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物探与化探, 2018, 42(5): 962-969 doi: 10.11720/wtyht.2018.1458

方法研究·信息处理·仪器研制

探地雷达探测季节性冻土的正演模拟

宋二乔1,2, 刘四新,1,2, 何荣钦1,2, 蔡佳琪3, 罗坤1,2

1. 吉林大学 地球探测科学与技术学院,吉林 长春 130026

2. 国土资源部应用地球物理重点实验室,吉林 长春 130026

3. 台州市水利水电勘测设计院,浙江 台州 318000

Forward modeling on the seasonal frozen soil region detection by ground penetrating radar

SONG Er-Qiao1,2, LIU Si-Xin,1,2, HE Rong-Qin1,2, CAI Jia-Qi3, LUO Kun1,2

1. College of Geo-exploration Science & Technology, Jilin University, Changchun 130026, China;

2. Key Lab of Applied Geophysics, Ministry of Land and Resources, Changchun 130026, China

3. Taizhou Design Institute of Water Conservancy & Hydro-electric Power, Taizhou 318000, China;

通讯作者: 刘四新(1966-),男,日本东北大学工学博士,教授,博士生导师,主要从事探地雷达、钻孔雷达及电磁波测井等的方法理论和应用方面的研究工作。Email:liusixin@jlu.edu.cn

收稿日期: 2017-09-25   修回日期: 2018-02-26   网络出版日期: 2018-10-05

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41574109
国家自然科学基金项目.  41504085
国家重点研发项目“深部矿产资源地球物理综合探测与信息提取”.  2016YFC0600505

Received: 2017-09-25   Revised: 2018-02-26   Online: 2018-10-05

作者简介 About authors

宋二乔(1992-),女,硕士,主要研究方向为探地雷达。 。

摘要

随着季节的变化,季节性冻土区活动层在冻融过程中物性参数变化显著。以东北地区季节性冻土为研究对象,采用高斯随机粗糙面来模拟粗糙不平的冻结层和融化层界面,建立了能精细描述活动层非均匀性的随机介质模型,并进行了探地雷达正演模拟。研究结果表明:活动层的冻结深度和融化深度随季节而变化,其介电常数和电导率也随季节而变化;非均匀性的活性层、起伏不平的冻结层和融化层使雷达剖面中的散射波非常发育,随时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难。同时,证明应用探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的。

关键词： 季节性冻土 ; 探地雷达 ; 随机介质 ; 粗糙面 ; 散射波

Abstract

With the change of season, the physical parameters in the process of freezing and thawing in active layer of seasonal frozen soil region change significantly. Taking the seasonal frozen soil in Northeast China as an example, the authors used the Gaussian distribution rough surfaces to simulate the rough freezing and melting layers, established the random media model which can accurately described heterogeneity of the active layers, and carried out forward modeling. The results show that the depth of freezing and melting layers changes with the seasons, together with the change of permittivity and conductivity. The scattered waves in radar profile are very developed because of the heterogeneous active layer and the undulating freezing and melting layers. With the change of time, the greater the fluctuation of the melting layer, the stronger the scattered wave energy in the radar profile, the harder the reflection of the melting and the freezing layers. At the same time, it is proved that the application of GPR to monitor the seasonal variation, frozen depth and melting depth of seasonal frozen soil is a practical method.

Keywords： seasonal frozen soil ; ground penetrating radar ; random media ; rough surfaces ; scattered wave

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本文引用格式

宋二乔, 刘四新, 何荣钦, 蔡佳琪, 罗坤. 探地雷达探测季节性冻土的正演模拟. 物探与化探[J], 2018, 42(5): 962-969 doi:10.11720/wtyht.2018.1458

SONG Er-Qiao, LIU Si-Xin, HE Rong-Qin, CAI Jia-Qi, LUO Kun. Forward modeling on the seasonal frozen soil region detection by ground penetrating radar. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2018, 42(5): 962-969 doi:10.11720/wtyht.2018.1458

0 引言

季节性冻土是一种冰水共存的特殊土水体系。全球陆地面积70%存在冻土,其中约56%为季节性冻土。中国是世界上第三冻土大国,其中多年冻土占国土面积的22%,季节性冻土占 53.5%,主要分布在东北、内蒙古东部和北部、新疆北部和西部、青藏高原区[1,2,3]。在国内外,各种物探方法在永久性冻土区的应用有很广泛和深入的研究[4,5,6,7,8,9],其中探地雷达以其快速、高效、无损等特点被广泛应用在浅层结构勘探领域中。20世纪50年代后期, 在多年冻土地区进行工程地质调查时我国有关勘测设计单位便开始使用物探方法,但正式把冻土物探作为一种专门技术进行系统研究和应用则始于60年代初。多年冻土发育状态受温度、土壤、水分、坡度、坡向、植被、岩性等因素的影响,通过钻孔、坑探、地面调查等简单手段,很难对多年冻土的分布及厚度情况作出准确评价。近些年来,俞祁浩等[4,9]根据多年冻土的地球物理特性,冻土与非冻土之间有明显的介电常数和电阻率差异,选用电磁技术探测组合方法,在青藏高原东部温泉地区进行试验研究,摸索出一套适用于青藏高原多年冻土分布及厚度调查的探测技术方法。李珊珊、李志伟等[5]提出将InSAR技术中的小基线集方法(SBAS-InSAR)应用于监测冻土来获取其形变时间序列中,揭示了该冻土区2007~2010年的季节性形变演化情况,通过与研究地区温度变化的联合分析,发现所得到的地表形变结果与冻土的物理变化规律非常吻合。程立、祁增云等[10]采用瞬态瑞雷波法很好地解决了常规物探地震、电法等无法在冻土场地条件下开展检测工作的问题并且探测精度符合勘探的要求。我国的冻土研究主要集中在青藏高原、西部高山以及东北大小兴安岭等多年冻土区,但在季节性冻土区应用物探方法探测不同冻融时期物性参数的研究相对较少[11,12,13,14,15]。焦永亮、李韧等[12]利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场实测活动层剖面土壤温度和水分数据,对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究,研究表明活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展,冻结过程则会出现双向冻结现象。王子龙、付强等[16]对季节性冻土区不同时期土壤剖面水分空间变异特征进行了研究。在我国,对于东部季节性冻土区的时空演变特征等的研究并不多见。季节性冻土具有冬季冻胀、春季融沉的特性[17,18,19],这对我国人民生活和经济建设有着重大影响。

随着季节的变化,季节性冻土区土壤的介电常数和电导率会变化显著。通常在正演模型研究中,会假设背景介质及目标属性参数分布是均匀的。但在实际探测中,探测目标及背景介质往往呈随机非均匀分布。介质的非均匀性一方面会引起探地雷达电磁波向不同方向散射,即产生散射波,大量微弱的散射波对探测结果造成干扰[20,21],另一方面介质本身的非均匀性也给目标解释增加了难度,因此,采用随机介质模型[22,23,24,25]对不同时期的季节性冻土进行建模,并采用高精度的有限差分方法(FDTD)进行探地雷达数值模拟计算。不同地区季节性冻土的季节变化以及物性参数也有很大差别,笔者仅以东北地区的季节性冻土为例,进行正演研究。

1 季节性冻土的季节演变特征

冬季冻结,夏天完全融化的土(岩)层称为季节性冻土。根据季节冻土的下垫土(岩)层及其关系又分为两种:季节冻结层——夏季融化,冬季冻结(存在时间大于1个月)时不与多年冻土衔接或其下垫融土的土(岩)层;季节融化层——夏季融化,冬季冻结并下垫多年冻土的土(岩)层[1,12]。本文主要研究前一种季节性冻土。

东北地区是季节性冻土广泛存在的地区。活动层冻结始于10月底,在3月中上旬达到最大冻结深度,4月开始融化,进入冻融期。冻土的冻结过程由地表面向下单方向进行,而融化过程则由地表向下和由季节冻结层底面向上两个方向进行。每年秋末,随着气温的下降,地温也迅速下降,当地温达到土壤的冻结点时,土壤开始冻结,土壤中的水(ε=80)也开始转换为冰(ε=3~4),这就使冻结层的介电常数明显低于非冻结层。季节冻结层位于地表层,在年内日平均气温稳定低于 0℃的期间发育,是靠冷季负地温条件下通过地表的热交换而形成的,在活动层深度内,地温由表及内逐渐升高,至某一深度处温度达到正值,此为非冻结层。季节冻土区的冻结层深度一般在 3 m 以内。在翌年春季随着温度的升高,季节性冻土进入融化期,地表受大气环境温度的影响而融化、冻结层底面受土层深处温度的影响而融化,并且地表向下融化较冻结层底面向上融化更加剧烈;同时,土壤中的冰(ε=3~4)也开始转换为水(ε=80),这就使融化层的介电常数明显高于冻结层。随着土壤融化过程的发展,冻结层最终消失[16,26-27]。

冻结期和冻融期土壤介电常数与非冻结期存在较大差异,对其进行探地雷达正演研究,将会在东北地区季节性冻土区的农业、环境、工程建设等方面发挥作用。

2 模型建立

探地雷达探测过程中,电磁波信号通常会在多尺度非均匀介质中传播。小尺度异质体仅产生弱的或不可测得的响应,但会对传播在其中的信号产生整体层面的影响,异质体在各个方向上吸收并影响传播的电磁波能量,而且粗糙不平的起伏界面也会导致散射杂波的存在,这些散射杂波的能量一般较强,在地下目标体埋深较浅的情况下,目标体信号会被散射杂波掩盖[20,21]。因此,为了更好地模拟季节性冻土,引入了一维高斯随机粗糙面和随机介质模型。

2.1 一维高斯随机粗糙表面

为了模拟季节性冻土粗糙不平的冻结层界面和融化层界面,引入高斯随机粗糙表面[28,29],它的功率谱密度为

w(k)=δ2l2πexp-k2l24,

其中:δ为粗糙表面的均方根高度,k为粗糙面在x方向的波数,l为沿x方向的相关长度。

均方根高度和相关长度是粗糙面模拟中最基本而且极其重要的两个物理量,它们的变化对粗糙面的起伏深度、起伏频繁程度都有很大的影响。图1给出了不同均方根高度、相关长度的一维高斯粗糙面数值模拟结果,可以看出,均方根高度较大时,粗糙面的起伏深度也较大,图 1c、d的起伏深度分别大于图 1a、b的起伏深度;当相关长度越小时,粗糙面起伏越频繁,图 1b、d的起伏次数要大于图1a、c的起伏次数。

图1

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图1   不同均方根、相关长度一维高斯粗糙面数值模拟结果


2.2 二维随机介质模型

为了更准确地模拟季节性冻土非均匀情况,采用混合型自相关函数和局部随机干扰函数建立二维随机介质模型[22,23,24,25]。随机介质模型就是利用统计的方法对那些大量随机不均匀分布在介质中的小尺度异常进行描述。该方法是将随机介质看成是由两种相对大小不同尺度组成的一种非均匀介质。本文采用m(k)来表示非均匀介质模型,它是由背景均匀介质m0(k)和随机扰动δm(k)(δm(k)满足高斯分布)两部分组成:

m(k)=m0(k)+δm(k)=m0(k)[1+ϕ(k)],

ϕ(k)=δm(k)/m0(k)。

式(2)、式(3)中,k=(x, z)表示二维空间位置矢量;ϕ(k)代表随机介质的相对扰动特征,要求满足均值为零,即<ϕ(k)>=0和有一定的方差,即<ϕ2(k)>=α2。

采用混合型椭圆自相关函数来建立随机介质模型,其具体步骤如下。

1) 选择自相关函数f(x, z):

f(x,z)=exp-x2a2+z2b211+r,

式中:a、b分别表示空间介质在x、z方向上的自相关长度;r表示随机介质的粗糙度因子,r=0时为高斯型椭圆自相关函数,r=1时为指数型椭圆自相关函数,当0<r<1时为混合型椭圆自相关函数。

2) 对f(x, z)作傅里叶变换,得到能量谱密度函数F(kx, kz),kx、kz为x、z方向上的波数。

3) 用随机数发生器生成一个服从在(0,2π)区间均匀分布的独立随机相位φ(kx, kz)。

4) 理论上自相关函数和随机数都是一个连续的函数,而实际实现过程中是一系列离散的数据,所以选用平滑技术用如下公式得到随机功率谱函数:

R(kx,kz)=F(kx,kz)exp[+iφ(kx,kz)]。

5) 计算R(kx, kz)的反傅里叶变换,就从波数域R(kx, kz)变换到空间域得到f(x, z)。

6) 计算f(x, z)的均值和方差,即

μ=<f(x,z)>,d2=<[f(x,z)-μ]2>。

7) 通过之前平稳随机过程产生均值为零,方差为α2,就能得到小尺度的随机相对扰动:

ϕ(k)=αd[f(x,z)-μ]。

在此基础上,利用随机函数发生器产生局部扰动因子的位置,利用局部随机位置任意形状截取法生成规则或不规则的局部扰动区域,函数关系为

(x-x0)cosθ+(z-z0)sinθm2+-(x-x0)sinθ+(z-z0)cosθn2=1,

式中:θ为局部扰动角度,m、n为局部扰动的半径,x0、z0为产生局部扰动的中心位置。

粗糙度因子和自相关长度是随机介质模型中最基本而且极其重要的两个物理量。图2给出了不同粗糙度因子、自相关长度的二维随机介质模型,可以看出,当粗糙度因子较大时,模型越光滑,边界越清晰;对于自相关长度,改变不同方向的自相关长度,可以观察到随机扰动分别向不同方向延展。

图2

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图2   不同粗糙度因子、自相关长度二维随机介质模型


3 数值模拟及分析

探地雷达电磁波在介质中的传播速度主要取决于介质的介电常数。电磁波会在两种不同介质的界面发生反射,由于探地雷达是接收反射波来探测目标体,而反射波的强弱取决于介电常数的差异。表1列出了在多年冻土区探测中常见介质的介电常数[20,30]。结合东北地区实际情况,参考关于东北地区地球物理研究的资料,不同时期季节性冻土模型参数设计如表2所示,其中冻结深度和融化深度数据来源于文献[26]。

表1   常见介质的相对介电常数和电导率

介质类型空气冰干砂饱和砂黏土水
εr13~43~523~305~4080
σ/(mS/m)00.010.010.1~12~10000.5

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表2   不同时期季节性冻土二维随机介质模型参数

模型
编号		平均冻
深/m		平均融
深/m		层数平均相对
介电常数		σmS/m
100Ⅰ16.00.018
20.650Ⅰ10.00.01
Ⅱ16.00.018
30.980Ⅰ9.00.008
Ⅱ16.00.018
41.600Ⅰ8.00.002
Ⅱ16.00.018
51.670Ⅰ8.00.002
Ⅱ16.00.018
61.600.41Ⅰ9.00.008
Ⅱ12.00.0125
Ⅲ16.00.018
71.480.98Ⅰ16.00.018
Ⅱ10.00.01
Ⅲ16.00.018
800Ⅰ16.00.018

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一般认为土壤是由土壤固体、孔隙、结合水和自由水组成的四相混合物。在季节性冻融过程中土壤剖面水分迁移的主要驱动力为土水势梯度; 未冻水迁移是冻土中气、液和固相迁移中的主要方式; 温度是导致土中水相变、制约冻土中未冻水含量以及相应制约土水势的一个主导因素。而冻深和融深与土壤温度之间存在着密切关系[1,12,26]。随着温度的降低,水结成冰后介电常数明显降低,导电性降低,电阻率升高,导致季节性冻土区土壤冻结层的介电常数和电导率降低。反之随着温度的升高,冰融化成水后介电常数明显升高,导电性也升高,电阻率则降低,导致季节性冻土区土壤融化层的介电常数和电导率升高[20]。

图3给出了不同时期季节性冻土模型。模型水平方向为7 m,垂直方向为4 m,其上部区域为空气层(ε=1,δ=0 mS/m),厚度0.5 m;下部区域为随机介质,厚度3.5 m。8个模型分别对应不同时期季节性冻土的冻结和融化情况。图3a为未冻结期活动层模型;图3b—e为冻结期活动层模型,随着时间的推移,大气外界环境温度降低,地温也迅速下降,当地温达到土壤的冻结点时,土壤开始冻结,冻结深度也越来越深,土壤体积含冰量也越来越多。不同时期外界条件不同,冻结层底面起伏情况也不同;图3f、g为融化期活动层模型,融化深度越来越深,冻结深度越来越浅,土壤体积含冰量也越来越少,活性层受大气环境温度的影响而向下融化、冻结层底面受土层深处温度的影响而向上融化,并且地表向下融化较冻结层底面向上融化更加剧烈;图3h为完全融化期活动层模型,随着活性层融化过程的发展,冻结层最终消失。

图3

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图3   不同时期季节性冻土的介电常数模型(左)与电导率模型(右)


对不同时期季节性冻土模型进行电磁波的正演模拟,能够很好地了解电磁波在介质中的传播过程,同时有助于探地雷达数据的解释。文中利用时域有限差分法[31,32,33]对不同时期季节性冻土模型进行探地雷达正演模拟。正演模拟的天线中心频率为500 MHz,时窗为60 ns,采集道数为137,道间距为0.05 m。发射天线和接收天线的水平初始位置分别为0.05 m、0.15 m,距地表0.4 m。图4是探地雷达探测不同时期季节性冻土的雷达剖面。

图4

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图4   不同时期季节性冻土模型(图3模型)的正演模拟剖面


从图4中可以看出,探地雷达波在随机介质传播过程中,散射波干扰强烈,随机、无序传播的散射波相互叠加,形成了随机扰动和噪声使层界面反射连续性变差,能更好地描述实际介质的分布特征。

图4a为未冻结期活动层正演模拟剖面,可看出具有明显的散射波,能量分布不均匀。这是由于小尺度异质体在各个方向上吸收并影响传播的电磁波能量,部分散射波返回地面,被接收天线接收,降低了探地雷达回波的信噪比和分辨率。

图4b、c、d、e为冻结期活动层正演模拟剖面,也具有明显的散射波,能量分布不均匀。这是由于不同时期活动层的体积含冰量不同,虽然可以识别出冻结层界面的反射波,但是冰晶体分布较为杂乱,冰晶体之间相互干扰较为严重,产生的散射波使层界面反射波同相轴连续性变差,并且粗糙不平的冻结层界面也会导致散射波的存在;这些散射波的能量一般较强,会给剖面的解释带来困惑。

图4f、g为融化期活动层正演模拟剖面,也具有明显的散射波,能量分布不均匀。可以识别出融化层界面和冻结层界面的反射波,但来自冻结层界面的反射波的能量较弱。图4g相比于图4f,融化层界面更加粗糙,导致电磁波在融化层界面的散射更严重,使融化层层界面反射波同相轴连续性更差;而且,穿透到地下的电磁波能量更少,使冻结层界面的反射波同相轴变形且不连续。

图4h为完全融化期活动层正演模拟剖面图,与图4a情况相同。

4 结论

1)本文将季节性冻土视作随机介质,冻结层和融化层界面视为高斯随机粗糙面,研究了其介电常数和电导率在时间和空间上的分布特征,建立了不同时期季节性冻土的介电常数随机介质模型和电导率随机介质模型,该模型能更加准确地描述季节性冻土这种非均匀介质类型。

2) 探地雷达正演模拟研究表明:冻融层的起伏不平和活性层的非均匀性使雷达剖面中的散射波非常发育,散射波干扰强烈,随机、无序传播的散射波相互叠加,形成了随机扰动和噪声,降低了探地雷达回波的信噪比和分辨率。随着时间变化,融化层起伏越大,雷达剖面中的散射波能量越强,融化层和冻结层界面的反射波识别越难。

3) 季节性冻土区的活动层在不同的时期,其冻结层和融化层的介电常数和电导率有明显的差异性,因而可以通过对探地雷达信号波形、相位等变化特征的识别,较快速准确地确定活动层的冻结深度和融化深度,并能掌握季节性冻土的时间和空间分布特征,同时也说明了探地雷达监测季节性冻土的季节变化、冻结深度和融化深度的时间和空间变化是切实可行的方法。我们也将作深入研究。但如何将探地雷达运用于实际监测东北季节性冻土,需要更多的理论研究和实际经验来提供研究依据。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

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<p>冻土的脆弱性是指冻土对气候变化的脆弱性，是冻土易受气候变化，尤其是温度变化不利影响的程度. 研究冻土对气候变化的脆弱性是提高对自然生态系统、工程系统、生态-社会-经济系统对冻土变化影响的脆弱性的认知，科学适应冻土变化诸种影响的前提和基础. 基于科学性与实际相结合的原则、全面性与主导性原则、可操作性原则，以暴露度、敏感性与适应能力为标准，遴选构建了我国冻土脆弱性评价指标体系. 借助RS与GIS技术平台，使用空间主成分方法，构建了冻土脆弱性指数模型，在区域尺度上综合评价了冻土的脆弱性. 依据自然分类法，将冻土脆弱性分为潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱与极强度脆弱5级. 结果表明：总体上我国冻土以中度脆弱为主，但青藏高原多年冻土对气候变化尤为脆弱；冻土脆弱性具有显著的地域分布特点，青藏高原、西部高山、东北多年冻土区脆弱性相对较高，季节冻土区相对较低. 与季节冻土相比，多年冻土对气候变化更脆弱. 在当前升温幅度条件下，冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力.</p>

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Magsci     [本文引用: 2]

<p>在青藏高原东部温泉地区对多年冻土厚度探测进行了试验研究,总结出一套可行的用于探测0~100 m范围内多年冻土分布及厚度的探测方法:选用探地雷达及瞬变电磁测深法分别对冻土上限及冻土下限进行探测,探地雷达分辨率高,能够有效解决地下0~5 m范围内多年冻土是否存在及上限埋深情况,而瞬变电磁测深法能有效解决地下5~100 m范围内的多年冻土下限埋深情况。</p>

程立, 祁增云 .

瞬态瑞雷波法在冻土场地条件下的应用

[J].勘察科学技术, 2010(5):59-61.

[本文引用: 1]

秦艳芳, 陈曦, 周可法 , 等.

利用探地雷达观测分析早春融雪前后沙丘表层土壤含水量的时空分布

[J]. 冰川冻土, 2012,34(3):690-697.

Magsci     [本文引用: 1]

积雪融水是古尔班通古特沙漠春季植物发育的重要水源, 快速获取早春沙丘的土壤水分变化具有十分重要的生态学意义. 2010年3、 4月分别使用探地雷达进行了多次测量实验, 结果显示: 1)融雪初期, 沙丘顶部土壤的自由水含量最大, 阳坡次之, 且融雪水在重力作用下沿坡面侧向缓慢流动, 在坡底汇集, 主导了融雪初期乃至整个春季沙丘表层土壤水分的分布格局; 2)融雪后期, 由于阴坡积雪和冻土消融相对滞后, 表层土壤含水量略高于阳坡, 而沙丘顶部由于融雪最早且融雪期间水分转移最多而表面最为干燥; 3)通过与时域反射仪的同步测量结果对比, 探地雷达的测量精度被有效控制在0.03范围内, 且探地雷达提供的连续数据更有利于从细节上把握土壤含水量的变化趋势, 为中小尺度土壤水分的动态研究提供了一种科学、 有效的技术手段.

焦永亮, 李韧, 赵林 , 等.

多年冻土区活动层冻融状况及土壤水分运移特征

[J]. 冰川冻土, 2014,36(2):237-247.

DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2014.0030      Magsci     [本文引用: 4]

利用位于典型多年冻土区的唐古拉综合观测场2007年9月1日—2008年9月1日实测活动层剖面土壤温度和水分数据，对多年冻土区活动层的冻结融化规律进行研究；同时，对冻融过程中的活动层土壤液态水含量的变化特征进行分析，探讨了活动层内部土壤水分分布特征及其运移特点对活动层冻结融化过程的影响. 结果表明：活动层融化过程从表层开始向下层土壤发展，冻结过程则会出现双向冻结现象. 一个完整的年冻融循环中活动层冻结过程耗时要远远小于融化过程. 活动层土壤经过一个冻融循环，土壤水分整体呈现下移的趋势，土壤水分逐步运移至多年冻土上限附近积累. 同时，土壤水分含量和运移特征会对活动层冻融过程产生显著的影响.

王康 . 全球变化条件下地表冻融循环及多年冻土热状态响应研究[D].兰州:兰州大学, 2015.

[本文引用: 1]

Chen A, Parsekian A D, Schaefer K , et al.

Ground-penetrating radar-derived measurements of active-layer thickness on the landscape scale with sparse calibration at Toolik and Happy Valley,Alaska

[J]. Geophysics, 2016,81(2):H1-H11.

DOI:10.1190/geo2016-0808-TIOgeo.1      URL     [本文引用: 1]

Du E, Zhao L, Wu T , et al.

The relationship between the ground surface layer permittivity and active-Layer thawing depth in a Qinghai-Tibetan Plateau permafrost area

[J]. Cold Regions Science & Technology, 2016,126:55-60.

[本文引用: 1]

王子龙 . 季节性冻土区雪被-土壤联合体水热耦合运移规律及数值模拟研究 [D].哈尔滨:东北农业大学, 2010.

[本文引用: 2]

郭占荣, 荆恩春, 聂振龙 , 等.

冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析

[J]. 水科学进展, 2002,13(3):298-302.

Magsci     [本文引用: 1]

西北内陆盆地冻结期和冻融期几乎占全年时间的1/2,该时期土壤水分运移特点与非冻结期存在较大差异.本文根据北疆昌吉平原区土壤水分运移观测试验,分析了冻结期和冻融期土壤水势分布和土壤含水量变化规律及其与潜水的转化关系,并阐述了冻融水的生态环境意义.

王维真, 吴月茹, 晋锐 , 等.

冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例

[J]. 冰川冻土, 2009,31(2):84-90.

[本文引用: 1]

王春雷, 张戎垦, 赵晓萌 , 等.

季节冻土区高速铁路路基冻胀监测系统及冻胀规律研究

[J]. 冰川冻土, 2014,36(4):962-968.

DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2014.0116      Magsci     [本文引用: 1]

季节冻土区修建高速铁路的主要问题是路基冻胀. 依托我国东北、华北多个高速铁路路基冻胀监测工作实践，研究了一套冻胀监测系统的构建方法并成功应用于哈齐客专、大西客专、牡绥线等路基冻胀监测工作中. 综合监测成果，对高速铁路路基冻胀规律进行了分析，对冻胀原因进行了总结. 结果表明：冻胀监测系统应充分考虑严寒、低温、高速条件下，利用先进传感器及物联网技术来实现各子系统集成；季节冻土区铁路路基冻胀存在一定规律可循，季节冻土区铁路路基冻胀不可避免但是可控. 填料质量是防冻胀控制的根本，施工质量过程管控是基础保障.

曾昭发, 刘四新, 王者江 , 等. 探地雷达方法原理及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[本文引用: 4]

Jol H M .

Ground penetrating radar theory and applications

[M]. Elsevier Science, 2009.

[本文引用: 2]

Ikelle L T, Yung S K, Daube F .

2-D Random Media with Ellipsoidal Correlation Functions

[J]. Geophysics, 1993,58(9):1359-1372.

DOI:10.1190/1.1443518      URL     [本文引用: 2]

Jiang Z, Zeng Z, Li J , et al.

Simulation and Analysis of GPR Signal Based on Stochastic Media Model with an Ellipsoidal Autocorrelation Function

[J]. Journal of Applied Geophysics, 2013,99(3):91-97.

DOI:10.1016/j.jappgeo.2013.08.005      URL     [本文引用: 2]

马灵伟, 顾汉明, 赵迎月 , 等.

应用随机介质正演模拟刻画深水区台缘礁碳酸盐岩储层

[J]. 石油地球物理勘探, 2013,48(4):583-590.

DOI:      Magsci     [本文引用: 2]

南海A区块深水区钻井少，储层刻画难度大。本文基于深水区地质沉积相分析成果，利用深水区地震资料建立符合实际条件的地层结构模型，结合波阻抗反演结果及地震属性特征，建立深水台缘礁碳酸盐岩储层的结构模型。在此基础上，运用随机建模方法对台缘礁碳酸盐岩储层内部的孔洞、裂缝进行精细刻画。运用&ldquo;交&rdquo;、&ldquo;并&rdquo;算法将储层结构单元与随机介质模型结合，建立符合地下实际的深水台缘礁碳酸盐岩储层地震地质随机介质模型，应用正演模拟、常规处理和相似性分析技术，获得与实际地层最接近的台缘礁碳酸盐岩储层结构和参数模型。

李静 . 随机等效介质探地雷达探测技术和参数反演[D].长春:吉林大学, 2014.

[本文引用: 2]

王子龙, 付强, 姜秋香 , 等.

季节性冻土区不同时期土壤剖面水分空间变异特征研究

[J]. 地理科学, 2010,17(5):772-776.

[本文引用: 3]

李丽英, 张立新, 赵少杰 .

冻土介电常数的实验研究

[J]. 北京师范大学学报:自然科学版, 2007,43(3):241-244.

[本文引用: 1]

Kobayashi T, Oya H, Ono T .

A-scope Analysis of Subsurface Radar Sounding of Lunar Mare Region

[J]. Earth,Planets and Space, 2002,54(10):973-982.

DOI:10.1186/BF03352445      URL     [本文引用: 1]

任新成 . 粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射研究[D].西安:西安电子科技大学, 2008.

[本文引用: 1]

胡俊, 俞祁浩, 游艳辉 , 等.

探地雷达在多年冻土区正演模型研究及应用

[J]. 物探与化探, 2012,36(3):457-461.

Magsci     [本文引用: 1]

通过探地雷达在多年冻土区的应用条件的分析,结合正演模拟和实例勘察,对比分析探地雷达对多年冻土区厚层地下冰的分布、埋藏深度、赋存情况以及对冻土类型的识别的有效性。研究结果表明,厚层地下冰与周围地质体存在巨大的介电常数差异,雷达波的相位特征、振幅大小、反射波和反射波组都出现较大的不同,使得探地雷达能有效地勘察厚层地下冰的各种特征;同时,对不同类型的冻土,因冰晶体的赋存情况及分布不同,结合坑探、钻探等其他地质勘察手段,也能有效地区分。

刘四新, 曾昭发, 徐波 .

三维频散介质中地质雷达信号的FDTD数值模拟

[J]. 吉林大学学报, 2006,36(1):123-127.

[本文引用: 1]

李静, 曾昭发, 吴丰收 , 等.

探地雷达三维高阶时域有限差分法模拟研究

[J]. 地球物理学报, 2010,53(4):974-981.

DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.04.022      Magsci     [本文引用: 1]

<p align="justify">探地雷达数值模拟中，时域有限差分法在时间和空间上一般采用二阶精度的中心差分近似(FDTD(2,2))，其形式简单，但数值色散误差较大，在复杂模型模拟时不能很好地反映模型的精细变化.高阶时域有限差分法能很好地改善数值色散带来的误差，提高模拟精度.本文基于三维高阶时域有限差分法的基本原理实现了探地雷达正演模拟，采用单轴各向异性完全匹配层(UPML)作为吸收边界条件，可以有效地吸收外向传播的电磁波，在大大地提高计算效率的同时，也能很好地改善边界的吸收效果.分析对比正演模拟结果，通过三维高阶时域有限差分正演能获得目标体准确电磁响应信息，并能很好的提高模拟精度.</p>

冯德山, 陈承申, 戴前伟 .

基于UPML边界条件的交替方向隐式有限差分法GPR全波场数值模拟

[J]. 地球物理学报, 2010,53(10):2484-2496.

DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.10.022      Magsci     [本文引用: 1]

交替方向隐式差分(ADI-FDTD)法突破了Courand-Friedrich-Levy(CFL)条件的约束,具有无条件稳定的特点;而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性,不需要对电场和磁场进行分裂,迭代公式简单,便于编程的特点.综合两者优势,本文提出了基于UPML边界条件的ADI-FDTD探地雷达数值模拟算法,通过对3个二维Maxwell方程进行离散化,推导了GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件的两个子时间步的迭代差分公式,并分别给出了详细计算步骤.在此基础上,开发了相应的模拟程序,应用该程序对两个GPR模型进行了正演模拟,得到了两个正演模型的wiggle图、扫描图与全波场快照.通过分析这些雷达剖面图与波场快照,可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于雷达资料更可靠、更准确的解释.模拟结果表明,基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法可取较大的时间步长,消除了截断边界处的强反射,能对简单与复杂GPR模型进行快速、高效模拟.

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