項(xiàng)目技術(shù)總結(jié)報(bào)告

深圳桑達(dá)百利電器有限公司編號(hào)：QF7.3-048-PM

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項(xiàng)目技術(shù)總結(jié)報(bào)告

項(xiàng)目名稱：部

門

：起止年月：項(xiàng)目經(jīng)理：

大功率LED智能控制恒流電源

桑達(dá)百利電源研發(fā)部

年2月10日起---201*年12月30止吳云波

桑達(dá)百利研發(fā)部制20深圳桑達(dá)百利電器有限公司編號(hào)：QF7.3-048-PM

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一．背景二．系統(tǒng)慨述三.技術(shù)分析與總結(jié)深圳桑達(dá)百利電器有限公司編號(hào)：QF7.3-048-PM

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一.背景隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了白光LED的問世，產(chǎn)業(yè)開始了綠色照明時(shí)代。由于LED能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高，是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全的新型照明器件，符合”十二五”節(jié)能減排的規(guī)劃要求,大功率LED是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件,目前戶外照明燈具廣泛使用大功率LED,因此，加快LED戶外燈具配套大功率LED智能控制恒流電源技術(shù)研究成為當(dāng)今首要問題。大功率LED要成為照明業(yè)的主體，其中安全、高效智能控制恒流電源技術(shù)驅(qū)動(dòng)研究是推廣應(yīng)用大功率LED的關(guān)鍵,而且本項(xiàng)目符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，是國家鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。產(chǎn)品市場前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，所以開發(fā)本項(xiàng)目。二.系統(tǒng)慨述LED恒流電源驅(qū)動(dòng)是LED電源的一種,是采用開關(guān)電源變換器，做成隔離型的恒流電源，其輸出電流恒定且智能可調(diào)，設(shè)計(jì)時(shí)還要注意輸入功率因數(shù)要高。主要原因是：1.避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值，影響其可靠性。2.獲得預(yù)期的亮度要求，并保證LED燈具各個(gè)LED亮度、色度的一致性3.智能接收外界各種控制器信號(hào),使LED燈具開、關(guān)、亮度灰度可控.三.技術(shù)分析和總結(jié)1.恒流精度較難控制我們采用了精確的恒流控制IC,恒流取樣電阻采用了1%的精密電阻而且溫度系統(tǒng)變化小的電阻,DC-DC輸出儲(chǔ)能電感的電感量控制在5%.2.效率提升到90%以上較難整體效率由AD-DC和DC-DC恒流效率組成,我們AC-DC的效率調(diào)試到大于95%,DC-DC恒流效率大于96%,所有整體效率做到了90%以上.深圳桑達(dá)百利電器有限公司編號(hào)：QF7.3-048-PM

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3.在環(huán)境溫度較高時(shí)的穩(wěn)定性不理想設(shè)計(jì)時(shí)我們選用工業(yè)品元器件,特別在定制元件變壓器設(shè)計(jì)時(shí)選用CLASSF等級(jí),變壓器溫度等級(jí)可以達(dá)到150度.4.環(huán)境溫度低溫-40℃難以啟動(dòng).設(shè)計(jì)時(shí)使用日本進(jìn)口電容,能夠在低溫-40℃長期工作,特別是VCC電容的選擇.5.高功率小體積的電源較難設(shè)計(jì)提高開關(guān)電源的頻率,從而減少變壓器的體積,PCB上盡量使用貼片元器件,PCBLAYOUT優(yōu)化設(shè)計(jì),PCBA底部增加絕緣片可以使PCB和外殼之間的距離減少從而減少了外殼的體積.6.電源的使用壽命難以達(dá)到5萬小時(shí).設(shè)計(jì)時(shí)選用了長壽命的南高溫電解電容,因?yàn)殡娊怆娙菰陔娫雌骷�中壽命是最短�?項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（簽字）：吳云波開發(fā)部經(jīng)理（簽字）:范傳璽年月日

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優(yōu)秀青年科技人才計(jì)劃項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告

項(xiàng)目名稱：委托單位：承擔(dān)單位：受資助人：起止時(shí)間：

介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系研究國土資源部科技與國際合作司中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所方慧

201*年10月～201*年11月

國土資源部

二○○九年十一月二十日目錄

一、研究領(lǐng)域及資助研究項(xiàng)目概況............................................................................31、研究領(lǐng)域..............................................................................................................32、資助研究項(xiàng)目概況..............................................................................................3二、研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展趨勢和前沿......................................................................41、探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀......................................................................................42、測量物質(zhì)含水率的主要方法及存在問題..........................................................53、探地雷達(dá)探測物質(zhì)含水率研究領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢......................................6三、研究工作總結(jié)........................................................................................................91、研究項(xiàng)目實(shí)施情況..............................................................................................92、研究工作取得的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)................................................................10四、經(jīng)費(fèi)使用情況......................................................................................................26五、所在單位審核意見..............................................................................................261、單位對(duì)受資助者給予的支持............................................................................262、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)................................................263、對(duì)受資助者資助期間總體工作情況的評(píng)價(jià)....................................................27主要參考文獻(xiàn)..............................................................................................................29

一、研究領(lǐng)域及資助研究項(xiàng)目概況

1、研究領(lǐng)域

⑴專業(yè)領(lǐng)域：勘探地球物理

⑵主要研究方向：探地雷達(dá)在土壤、建筑材料含水率監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究

2、資助研究項(xiàng)目概況

⑴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⑵起止時(shí)間：201*年12月201*年11月

⑶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。

⑷主要研究內(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。

⑸工作成果：兩年來，針對(duì)上述研究內(nèi)容開展了較系統(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)。

①利用時(shí)間域有限差分方法實(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)常見軟件無法模擬介質(zhì)孔隙度及含水率變化的問題，為應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)開展介質(zhì)含水率與探地雷達(dá)信號(hào)關(guān)系問題研究提供了有力工具。

②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。

③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。④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。

⑤通過物理模型實(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)檢測公路材料含水性的基礎(chǔ)。

二、研究領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展趨勢和前沿

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，通過分析電磁波在時(shí)間、空間的傳播特性實(shí)現(xiàn)探測地下目標(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;Lundien,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(Simmonsetal.,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,201*)。每兩年召開一次的國際探地雷達(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)院等科研單位開展過探地雷達(dá)儀器研制和野外實(shí)驗(yàn)工作。目前，我國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)開展了正反演方法研究。

2、測量物質(zhì)含水率的主要方法及存在問題

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，凍土層調(diào)查，賦水層位的確定，公路、機(jī)場跑道危險(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)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，檢測物質(zhì)含水量的常見方法主要有烘干法、電阻法、中子儀法、γ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，有些方法簡便、經(jīng)濟(jì)，有些方法測量精度很高。但這些方法普遍存在如下缺點(diǎn)：一是只能采用定點(diǎn)測量方式，無法實(shí)現(xiàn)空間上的連續(xù)測量，若開展大面積測量，成本較高；二是測量結(jié)果受采集樣品或測量探頭附近物質(zhì)的含水狀態(tài)影響較大，其測量結(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量探頭埋設(shè)在測量物質(zhì)中，因此只能適用于土壤等非固結(jié)物質(zhì)，無法對(duì)瀝青、混凝土等建筑材料的含水情況進(jìn)行檢測；四是需要采樣測試的方法會(huì)對(duì)檢測物質(zhì)造成一定程度的破壞。因此，研究精確、高效、無損的探測技術(shù)正在成為上述領(lǐng)域的需要。3、探地雷達(dá)探測物質(zhì)含水率研究領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，探地雷達(dá)的應(yīng)用還主要集中在探測目標(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)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)探測介質(zhì)含水率的變化情況。重要的是，相對(duì)上述幾種檢測物質(zhì)含水率的常見方法，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)測量介質(zhì)含水率變化情況具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

①與測量介質(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，是真正的無損檢測；

②現(xiàn)代雷達(dá)提供了高密度采樣測量方式，因此可以對(duì)測量介質(zhì)實(shí)現(xiàn)空間或時(shí)間上連續(xù)測量，相對(duì)傳統(tǒng)的定點(diǎn)測量方式，更能準(zhǔn)確地對(duì)介質(zhì)整體含水狀況進(jìn)行評(píng)估。

③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，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；

④測量效率高。如采用車載雷達(dá)，可以50公里/小時(shí)的速度進(jìn)行測量，因此更適合開展大范圍的監(jiān)測。正是因?yàn)樘降乩走_(dá)技術(shù)具有上述優(yōu)勢，應(yīng)用探地雷達(dá)檢測介質(zhì)含水率成為近年來探地雷達(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，需要通過開展理論和實(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)用于探測物質(zhì)含水率這一領(lǐng)域。在這一方面已有一些學(xué)者開展了相關(guān)研究。

Hasted（1973）通過實(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2.1），可見在高頻電磁場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：

圖2.1水的介電常數(shù)隨頻率變化曲線

5.31022.92102b5.5104b24.3106b3

（0.022m3m-3，Jacobsen和Schjonning，1994）。

（2.1）

實(shí)踐證明上述實(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

更多的學(xué)者（如Dobson1985，Roth1990，F(xiàn)riedman1998，Jones和Friedman201*）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（ComplexRefractionIndexModel）模型來描述

1b(w(1n)s(n)a)

（2.2）其中，b為土壤整體介電常數(shù)，為土壤含水率，n為土壤的孔隙度，s、w及a分別為土壤顆粒、水及空氣的介電常數(shù)。系數(shù)α與電場方向和土壤構(gòu)造的相對(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。LanboLiu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，美國在應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測葡萄園土壤水分狀況方面取得了很好的應(yīng)用效果；一些國家在應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測高速公路路基含水情況方面也開展了實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用工作。

從國內(nèi)刊物發(fā)表的文章看，國內(nèi)只有少數(shù)科技人員開展了部分研究工作，如楊厚榮等開發(fā)了WPRT-1型原油持(含)水率雷達(dá)測井儀，巧妙地利用了雷達(dá)探測技術(shù),可將原油持水率的測量范圍擴(kuò)大到0～100%,測量精度達(dá)1%,有效地解決了油田高含水率生產(chǎn)的測量問題。

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)孔隙的大小等因素對(duì)測量結(jié)果的影響等方面的研究工作開展得還很少。

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，國際上一些大學(xué)如荷蘭Delft理工大學(xué)、美國俄亥俄州立大學(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)。國內(nèi)中國礦業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也有學(xué)者開展了數(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，也就難以直接用來模擬介質(zhì)含水情況。也很少見到利用數(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)模的測量介質(zhì)無損、高效、低成本地實(shí)現(xiàn)橫向與縱向空間連續(xù)觀測，是近年來探地雷達(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)系方面工作開展得還很不夠，需要開展更系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)；在數(shù)值模擬方面還需要研制開發(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)值模擬研究等研究內(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：

①研制一套探地雷達(dá)三維正演軟件；

②完成了石英、瀝青砂等不同材料的探地雷達(dá)檢測含水率的物理模型試驗(yàn)；③完成了部分理論模型的數(shù)值模擬研究；

④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；

⑤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)常見軟件無法模擬介質(zhì)孔隙度、含水率變化的問題，為應(yīng)用數(shù)值模擬方法開展介質(zhì)含水率問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)”，而目前常見的正演軟件均假設(shè)介質(zhì)是均勻的，無法模擬介質(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。

1.1基本理論

實(shí)驗(yàn)表明，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：

EHBt

(3.1)

(3.2)

DJtDB0

(3.3)

(3.4)

在導(dǎo)電介質(zhì)中，對(duì)于單色電磁波，利用DE，BH，jE的關(guān)系及場矢量EE(r)eit、BB(r)e，很容易推導(dǎo)出頻率域波動(dòng)方程的解為

EE0esrei(krt)(3.5)sri(krt)BB0eeit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，水分子在交變電場情況下容易被極化，偶極距隨交變電場不斷改變方向。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：Re()iIm()，此時(shí)，3.5式中k和s分別為：

1Im()k"1()21Re()2(3.6)1Im()212s"1()12Re()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

12傳播速度v由因子K決定

vk112(3.7)

Im()21"1()1Re()2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公式來描述（Debye，1929）

(f)s1(iffrel)(3.8)

其中，s、為直流和極高頻狀態(tài)下介質(zhì)的介電常數(shù)，frel為弛豫頻率。對(duì)于25℃條件下的自然水，其Debye參數(shù)為εs=80.1，ε∞=4.2，frel=17.1GHz（Hasted,1973）。根據(jù)Debye模型可以計(jì)算出當(dāng)雷達(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0.265s/m，這與自然狀態(tài)下常見物質(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。

1.2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)行離散化的簡單實(shí)用技術(shù)。Yee巧妙地在剖分單元內(nèi)使電場分量與磁場分量在時(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)電磁問題的初始值，應(yīng)用時(shí)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)刻空間電磁場的分布。

具體計(jì)算流程如下：

否根據(jù)發(fā)射脈沖信號(hào)設(shè)置下一時(shí)間步長發(fā)射天線的電場值是是否完成設(shè)計(jì)時(shí)間步長？應(yīng)用吸收邊界條件計(jì)算邊界上的電場值根據(jù)各單元磁場值計(jì)算各單元下一時(shí)間步長的電場值設(shè)定發(fā)射天線位置、長度及極化方向設(shè)定發(fā)射脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)間步長設(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。為計(jì)算空間各單元電場分量賦初始值根據(jù)各單元電場值計(jì)算各單元磁場值

1.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)

根據(jù)電磁場理論可以推導(dǎo)出球坐標(biāo)系下描述自由空間中電偶極子輻射場時(shí)空分布的解析公式如下:

r2cc2cc2Er,t22cose22sinpt(3.9)er4rrtrtrtrc結(jié)束輸出數(shù)據(jù)文件式中p(t)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：

4tt02(3.10)Eitexp2其中τ為常數(shù)，決定了高斯脈沖的寬度，脈沖峰值出現(xiàn)在tt0時(shí)刻，如圖3.1所示，實(shí)際計(jì)算中τ=2ns。圖3.2、3.3分別為電偶極子下方10和25厘米處平行偶極子方向電場的解析解和時(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。

0.050.040.030.020.010-0.01-0.0210.8E(v)0.60.40.201*2345t(ns)圖3.1高斯脈沖信號(hào)

解析解0.5解析解數(shù)值解

0.4幅值(v/m)0.30.20.100-0.1

24681012幅值(v/m)數(shù)值解時(shí)間（ns）

時(shí)間（ns）

圖3.2天線下方10厘米處數(shù)值解和

解析解計(jì)算結(jié)果圖3.3天線下方25厘米處數(shù)值解和

解析解計(jì)算結(jié)果

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。

2.1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-１）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)見圖3.4，即：各層介質(zhì)物性參數(shù)：r1＝1.0、1＝0.0s/m，r2＝5.4、2＝0.0s/m、r3＝15.0、3→∞；

模型整體尺寸：0.50×0.50×0.50m，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：0.005×0.005×0.005m。為研究介質(zhì)孔隙度變化對(duì)雷達(dá)信號(hào)傳播的影響：①在第二層介質(zhì)中加入隨機(jī)分布，相對(duì)介電常數(shù)r＝1.0、電導(dǎo)率=0.0s/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；②異常單元所占模型剖分單元的體積百分比分別為：2％，4％，，10％。

圖3.4模型示意圖

模型參數(shù)：第一層：εr1＝1.0，σ1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm

第二層：εr2＝5.4，σ2=0.0(s/m)，厚度h2=20cm第三層：εr3＝15.0，σ3→∞

空氣天線xy=5.40s/mz

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3.5為介質(zhì)孔隙度分別為2%、4%、、10%時(shí)，通過天線中心，平行電偶極子極化方向剖面上t=2.0ns時(shí)刻電場分量Ex空間分布狀況，可見隨著孔隙度增大，電場的背景“噪聲”明顯增強(qiáng)。

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)減小（圖3.6），雷達(dá)波傳播速度增大（圖3.7），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3.8）。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

圖3.5t=2.0ns時(shí)孔隙度不同的介質(zhì)中垂直電偶極子方向電場Ex空間分布圖

1：孔隙度＝0%；2：孔隙度＝2%；3：孔隙度＝4%；

6：孔隙度＝10%4：孔隙度＝6%；5：孔隙度＝8%；

1%，反射波傳播速度平均增大0.54%。介質(zhì)等效介電常數(shù)由孔隙度為零時(shí)的5.29減小到孔隙度為10%時(shí)的4.86，即孔隙度每增加1%，等效介電常數(shù)平均減小0.8%。

不同的觀測參數(shù)相對(duì)介質(zhì)孔隙度變化的靈敏程度也不一樣。圖3.9為不同觀測參數(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。

5.413.8速度（cm/ns）等效介電常數(shù)13.65.213.413.25134.80246810

12.80246810

0.0278孔隙度(%)孔隙度（%）

圖3.6介質(zhì)等效介電常數(shù)隨孔隙度變化曲線

圖3.7雷達(dá)波傳播速度隨孔隙度變化曲線

1.2反射波幅值（v/m）等效介電常數(shù)雷達(dá)波速度靈敏度（dB）0.02760.80.02740.40.02720反射信號(hào)幅值

0.0270246810

-0.40246810孔隙度（%）孔隙度（%）

圖3.8反射波幅值隨孔隙度變化曲線圖3.9不同觀測參數(shù)隨孔隙度變化靈敏度曲線2.2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-１）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)見圖3.10。

空氣天線x=5.40s/myz

圖3.10模型示意圖

模型參數(shù)：第一層：εr1＝1.0，σ1=0.0(s/m)，厚度h1=35cm

第二層：εr2＝5.4，σ2=0.0(s/m)，厚度h2=10cm第三層：εr3＝15.0，σ3→∞

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)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：①所占模型中剖分單元的體積百分比分別為：2％，4％，，10％；②由于水為有極分子，在高頻電磁場作用下，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)波場源）主頻為1GHz的條件下，異常單元的物性參數(shù)�。�

相對(duì)介電常數(shù)r＝80.1；

水自身電導(dǎo)率為＝0.1/sm-1；馳豫作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率Im()＝0.265/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

圖3.11為介質(zhì)含水率分別為2%、4%、、10%時(shí)，通過天線中心，分別平行電偶極子極化方向的剖面上t=2.0ns時(shí)刻電場分量Ex空間分布狀況�？梢姡�

①隨著含水率增大，雷達(dá)波場產(chǎn)生越來越強(qiáng)的散射現(xiàn)象，電場的背景“噪聲”明顯增強(qiáng)；

②介質(zhì)等效介電常數(shù)由不含水時(shí)的5.4，增大到含水率為10%時(shí)的9.8（圖3.12），即含水率每增加1%，等效介電常數(shù)平均增大7.7%。隨著含水率增大，雷達(dá)波的傳播速度明顯減�。▓D3.13）。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，即含水率每增加1%反射波傳播速度平均減小2.9%。信號(hào)的絕對(duì)幅值則由不含水時(shí)的114.4mv/m減小到含水率為10%時(shí)的84.9mv/m（圖3.14），即含水率每增加1%，信號(hào)絕對(duì)幅值平均減小1.9%，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)系式可用來指導(dǎo)探地雷達(dá)的資料解釋。

圖3.11t=2.0ns時(shí)含水率不同的介質(zhì)中垂直電偶極子方向剖面電場

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%圖3.15為不同觀測參數(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)。

此外，由于水在高頻電磁場作用下能產(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。

等效介電常數(shù)1013速度（cm/ns）012345678910

9128711610590246810

0.12含水率(%)

含水率(%)

圖3.12等效介電常數(shù)隨含水率變化曲線圖3.13雷達(dá)波速度隨含水率變化曲線

信號(hào)幅值（v/m）靈敏度（dB）6543210等效介電常數(shù)傳播速度信號(hào)幅值

0.11

0.10.090.0802468100246810

含水率（%）含水率（%）

圖3.14反射波幅值隨含水率變化曲線圖3.15不同測量參數(shù)靈敏度曲線

2.2.3數(shù)值模擬模型二設(shè)計(jì)

模型二是為了與物理實(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)果取自法國作者S.Lauren發(fā)表在“Non-destructiveTestinginCivilEngineering201*”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1.5GHz。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3.16）。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3.17）。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)固體材料的介電常數(shù)取為4.0，孔隙度取14%。

圖3.16混凝土實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄗ螅┘皽y量裝置（右）

圖3.17實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3.18CRIM模型與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

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-１

）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＝4.2，h2=7cm，雷達(dá)天線主頻設(shè)計(jì)為1.5GHz，第三層取電導(dǎo)率為無窮大，以模擬金屬板。模型及其坐標(biāo)系統(tǒng)見圖3.19�？諝馓炀�=4.20s/mxyz

圖3.19模型示意圖

模型參數(shù)：第一層：εr1＝1.0，σ1=0.0(s/m)，厚度h1=25cm

第二層：εr2＝4.2，σ2=0.0(s/m)，厚度h2=7cm第三層：εr3＝15.0，σ3→∞

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：

①異常單元所占模型剖分單元的體積百分比為14%；

②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％，，2％，0％。

③依據(jù)Debey模型，在天線（雷達(dá)波場源）主頻為1.5GHz的條件下，異常單元的物性參數(shù)�。�

相對(duì)介電常數(shù)r＝80.1；

水自身電導(dǎo)率為＝0.1/sm-1；弛豫作用產(chǎn)生的附加電導(dǎo)率Im()＝

0.6/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3.20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。

反射信號(hào)幅值相對(duì)改變量（dB）

介質(zhì)等效介電常數(shù)含水率（%）

物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

含水率（%）

物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)值模擬計(jì)算曲線

數(shù)值模擬計(jì)算曲線

圖3.20物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

成果三開展了石英砂、公路瀝青等材料的探地雷達(dá)檢測含水率物理模型實(shí)驗(yàn)。通過根據(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)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)檢測介質(zhì)含水率是可行的，其無損、非接觸、高效的特性表現(xiàn)出其它檢測介質(zhì)含水率的傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。

（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。

⑴ExperimentaldeterminationofbulkdielectricpropertiesandporosityofporousasphaltandsoilsusingGPRandacyclicmoisturevariationtechnique，Geophysics，Vol.71,No.4，第三作者；⑵StructuralfeaturesoftheCoqenbasinincentralTibetbymagnetotelluricsounding，JournalofChinaUniversityofGeosciences，Vol.18,SpecialIssue,第一作者；

⑶青藏高原措勤盆地大地電磁測量初步結(jié)果，物化探計(jì)算技術(shù)，201*年增刊，第一作者；

⑷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，Vol.33,No.5,201*第一作者；

⑸羌塘盆地石油地質(zhì)走廊大剖面綜合地質(zhì)調(diào)查（玉盤湖雙湖段）大地電磁測深調(diào)查報(bào)告，第一作者；

⑹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）大地電磁測深調(diào)查報(bào)告，第二作者；

⑺羌塘盆地龍尾湖區(qū)塊連續(xù)電磁剖面（CEMP）測量成果報(bào)告，第一作者；⑻羌塘盆地關(guān)鍵地段連續(xù)電磁剖面測量成果報(bào)告，第一作者；⑼青藏高原石油地質(zhì)調(diào)查大地電磁測量綜合研究報(bào)告，第一作者；⑽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；⑾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。

⑴參加國家油氣專項(xiàng)“青藏高原油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)（XQ201*06）”過程中，負(fù)責(zé)完成了如下專題：

①洞錯(cuò)東措勤石油地質(zhì)走廊大剖面大地電磁測量（科油[201*]10號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)130萬，第一負(fù)責(zé)人；

②羌塘盆地龍尾錯(cuò)區(qū)塊連續(xù)電磁剖面（CEMP）測量（科油[201*]15號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)50萬元，第一負(fù)責(zé)人；③羌塘盆地重點(diǎn)地區(qū)電磁陣列剖面測量（科油[201*]07號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)256萬元，第一負(fù)責(zé)人；

④青藏高原油氣勘探方法技術(shù)綜合研究（科油[201*]13號(hào)、科油[201*]09號(hào)、科油[201*]06號(hào)、科油[201*]07號(hào)），201*-201*年，經(jīng)費(fèi)366萬元，第二負(fù)責(zé)人。

⑵國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“重要成礦區(qū)帶地球物理深部探測與研究示范（201*11039）”，201*-201*，總經(jīng)費(fèi)304萬，第一負(fù)責(zé)人。

⑶國土資源大調(diào)查項(xiàng)目“龍門山及鄰近構(gòu)造帶綜合地球物理調(diào)查（121201*914049）”，201*-201*年，201*年度經(jīng)費(fèi)200萬元，第一負(fù)責(zé)人。

⑷國土資源大調(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”，201*年，總經(jīng)費(fèi)80萬元，第一負(fù)責(zé)人。

⑸國土資源大調(diào)查項(xiàng)目（121201*980046）“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質(zhì)綜合調(diào)查”，201*-201*年，201*年度經(jīng)費(fèi)180萬元，第三負(fù)責(zé)人。

四、經(jīng)費(fèi)使用情況

見決算報(bào)告。

五、所在單位審核意見

1、單位對(duì)受資助者給予的支持

為完成本項(xiàng)目，中國地質(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)的問題，以開發(fā)新的檢測介質(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：

⑴利用時(shí)間域有限差分方法實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)三維正演計(jì)算。解決了目前探地雷達(dá)常見軟件無法對(duì)模型介質(zhì)加入隨機(jī)擾動(dòng)參數(shù)問題，為應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)開展介質(zhì)不均勻性問題研究提供了有力工具。

⑵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。

⑶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條件下由于極化滯后效應(yīng)造成的介電損耗，并通過物理模型實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。

⑷通過探地雷達(dá)與傳統(tǒng)介質(zhì)含水率檢測方法（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)是檢測介質(zhì)含水率的一種有效方法，而其本身所具有的無損、非接觸、高效的特性使探地雷達(dá)可能成為一種實(shí)用的檢測介質(zhì)含水率的方法。

⑸通過物理模型實(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)了國家專項(xiàng)“青藏高原油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中的4個(gè)專題，國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)入青藏高原藏北無人區(qū)、青海祁連山地區(qū)和川西龍門山地區(qū)開展工作，在探測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)。

中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所所長：韓子夜主要參考文獻(xiàn)

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