基于介电特性获取污染土壤中污染物含量的研究

从污染土壤复介电常数与污染成分的关系模型、污染土壤复介电常数测量技术两个方面综述了目前国内外学者利用介电特性和电磁波信号开展的土壤污染探测研究.最后指出,基于污染土壤的介电特性获取污染土壤中污染物含量是一项非常有前景的技术,其目的是通过获取土壤复介电常数的变化信息,定性和定量的对污染场地做出评价.     

用“嫦娥一号”卫星微波探测仪亮温反演月壤厚度和^3He资源量评估的方法及初步结果分析

CELMS是世界上首次从月球轨道对月表进行探测的被动微波遥感器,其探测的亮温是表面物理化学特性的直接反映,包含了表面温度、介电常数、月壤厚度以及表面地形等的综合信息.通过对微波辐射亮温特性的研究,能够建立这些物理化学特征参数与亮温的关系,从而达到对壳温的直接反演.结果表明,月壤厚度的分布范围多数在4～6m,5m以上的厚度区域占全月的43%以上.其次,利用CELMS所获得的亮温反演得出全月月壤表面介电常数和月壤厚度,根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,计算了全月3He丰度分布.利用微波辐射计探测的月壤厚度数据对全月3He资源量进行了估算,估算出全月3He资源量约为103万吨.     

基于探地雷达回波信号获取污染土壤中污染物含量的研究进展

从探地雷达GPR(Ground Penetrating Radar)在土壤污染探测中的应用、污染土壤介电常数模型的演化和土壤介电常数求取三方面综述了目前国内外学者利用探地雷达技术开展的土壤污染探测研究.研究认为以土壤介电常数为纽带,采用适宜的方法从雷达回波信号求得介电常数,基于合理的土壤介电常数模型,通过神经网络技术,可驯化建立介电常数和污染土壤多个参数之间联系,从而实现污染土壤中多种污染物含量的监测.     

裂缝性岩石低频下复电阻率与饱和度关系研究

储层中裂缝的发育影响着油气运移和储存,因此识别裂缝以及得到裂缝性储层的表征参数与物理性质对于预测天然气的产量有重要的意义.本文主要通过实验和数值模拟研究了低频段(100 Hz～1 MHz)内均质岩样和不同裂缝参数的裂缝性岩样的复电阻率频散特性.利用有限元模拟计算简易岩样模型的复电阻率,研究了完全饱和水状态下均质岩样与裂缝岩样复电阻率频散特性的区别.并重点研究了100 Hz、1 kHz和10 kHz下均质岩样以及不同裂缝宽度、密度、倾角岩样含水饱和度SW与电阻增大率TR、含水饱和度SW与介电常数变化率Iε的变化关系.实验结果显示完全饱含水的情况下裂缝的出现,使得岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;不同频率(100 Hz、1 kHz和10 kHz)下IR-SW曲线发生分离.裂缝密度和裂缝倾角的增加,导致岩样的复电阻率实部降低,复电阻率虚部的幅值减小;并使得不同频率下的IR-SW和Iε-SW分离程度变大.讨论了阿尔奇公式中饱和度指数n与系数b以及仿阿尔奇公式中介电饱和度指数n '与系数b与裂缝参数的关系,说明在高含水饱和度时,导电与介电的幂指数规律基本一致.通过对裂缝性岩石上述参数的研究,为多频复电阻率测井仪的研发提供理论与实验支撑,进而提高裂缝性储层含气性识别以及定量评价含气饱和度的可靠性.     

ASAR和TM数据协同反演植被覆盖地表土壤水分的新方法

考虑到主动微波和被动光学遥感数据反映地表土壤水分的各自优势,提出一种ASAR数据和TM数据协同反演植被覆盖土壤水分的半经验耦合模型.该模型通过简化MIMICS模型,将研究对象分为植被冠层和土壤层两部分,模拟了冠层叶片含水量与单位体积内植被消光系数,后向/双向散射系数的经验关系,减少了模型的输入参数,使模型最关键的输入参数为光学易于反演的叶面积指数LAI.LAI采用PROSAIL模型进行反演,实现微波和光学模型的耦合,并引入植被均方根高度（Sveg）来修正冠层重叠造成的雷达阴影效应,然后对半经验模型的系数进行了参数敏感性分析,发现在LAI较小时（LAI≤3）,模型更为适用.最后,选用甘肃黑河试验区的TM,ASAR数据,利用耦合模型生成了研究区土壤水分布图,并利用地面实测数据对该耦合模型和MIMICS模型进行比较验证.结果表明：通过对雷达阴影效应的校正,该模型反演的地表土壤水分与实测值的平均相对误差Er从17.6%减小到10.4%,RMS从0.055降低到0.031g/cm3.同时,耦合模型的反演效果明显好于MIMICS模型单独反演的结果（Er=22.7%,RMS=0.068g/cm3）;表明在LAI较小的区域,该主被动遥感耦合模型能有效的反演土壤水分,取得较好的反演精度.     

地震信号随机噪声压制的双树复小波域双变量方法

有效地压制地震信号中的噪声是地震信号解释和后续处理的重要环节之一.本文建立两种双树复小波域双变量模型对地震信号中的随机噪声进行压制.地震信号经双树复小波变换后,同一方向实部与虚部系数、实部(或虚部)系数与对应的模之间存在较强的相关性.鉴于此,对同一方向实部与虚部小波系数建立双变量模型,从含噪地震信号小波系数中估计原始信号的小波系数,再基于双树复小波逆变换重构得到降噪后的地震信号.进一步对同一方向实部(或虚部)系数与对应的模建立双变量模型,得到地震信号随机噪声压制的第二种双树复小波域双变量方法.最后对合成地震记录和实际地震资料中的随机噪声进行压制的实验结果证实本文两种方法都能够有效地压制地震信号中的随机噪声.     

在土槽尺度下的硝态氮迁移模拟研究

农业非点源污染研究是当前环境问题研究领域的重点和难点.目前而言土槽尺度下非点源模型的研究较少.利用大型土槽和人工降雨装置来模拟无植被坡地单次降雨过程地表径流中硝态氮迁移过程.在此基础上,适当选取ANSWERS-2000的子模块建立起具有一定机理的适用模型,来研究土槽尺度下无植被坡地单次降雨过程地表径流中硝态氮迁移过程.经过三次实验验证,模拟的径流总量误差在4%-15%之间,CP'A在0.7-12之间;模拟的硝态氮总量误差的绝对值在9%-17%之间,CP'A在0.6-1.1之间.结果显示降雨径流、硝态氮浓度模拟结果与实际观测值有较好的一致性,模型模拟效果较好,模型可用于该尺度下硝态氮迁移量计算,具有一定的研究参考价值.     

月球吕姆克地区微波辐射特性及月壤参数反演研究

嫦娥五号月球探测器预计将在月球风暴洋北部的吕姆克地区着陆并实施钻探采样.为辅助确定采样点,本文基于嫦娥微波探测仪数据首先对该区域的昼夜微波辐射特性进行了分析,然后对月壤介电常数和厚度进行了反演.由微波亮温图可知:昼夜亮温随频率的变化规律不同,白天37GHz亮温最高,黑夜19.35GHz亮温最高;三个高频通道的昼夜亮温分布不同,尤其在南部;吕姆克E区域白天亮温较高,黑夜亮温较低,昼夜温差较大.月壤参数的反演结果表明介电常数西、北部低,中、东部高,吕姆克E附近区域值最大;西北部月壤厚度大于6m,其他绝大部分区域不超4m,吕姆克E区域月壤最薄,约2.5m.考虑卫星的平稳着陆及钻孔采样,建议着陆区选在月壤较厚的西北部,并避开吕姆克E区域.     

岩芯尺度的宽频介电常数频谱实验室测量设备的误差分析及其在物质测量中的应用(英文)

宽频介电常数频谱测井技术最近被引进石油工业.这种新技术区别于传统介电常数测井技术在于多频率频谱的测定和利用.高频谱端包含介质油水饱和度信息,而低频谱端对介质中孔隙结构和水的分布形态很敏感.这种新技术可以有效地被应用于比如超淡水介质或者超黏度重油等对于常规测井来说是很困难的测量环境,而且受介质水中的含盐度影响很小.随着井下测井仪器的投入使用,相应的实验室岩芯测定设备和方法就变得重要起来.因为实验室环境相对较为稳定和可控,实验室岩芯测量结果是对井下测量的很好地验证和校订.文献中记载了许多非破坏性的实验室介电常数的测量设备,然而这些设备的共同局限性是它们对岩芯尺寸和岩芯样本的要求和限制,一般要求粉末状岩芯或者一厘米左右的小柱状岩芯.在碳酸盐介质中,非均匀性和各项异性非常普遍,小的岩芯样本能否涵盖井下设备测量尺度(1.5英寸)的特性很值得商榷.本文中介绍了一种最新设计的实验室大直径宽频介电常数测量设备.这个设备可以直接测量石油工业传统的1.5英寸岩芯样本,测量是非毁坏性的,也就是测量后的岩芯样本可以直接用于其它实验室测量设备,比如电阻率测量或核磁共振测量等.大量重复性试验测得的介电常数色散频谱的精确度对于低损耗介质在2%以内而对于高损耗介质在对孔隙度和含盐度校正以后精确度在3%.文中详细介绍了测量设备所使用的反演程序的算法模型,以及反演误差的算法.反演最后的误差可以用来做数据质量的评定.该测量装置被用于许多物质的测定.测定物质的数据库中合成石英(fused quartz),Teflon,合成陶瓷以及单晶硅的介电常数值可以在文献中找到.该设备的测量结果与文献参考值相符合,说明了该设备测量结果的可靠性.该设备还测量了矿物晶体碳酸钙,晶体白云石以及晶体硬石膏的介电常数,这是常见的碳酸盐介质的主要成分.这些测量给出了碳酸盐介质的边界成分区域值作为参考.该设备测量的两个单晶硅柱状样本的介电常数频谱特性发现退火会改变晶体的结构提高强度,同时会改变介质介电常数的特性.同时矿物晶体碳酸钙测量值高于粉末状测量结果也说明晶体结构可能会导致介电常数测量的不同.该设备具有1.5英寸的大尺度,因此具有和井下设备相仿的测量范围,因而不受介质水平各项异性的影响.但另一方面,该设备仍可以研究垂直各项异性.垂直各项异性的主要原因可能是化学成分不同,孔隙结构不对称或者温度对水分布的影响等等.在对岩石地面露头采样的研究中,宽频介电常数频谱实验室设备检测出了岩芯垂直各项异性,通过对比核磁共振一维孔隙度剖面结构发现总孔隙度不均衡以及分布不对称为该各项异性的主要来源,并且被CT图像所证实.     

用地质雷达数据资料反演二维地下介质的方法

从二维麦克斯韦方程组出发推导出反演介电常数和电导率等二维介质物性参数的反演公式.反演的步骤是: 建立初始猜测模型,利用电磁波时间域有限差分法模拟正演数据,用正演数据与观测数据之间的数据残差建立目标函数,通过引入一个由麦克斯韦方程计算的伴随场,将目标函数对介质参数的导数表示成显式形式,应用最优化理论得出对初始猜测模型的修改,用共轭梯度法迭代,最终得到反演结果.用合成数据反演具有粗糙地表的非导电介质的介电常数,用实验数据同时反演介电常数和电导率,并比较了麦克斯韦方程反演结果与声波方程反演结果、波动方程偏移剖面的差异.     

基于光学与被动微波遥感的青藏高原地区土壤水分反演

青藏高原地区高精度的土壤水分反演对高原能水循环、全球大气循环研究有着极大的影响.因此,获取青藏高原土壤水分时空布信息是一个迫切需要解决的问题.温度植被干旱指数(TVDI),是基于光学与热红外遥感通道数据反演土壤水分的重要方法,但在研究区域较大、地表覆盖格局差异显著时,TVDI模型反演精度会受到地表温度(Ts)等因素的影响.被动微波AMSR-E数据精确记录了像元内的土壤水分信息,但空间分辨率低.本文利用同时期的MODIS与被动微波数据,发展了针对青藏高原地区高精度土壤水分反演算法.首先,在TVDI模型中,利用修正型土壤调整植被指数(MSAVI)代替归一化植被指数(NDVI),以改进NDVI易饱和的缺点;其次,利用ASTER GDEM数据,对地形高程和纬度差异引起的地表温度变化进行了校正;然后,通过神经网络训练建立基于TVDI、被动微波以及辅助气象数据的土壤水分反演模型,并应用该模型反演了青藏高原地区三个观测网(CAMP/Tibet、玛曲和那曲)的土壤水分;最后,利用实测土壤水分数据对反演结果进行验证,结果表明该模型的精度均方根误差(RMSE)数值可达到0.031~0.041 m~3·m~(-3).本文还应用该算法反演了青藏高原连续的土壤水分的空间分布,并比较了土壤水分的变化趋势与实测降水变化趋势,结果表明二者变化量的正负关系一致.     

饱和砂土地震液化判别的分形插值模型

借鉴分形基本理论,提出了基于分形插值模型的饱和砂土地震液化判别方法.该方法首先选取影响饱和砂土地震液化判别的7个主要因素,根据分类标准,采用在每级标准中随机内插的方法,得到40个标准样本,用于构建饱和砂土地震液化判别的分形插值模型;其次根据最大似然分类原则确定每个饱和砂土地震液化判别指标的评价分维数;然后利用加权求和法计算样本的综合评价值,并根据样本综合评价值与经验等级之间的关系建立分形插值评价模型;最后,进行了实例分析结果表明:该模型的评价结果合理、客观,计算得到的每个样本具体得分值,即使对属于同一级的样本也可以给出其地震液化程度的顺序,为饱和砂土地震液化评价工作提供了一种新的研究方法与思路.     

二维轴对称介质中电磁波测井的响应函数

单发双收电磁波测井测的是两接收线圈的感应电动势之间的相位差和幅度比及测井响应与地层介电常数和电导率两者有关的一般情况,对此本文推导出其在二维轴对称介质中响应函数公式,给出它的快速算法.通过建立二维非均质反演Jacobi矩阵与响应函数的关系,开辟了Jacobi矩阵快速算法构造的有效途径.从理论上得到了在均匀介质中相位差和幅度比对地层的介电常数和电导率的空间分布探测特性具有交叉互补性的结果,即相位差对电导率（介电常数）的空间分布敏感区域和幅度比对介电常数（电导率）的空间分布敏感区域是相同的.     

双相混合物等效介电常数探地雷达数值研究

等效介电常数是混合物微观结构的宏观表征,与介质的属性参数密切相关.在传统随机介质建模理论的基础上,通过增加量化约束限定条件,精准控制双相混合物各组成物质的体积占比,建立了 22个体积占比相同、孔隙粒径尺度不等和20个孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物介质模型,进行探地雷达数值模拟,研究超宽频带条件下双相混合物各组成物质体积占比和孔隙粒径大小对其等效介电常数及探地雷达波场特征的影响.结果表明:对于各组成物质体积占比相同、孔隙粒径尺度不等的双相混合物,其等效介电常数基本相同,说明混合物等效介电常数主要取决于其各组成物质的体积占比及其介电常数,但由于混合物内部孔隙粒径尺度不等,其电磁散射强度和能量衰减损失存在明显差异;对于孔隙粒径尺度相等、体积占比不同的双相混合物,其空气体积占比越小,等效介电常数越大,与Rayleigh模型、CRIM模型等混合物等效介电常数经验公式计算结果差值越小、吻合越好,同时,其散射波振幅强度和波形杂乱程度越弱,研究结果可为解译双相混合物介质属性参数提供参考和指导.     

一种基于综合吸收能力的高光谱遥感植被指数计算方法

植被指数一直是遥感技术研究植被的重要方法,当前主要方法多是利用遥感数据中的典型波段进行组合计算.随着高光谱遥感的广泛应用,简单波段组合计算应用于高光谱遥感数据效果并不理想,植被指数计算方法需要在传统方法基础上,充分利用连续光谱曲线优势.文章在借鉴当前主流植被指数计算方法基础上,结合植被的光谱曲线特征,提出了一种基于综合吸收能力的植被指数计算方法(VSAI).具体方法是运用植被光谱曲线在绿、红、红外波段范围内的曲线拐点所形成曲面的形状与面积,与样本之间的相似关系,进行植被存在性与郁闭度评估.结果表明,该方法计算出来的指数能较好的反应植被信息,有较好层次.     

高频电磁波传播速度在水及淤积砂土中影响因素实验研究

水及淤积土中电磁波传播速度是实现水上探地雷达(GPR)探测数据准确时深转换的关键因素.论文基于探地雷达实测结果分析了水温、盐度、浊度对水中电磁波速的影响和粒径组成、含水量变化对砂土介电常数(电磁波速)的影响,建立了淤积砂土介电常数模型并给出了相应速度计算方法.研究表明水中电磁波速主要受水体盐度影响,随盐度增大而指数减小.淤积砂土介电常数符合Looyenga模型,现场探测时可根据土样三相体积比确定土体介电常数,进而确定土体电磁波速,实现GPR数据时深准确转换.     

植被电磁散射的半空间模型研究

本文给出了地面植被电磁散射的半空间模型研究方法.在以往的相关文献中,均采用自由空间格林函数求解单个叶片散射体的散射场,本文利用半空间并矢格林函数求出了单个散射体的散射场,然后运用Monte Carlo方法模拟生成地面植被层,得到了在半空间下植被层的电磁散射特性,计算出了单、双站雷达散射截面,并与自由空间下的散射场做了相互对比.结果表明,在半空间格林函数下得到的散射场更为适用于描述地面植被的电磁散射特性.     

运用SAR图像和TM热红外图像定量反演地表空气动力学粗糙度的二维分布

在分析“陆地表面与大气相互作用”研究领域对地表空气动力学粗糙度二维分布的科学需求后, 确定以SAR (Synthetic Aperture Radar)图像的后向散射系数与地表的几何特征参数、介电常数等参数具有定量关系的SPM(Small Perturbation Model)模型为基础, 提出了运用TM热红外图像和地面同步观测的微气象数据相结合的热惯量-土壤湿度反演模型, 获取了试验区内土壤表层的湿度信息, 通过与介电常数的链结, 从SAR图像的后向散射的复合信息中解析出像元尺度的非体散射地表的几何特征信息; 经过形态因子的转换, 在SAR图像和TM图像空间尺度转换的基础上得出非植被区的等效几何粗糙度信息. 再应用作物高度的光谱模型, 计算出试验区的作物高度后, 转换为等效几何粗糙度. 采用分层镶嵌等图像处理方法, 生成了试验区像元尺度的地表等效几何粗糙度的二维分布图. 根据大气湍流理论和大气稳定度订正方法, 对测量的大气温度剖面数据和风速剖面数据进行迭代运算, 获取了试验区内裸土及小麦植被等类型地表风浪区的空气动力学粗糙度实测值. 在分析风浪区等效几何粗糙度、动力因子、热力因子对空气动力学粗糙度的共同作用后, 建立了由地表等效几何粗糙度向空气动力学粗糙度转换的尺度转换模型. 运用实测值验证了这一系列模型最终反演结果, 表明整个研究思路是可行的, 并可望应用于与空气动力学粗糙度有关的地-气相互作用的区域化研究领域.     

电离层星载阻滞势分析器的误差仿真分析

阻滞势分析器经过半个世纪的发展,在国际上已经成为就位探测电离层离子密度、离子温度和离子速度的重要手段.本文介绍了阻滞势分析器的工作原理,建立了多种仿真模型,从微观上比较几种模型对粒子的作用特性.栅网和等离子体鞘层是影响阻滞势分析器误差的主要因素,本文重点研究了这两个因素对离子透过率的影响,分析发现鞘层电场会进一步影响栅网的电场畸变,从而加剧栅网对离子的"聚焦"作用.最后,我们通过仿真生成伏安特性曲线,利用理想模型公式进行最小二乘拟合并获得离子参数,对两种模型在不同温度输入时离子密度、离子温度和离子法向速度的探测误差做出了分析.     

月球南极的微波辐射分布与异常

对南极的探测是几乎所有月球卫星探测任务的重点目标之一.其目标意在利用该地的光照资源和可能存在的冰为今后建立月球基地提供条件.利用多层微波辐射传输方程模拟并分析了多种影响因子对月壤微波亮温的影响.使用“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）所获得的观测数据研究了月球南极的微波辐射分布规律.在分析其普遍规律的基础上,研究了具有异常微波辐射特征的地区.月球极地微波亮温呈现规则环状分布,从赤道向两极递减.分析认为,在赤道月壤内温度梯度较大,越向两极月壤内的平均温度梯度越小.随着频率降低,白天夜晚的亮温差也逐渐降低.据此制作了两极月球亮温分布图.研究发现,微波亮温的变化在南纬85°以后逐渐与高程变化同步.这一现象与太阳照射月球的角度有关,并指示了南极月壤温度的冷热分布.所提取出的异常冷点分布是永久阴影区的搜索方向,异常热点则标志着该地有丰富的热量资源.