優(yōu)秀青年工作總結(jié)
個(gè)人總結(jié)
模具0652張國(guó)俊
時(shí)光如梭，它毫不留情的從指縫中溜走，不知不覺還有一個(gè)多月就要頂崗實(shí)習(xí)了。上學(xué)期我按照學(xué)院要求，根據(jù)系部領(lǐng)導(dǎo)的指示處理好班中各項(xiàng)事務(wù)，以樹立良好的班風(fēng)和學(xué)風(fēng)為宗旨，為進(jìn)一步提高同學(xué)們的集體榮譽(yù)感和班級(jí)凝聚力而努力奮斗！
經(jīng)過上學(xué)期的學(xué)習(xí)，我具備了較強(qiáng)的思想政治覺悟與政治敏感性，較強(qiáng)的政治分辨力。加強(qiáng)黨性修養(yǎng)，要學(xué)會(huì)用自己的頭腦來(lái)思考問題，今天的社會(huì)是一個(gè)變化的社會(huì)，我們身邊的人、事、物都會(huì)不時(shí)的發(fā)生變化，我們要學(xué)會(huì)以不變應(yīng)萬(wàn)變。平時(shí)注意黨性修養(yǎng)的培養(yǎng)，才能抵擋住不良誘惑的影響，以適應(yīng)千變?nèi)f化的社會(huì)，適應(yīng)復(fù)雜的社會(huì)。作為大學(xué)生，最基本的是樹立正確的世界觀，人生觀，價(jià)值觀；作為黨員，最基本的是樹立全心全意為人民服務(wù)的思想。大學(xué)生黨員應(yīng)該為人正直，且有堅(jiān)定的共產(chǎn)主義信念。新的歷史條件下，共產(chǎn)黨員更應(yīng)該堅(jiān)持黨性，堅(jiān)定信念。在經(jīng)濟(jì)時(shí)代，面對(duì)各種誘惑，要不動(dòng)搖。
另外也有較好的心理素質(zhì)和人際關(guān)系�，F(xiàn)代社會(huì)，競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，青年學(xué)生黨員的內(nèi)心也承受著巨大的壓力。面對(duì)這種情況，只有擁有一個(gè)健康的心理素質(zhì)，積極樂觀的生活態(tài)度，才能在這種環(huán)境中健康成長(zhǎng)。而良好的人際關(guān)系則是現(xiàn)代人成功的潤(rùn)滑劑。隨著當(dāng)今世界信息交流速度的加快，世界變得越來(lái)越小，人與人的交往越來(lái)越頻繁。只有在學(xué)生時(shí)代加強(qiáng)自己的人際交往能力，不斷增強(qiáng)自己的自信心、口才等各方面能力，才能在當(dāng)今社會(huì)立足。
首先，作為一名學(xué)生，最重要的是提高自身的專業(yè)知識(shí)水平，為以后踏上工作崗位奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)，所以我對(duì)自己的學(xué)習(xí)從來(lái)都沒有松懈過，每節(jié)課都是以一個(gè)飽滿的姿態(tài)全身心的投入到專業(yè)學(xué)習(xí)中，上課時(shí)認(rèn)真聽老師給我們分析的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，始終做的不遺漏一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，下課后及時(shí)地保質(zhì)保量的完成課后作業(yè)。實(shí)訓(xùn)期間，認(rèn)真學(xué)習(xí)并熟練掌握操作技能，遇到問題先和同學(xué)們交流，實(shí)在難以解決的問題主動(dòng)向?qū)I(yè)老師請(qǐng)教。另外，由于在分校養(yǎng)成了愛看書，愛寫作的習(xí)慣，到了本校還是經(jīng)常喜歡到院圖書館去瀏覽一些有利于提高自身文學(xué)底蘊(yùn)的書籍。
其次，作為一名團(tuán)支書，不僅要在學(xué)習(xí)上起到模范帶頭作用，更要在工作上獨(dú)樹一幟，雖然要做領(lǐng)頭羊，可是如果不能與同學(xué)們搭建起一個(gè)較好的溝通橋梁，那之后的工作簡(jiǎn)直就是天方夜譚。由于我們班的特殊情況，在組織某些活動(dòng)時(shí)必須朝著同學(xué)的興趣愛好方向去開展，不能一味地追求高質(zhì)量，高標(biāo)準(zhǔn)去進(jìn)行，如果過于極端反而會(huì)適得其反。在做好支部工作的同時(shí)，也經(jīng)常協(xié)助班主任處理班中常規(guī)事務(wù)，另外還積極配合班長(zhǎng)以及其他班團(tuán)干部的各項(xiàng)工作。
再次，作為一名團(tuán)委組織部的學(xué)生干部，在處理好學(xué)習(xí)和班中事務(wù)之余，要做好這項(xiàng)工作，首先要學(xué)會(huì)安排自己的時(shí)間，注意事情的輕重緩急，然后要不斷提高邏輯思維能力和處事能力。去年放假后參加了系部團(tuán)學(xué)會(huì)組織的寒假社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，現(xiàn)在回憶起來(lái)都覺得很有意義，因?yàn)槲覀冏龅氖橇x工，看到那一張張笑臉，不由得就感覺我們的工作是神圣的。在每做一件事情的時(shí)候都要考慮這件事情對(duì)工作、系部、學(xué)院以及其他方面的影響，而不能盲目的進(jìn)行。始終記住的一個(gè)要點(diǎn)是我走出去不僅代表自己的形象，還代表這模具系學(xué)生干部的形象，更加代表著學(xué)院的形象，所以我在做事的時(shí)候總是一絲不茍，不敢有一絲懈��！
在上學(xué)期的工作和學(xué)習(xí)中，真的得到了許多，其中讓我感觸最深的一個(gè)道理就是：付出多少，就會(huì)得到多少。以前的我還不夠成熟，在對(duì)一些事情的理解還不夠透徹，所以導(dǎo)致在操作過程中不能得心應(yīng)手，在今后的這一個(gè)多月里，我會(huì)繼續(xù)努力做好份內(nèi)的工作，不斷深化專業(yè)水平，有效地提升應(yīng)變和處理事情的能力。
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優(yōu)秀青年科技人才計(jì)劃總結(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(guó)土資源部科技與國(guó)際合作司中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所方慧
201*年10月～201*年11月
國(guó)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(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)和前沿......................................................................41、探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀......................................................................................42、測(cè)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(cè)物質(zhì)含水率研究領(lǐng)域現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)......................................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(cè)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(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。
⑷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。
⑸工作成果：兩年來(lái)，針對(duì)上述研究?jī)?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(wú)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(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。
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(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，通過分析電磁波在時(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;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(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,201*)。每?jī)赡暾匍_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)院等科研單位開展過探地雷達(dá)儀器研制和野外實(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)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(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)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(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)：
①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)；
②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。
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(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；
④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)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(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(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(lái)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(chǎng)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(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。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(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(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0～100%,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(cè)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(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(lái)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(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?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：
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(cè)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(wú)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(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。
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(chǎng)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(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：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(lái)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(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(chǎng)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(zhǎng)發(fā)射天線的電場(chǎng)值是是否完成設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)？應(yīng)用吸收邊界條件計(jì)算邊界上的電場(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)設(shè)計(jì)時(shí)間步長(zhǎng)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(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
1.3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:
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(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。
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(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。
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(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：0.005×0.005×0.005m。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(chǎng)分量Ex空間分布狀況，可見隨著孔隙度增大，電場(chǎng)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�。▓D3.6），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(chǎng)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(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3.9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(cè)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(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)�。�
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(chǎng)分量Ex空間分布狀況。可見：
①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)；
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(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。
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(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%圖3.15為不同觀測(cè)參數(shù)的靈敏度曲線。可以看出介質(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(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(cè)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(guó)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(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(cè)量裝置（右）
圖3.17實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖3.18CRIM模型與實(shí)測(cè)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(wú)窮大，以模擬金屬板。模型及其坐標(biāo)系統(tǒng)見圖3.19。空氣天線=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(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：
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(chǎng)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�？梢钥闯觯瑹o(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。
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(cè)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(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。
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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guó)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(cè)量（科油[201*]10號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)130萬(wàn)，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(cè)量（科油[201*]15號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)50萬(wàn)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(cè)量（科油[201*]07號(hào)），201*年，經(jīng)費(fèi)256萬(wàn)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(wàn)元，第二負(fù)責(zé)人。
⑵國(guó)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(cè)與研究示范（201*11039）”，201*-201*，總經(jīng)費(fèi)304萬(wàn)，第一負(fù)責(zé)人。
⑶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（121201*914049）”，201*-201*年，201*年度經(jīng)費(fèi)200萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人。
⑷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”，201*年，總經(jīng)費(fèi)80萬(wàn)元，第一負(fù)責(zé)人。
⑸國(guó)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(wàn)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(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)的問題，以開發(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)槟康模越橘|(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(wú)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(chǎng)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(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。
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(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)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)：韓子夜主要參考文獻(xiàn)
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