科技发展项目技术总结报告

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 (3)

1、研究领域 (3)

2、资助研究项目概况 (3)

二、研究领域国内外发展趋势和前沿 (4)

1、探地雷达技术应用现状 (4)

2、测量物质含水率的主要方法及存在问题 (5)

3、探地雷达探测物质含水率研究领域现状及发展趋势 (6)

三、研究工作总结 (9)

1、研究项目实施情况 (9)

2、研究工作取得的主要成果和创新点 (10)

四、经费使用情况 (26)

五、所在单位审核意见 (26)

1、单位对受资助者给予的支持 (26)

2、单位学术委员会对受资助者研究成果的评价 (26)

3、对受资助者资助期间总体工作情况的评价 (27)

主要参考文献 (29)

一、研究领域及资助研究项目概况

1、研究领域

⑴专业领域：勘探地球物理

⑵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

⑴项目名称：介质含水率与探地雷达信号关系研究

⑵起止时间：2005年12月—2008年11月

⑶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，推动探地雷达方法技术进步。

⑷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。

⑸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。

①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。

②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，证明了数值模拟方法的有效性。

③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。

④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。

⑤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Löwyc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, 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、γ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。