基于随机等效介质复介电常数模型的GPR探测与反演研究

探地雷达是一个重要的探测方法，广泛应用于浅部地球物理、冰川、极地考察、月球和火星等探测。随着对探地雷达探测要求的不断提高，不仅需要获得介质的形态，还需要解释介质的组分与分布特征和地质属性参数如含水量、孔隙度等。但传统介质电性参数模型简单，很难表达出电性参数与地质参数之间的关系，随机等效介质理论为精确表达它们的关系提供了数学基础。本项目在随机等效介质理论基础上，研究随机介质组分和特征参数与电性参数之间的关系，并建立其数学表达方法。通过数值模拟和物理模型实验研究，分析介质特征参数和等效电性参数与探地雷达响应及其属性参数之间的关系，为介质特征参数的解释建立理论基础。在宽频带探地雷达探测基础上，研究随机等效复介电常数和介质特征参数反演方法，并形成软件。通过对介质特征参数或地质参数的获取，提高探测数据的解释水平，增强对目标的探测能力。并通过野外探测实验，促进探地雷达和其它多频电磁探测方法的发展。

随着探地雷达及其它地球物理勘探方法研究的不断深入，探测目标不仅需要获得介质的形态信息，还需要获得介质的内在组分、参数分布以及地质属性参数如含水量、孔隙度，渗透率等本征属性信息。传统的理论研究中多以均匀介质电性参数为主，但在实际探测中，探测目标以及背景介质往往是随机非均匀分布的。建立描述复杂介质目标属性参数分布的随机介质模型，既能反映介质的微观变化，同时又能体现出宏观性质。在此基础上，将探测目标的物性参数与地质参数联系在一起，开展随机介质探地雷达探测技术和参数反演研究是实现探地雷达属性探测的关键技术。本项目从介质参数的耦合关系出发，开展探地雷达随机介质建模和参数反演估计研究。获取地质体的电性参数，估计介质的本征地质属性参数和分布规律。.通过项目四年的研究成果，本项目在建立随机等效介质模型的基础上，开展了高精度有限差分的探地雷达主动源和被动源探测的数值模拟计算，实现了随机介质探地雷达探测和参数反演。随机等效介质模型可以精确描述复杂目标属性，建立目标物性参数与水文地质参数耦合关系。采用基于CFS-RIPML吸收边界的三维高阶有限差分和基于变换光学的非均匀网格有限差分方法，为随机介质模型计算提供了高精度和高效率数值计算方法。被动源干涉探地雷达探测模式，丰富拓展了探地雷达探测方法技术。随机反演和阻抗反演方法为随机介质目标成像以及参数估计提供了高精度的方法技术。本项目从随机介质模型、数值模拟计算、探测模式以及目标参数反演四个方面建立了完整的随机等效介质探地雷达探测研究方法技术。不仅能准确获取目标体的电性参数，还能反演目标的本征地质参数和分布规律，为实现从常规目标形态位置探测到复杂目标介质内在属性探测转变提供了完整的科学技术手段。本文的研究成果在其它科学领域，例如浅地表目标属性分析，深部矿产资源，地热源开发以及极地冰川探测，月球探测等方面都提供了重要的技术手段，具有重要的科学研究价值。.除此之外，本项目结合探地雷达方法特点，开展了基于压缩感知探地雷达目标成像、完备整体经验分解技术探地雷达目标信号提取以及超宽带探地雷达穿墙探测人体生命特征。扩展了探地雷达方法的应用范围和数据处理手段。