率（?/s·m-１

）横向均匀的三层介质组成，其中第一层介质为空气，第二层介质的相对介电常

数和厚度与物理模型相同，分别取?r2＝4.2，h2=7cm，雷达天线主频设计为1.5GHz，第三层取电导率为无穷大，以模拟金属板。模型及其坐标系统见图3.19。

空气 天线 ?=4.2?????0 s/mx?????????yz

图3.19模型示意图

模型参数：第一层：εr1＝1.0，σ1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm

第二层：εr2＝4.2，σ2=0.0(s/m)，厚度h2=7cm 第三层：εr3＝15.0，σ3→∞

为研究介质孔隙度及含水率变化对雷达信号传播的影响，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：

① 异常单元所占模型剖分单元的体积百分比为14%；

② 异常单元中一部分充填水，另一部分充填空气，二者在空间上均为随机分布。填水单元所占模型剖分单元的体积百分比分别为0％，2％，4％，??，14％，同时，充填空气的异常单元所占模型剖分单元的体积百分比分别为14％，12％，??，2％，0％。

③ 依据Debey模型，在天线（雷达波场源）主频为1.5GHz的条件下，异常单元的物性参数取：

? ?

相对介电常数?r＝80.1；

水自身电导率为?＝0.1/s·m-1；弛豫作用产生的附加电导率Im(?)?＝

0.6/s·m-1，并假设附加电导率在雷达波主频附近的小范围内不随频率而改变。

图3.20为数值模型计算结果与物理实验结果对比情况。可以看出，无论是反射信号幅值，还是根据速度换算出的介质等效介电常数，其数值模拟结果与物理实验结果都吻合较好，特别是当介质含水率较低时（含水率小于6%），两种结果更为接近。随着含水率增大，介质的不均匀程度增强，干扰程度随之加大，计

算结果相对较分散。但数值模拟技术能较好地计算出反射信号幅值的相对变化情况。

数值模拟结果与物理模型实验结果对比分析证明了数值模拟技术的可行性和有效性，也说明了在数值模拟计算中由于引入了附加电导率，使其结果更为合理。因此，数值模拟计算技术可以作为研究介质不均匀性对电磁波传播特性影响规律的有效手段。

反射信号幅值相对改变量（dB）

介质等效介电常数 含水率（%）

物理实验数据

含水率（%）

物理实验数据

数值模拟计算曲线

数值模拟计算曲线

图3.20 物理实验与数值模拟结果对比

成果三 开展了石英砂、公路沥青等材料的探地雷达检测含水率物理模型实验。通过根据物理实验结果，分析了这些材料的等效介电常数、幅值、传播速度、频谱特征等参数随介质含水率的变化规律；用数值模拟方法和前人的试验数据对实验结果进行了检验，证明了实验结果的可靠性，试验结果表明应用探地雷达技术检测介质含水率是可行的，其无损、非接触、高效的特性表现出其它检测介质含水率的传统技术所不具备的优势。

（2）资助期间发表论文、论著、报告及专利情况 资助期间发表论文4篇，完成研究报告7部。

⑴ Experimental determination of bulk dielectric properties and porosity of porous asphalt and soils using GPR and a cyclic moisture variation technique，Geophysics，Vol. 71, No. 4，第三作者；

⑵ Structural features of the Coqen basin in central Tibet by magnetotelluric sounding，Journal of China University of Geosciences，Vol.18,Special Issue,第一作者；

⑶ 青藏高原措勤盆地大地电磁测量初步结果，物化探计算技术，2007 年增刊，第一作者；

⑷ 介质含水率与探地雷达信号关系数值模拟研究，物探与化探，Vol.33,No.5, 2009第一作者；

⑸ 羌塘盆地石油地质走廊大剖面综合地质调查（玉盘湖—双湖段）大地电磁测深调查报告，第一作者；

⑹ 措勤盆地石油地质走廊大剖面综合地质调查（洞错东—措勤段）大地电磁测深调查报告，第二作者；

⑺ 羌塘盆地龙尾湖区块连续电磁剖面（CEMP）测量成果报告，第一作者； ⑻ 羌塘盆地关键地段连续电磁剖面测量成果报告，第一作者； ⑼ 青藏高原石油地质调查大地电磁测量综合研究报告，第一作者； ⑽ 青藏高原非地震油气勘探方法技术综合研究成果报告，第三作者； ⑾ 青藏高原油气资源战略选区调查与评价成果报告，主笔一章。 （3）负责和参加相关科研项目情况

资助期间，除完成资助课题外，还承担了如下科研工作。

⑴ 参加国家油气专项“青藏高原油气资源战略选区调查与评价（XQ2004—06）”过程中，负责完成了如下专题：

① 洞错东—措勤石油地质走廊大剖面大地电磁测量（科油[2006]10号），2006年，经费130万，第一负责人；

② 羌塘盆地龙尾错区块连续电磁剖面（CEMP）测量（科油[2006]15号），2006年，经费50万元，第一负责人；

③ 羌塘盆地重点地区电磁阵列剖面测量（科油[2007]07号），2007年，经费256万元，第一负责人；

④ 青藏高原油气勘探方法技术综合研究（科油[2006]13号、科油[2007]09号、科油[2008]06号、科油[2008]07号），2006-2008年，经费366万元，第二负责人。

⑵ XX公益性行业科研专项“重要成矿区带地球物理深部探测与研究示范（200811039）”，2008-2009，总经费304万，第一负责人。

⑶ 国土资源大调查项目“龙门山及邻近构造带综合地球物理调查（1212010914049）”，2009-2011年，2009年度经费200万元，第一负责人。

⑷ 国土资源大调查与物化探所基本科研业务费联合资助项目“永久冻土区天然气水合物电磁异常特征研究”，2009年，总经费80万元，第一负责人。

⑸ 国土资源大调查项目（1212010980046）“松辽外围中新生代盆地群油气地质综合调查”，2007-2010年，2009年度经费180万元，第三负责人。

四、经费使用情况

见决算报告。

五、所在单位审核意见

1、单位对受资助者给予的支持

为完成本项目，XX地质科学院物化探研究所在人力、财力和物力方面给与了受资助人大力支持。不仅提供了用于开展物理模拟实验所需的实验室、探地雷达及计算机等设备，还免收了项目参加人员的工资福利等费用。

2、单位学术委员会对受资助者研究成果的评价

探地雷达是一种快速高效地对浅层目标体进行精细探测的手段，其应用领域十分宽广。受资助者根据实际应用中发现的问题，以开发新的检测介质含水率的

方法技术，拓宽探地雷达应用领域为目的，以介质含水率对雷达波传播特性影响规律研究为切入点，选定“介质含水率与探地雷达信号关系研究”为题，既具有理论意义，又具有实用价值。

研究工作在以下几方面具有创新性：

⑴ 利用时间域有限差分方法实现了探地雷达三维正演计算。解决了目前探地雷达常见软件无法对模型介质加入随机扰动参数问题，为应用数值模拟技术开展介质不均匀性问题研究提供了有力工具。

⑵ 采用数值模拟方法研究了介质含水率变化对雷达波传播特性的影响规律，并通过与物理实验结果的对比分析，检验了所实现的数值模拟方法的有效性。

⑶ 在研究介质含水率影响的数值模型中，不仅考虑了介质导电率的影响，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，并通过物理模型实验数值模拟结果的合理性。

⑷ 通过探地雷达与传统介质含水率检测方法（TDR法）物理实验结果的对比研究，证明了探地雷达是检测介质含水率的一种有效方法，而其本身所具有的无损、非接触、高效的特性使探地雷达可能成为一种实用的检测介质含水率的方法。

⑸ 通过物理模型实验，分析研究了石英砂、沥青公路材料的等效介电常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。

总之，受资助者完成的研究工作很有意义，并取得了一些具有创新性的进展和认识，较圆满地完成了设计的工作任务。

XX地质科学院地球物理地球化学勘查研究所学术委员会主任：胡平

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