基于修正介电常数模型的煤矿区复垦土壤压实评价

模拟复垦机械对试验区土壤进行不同程度的压实,在探地雷达获取土壤介电常数的基础上,检验并修正了4种经典复合介电常数模型,并结合野外试验对修正后的模型通用性进行了验证。结果表明,土壤介电常数与土壤压实指标(土壤紧实度、容重、孔隙率等)相关系数>89%,可以表征土壤压实状况;原有复合介电常数模型虽然存在误差不能直接使用,但模型计算值与实测值相关系数>0.99,修正后二者拟合误差<1%;在野外试验中,基于修正后的介电常数模型反算的土壤压实指标(容重、孔隙率)与实验室测量值误差率<5%,通用性较好。表明在科学布设测线以保证探地雷达准确获取土壤介电常数的前提下,可以通过修正后的复合介电常数模型对煤矿区复垦土壤压实状况进行全面客观的评价。

路面材料复合介电常数模型研究进展分析

路面材料复合介电常数模型是雷达检测路面结构体系含水量、孔隙率、压实度等指标的基础和关键。分析了相关文献的研究成果,剖析了复合介电常数模型的研究现状,讨论了各种模型的优缺点、局限性和适用范围等,论证了进一步研究路面材料复合介电常数模型的必要性。

不同介电常数模型的平静海表面亮温仿真差异性分析

利用介电常数模型仿真平静海表面亮温是海洋盐度遥感反演的基础工作之一。利用Matlab软件对K-S模型、M-W模型和Bl模型3种介电常数模型进行了仿真。首先分析了3种介电常数的实部和虚部值随电磁波入射角变化的差异性,然后通过介电常数模型获得的3种平静海表面亮温,分析了在盐度为30~40 psu以及不同入射角的情况下,3种介电常数模型得到的平静海表面亮温和盐度变化率的关系。研究结果表明,在L频段(1.4~1.427 GHz),3种模型的差异主要体现在实部,K-S模型介电常数实部值相对于其他2个模型更高,电磁波衰减程度基本一致;在入射角为55°时,亮温与盐度的变化率差异最明显,3种模型的垂直极化亮温的变化率比水平极化亮温高30%左右。

基于GPR的路基土介电常数模型优化研究

以3种常见的路基填筑材料(粉土、中砂及砾砂)为试验对象,通过探地雷达测试各试样的介电常数,对介电常数的两种体积混合模型(均方根模型和线性模型)进行验证,并利用MATLAB软件对介电常数的实测值与计算值进行非线性回归。结果表明:介电常数实测值与计算值相差较大,但两者之间有较好的相关性,相关系数达0. 95以上,可利用这种相关性可对原模型进行优化,进而利用优化后的模型来反演路基压实度,为评价路基压实质量提供依据。

复相陶瓷铌酸锶钡/钛酸锶钡介电常数预测模型研究

采用粉末-溶胶工艺制备了铌酸锶钡/钛酸锶钡(SBN/BST)复相陶瓷。X射线衍射研究表明钨青铜相和钙钛矿相共存于体系中。以Clausius(克劳修斯)-Mosotti(莫索缔)方程为基础,采用混合对数法则、铌酸锶钡和钛酸锶钡的理论极化率建立了SBN/BST的介电常数预测模型。结果表明:通过介电常数预测模型得到的数值与实验测试值相吻合。

铌酸锶钡/钛酸锶钡介电常数预测模型研究

首次应用粉末-溶胶工艺合成出铌酸锶钡/钛酸锶钡复相陶瓷(SBN/SBT)。以Clausius(克劳修斯)-Mosotti(莫索缔)方程为基础,采用混合对数法则,通过实验得到的复合材料的晶格参数和铌酸锶钡、钛酸锶钡的理论极化率,建立了描述铌酸锶钡/钛酸锶钡复相陶瓷的介电常数预测模型,通过数学模型得到的预测数值与实验数值吻合。

冻结土壤介电常数混合模型机理研究

介电常数是微波辐射传输理论所需的最重要、最基本的参数。通过研究平均温度低于-4℃,组分中含有冰的土壤——冻结土壤,建立了一种适用于微波波段冻结土壤的介电常数混合模型。该模型考虑了土壤温度、微波频率、土壤质地以及其中未冻水含量的影响。模型使用一点法计算未冻水含量,引入Stern双电层理论计算冻结土壤未冻水的介电常数,引入Maxwell-Garnett介电常数混合理论、介电常数容积混合理论构建冻结土壤介电常数混合模型。模型计算结果与实测资料进行了详细的对比分析,冻结土壤介电常数混合模型给出的介电常数实部、虚部的曲率与实验结果很好吻合,模型结果比较满意,对比分析证实了模型的可靠性。

水泥混凝土介电模型研究

水泥混凝土的介电常数模型的建立是应用电磁波技术对混凝土结构进行质量检测和内部损伤探测的前提和关键。为分析研究水泥混凝土的介电常数模型,在对比分析线性模型、均方根模型和Rayleigh模型的基础上,针对水泥混凝土的特点,引入了一种新介电常数模型,采用网络分析仪,对采用连续级配两种水泥标号三种不同水灰比制作而成的水泥混凝土试件进行了28 d龄期后的介电常数测量,以验证所推荐模型的精确性和适用性。结果表明:与线性模型、均方根模型和Rayleigh模型相比,所推荐模型计算精度高,适于描述28 d龄期后水泥混凝土的介电特性。

基于混纺平纹织物的静电吸附式抓取技术研究

为了实现机械手更好地对混纺平纹织物进行抓取,课题组研究了静电吸附式抓取技术。首先,通过分析混纺平纹织物结构特性,建立混纺平纹织物三维模型与等效介电常数计算模型,并对织物在电场中受力情况进行研究;其次,结合Maxwell应力张量计算方法,建立二维静电吸附力模型,研究不同配置类型的静电极板产生的吸附力大小,用于指导静电极板的配置结构设计。结果表明:织物的等效介电常数与各纤维的体积分数和分布形态有关;织物所受到的静电吸附力随极板所施电压的增加而增大,并与其平方成正比,验证了使用静电吸附式抓取织物的有效性;通过对不同配置类型极板的吸附效果的对比,确定了最优的极板结构。该研究为静电吸附式技术在服装面料抓取领域中的应用提供了重要参考。

未饱和砂土含水量GPR反射波法检测研究

未饱和砂土含水量变化会引起介电性质改变,影响土体中电磁波传播速度。利用GPR反射波法测得土体电磁波速后,基于正确的土体介电常数模型可求得含水量,这一过程具有快速、连续、无损特点。为实现目标,以不同粒径组成的3组典型砂土为样品,利用探地雷达反射波法测定其介电常数,研究影响土样介电常数的关键因素和遵循的介电常数模型,讨论基于介电理论的土体含水量求取方法。研究表明粒径级配差异不会引起砂土介电常数较大变化;含水量是决定其介电常数的关键因素,两者关系可采用拟合的Topp或Alharathi型公式表示;砂土介电常数遵循Looyenga混合介电常数模型。研究成果在土方路基含水量连续检测中得到有效应用。

沥青混合料介电特性与密度关系研究

为研究沥青混合料介电特性与密度的关系,进行不同压实度条件下沥青混合料介电常数的测定试验。试验采用旋转压实成型试件,通过高温介电常数平台测定不同压实度试件的介电常数,应用复合材料多相介电常数模型计算各试件的毛体积相对密度,与室内水中重法测得实际值相比较验证计算结果的准确性。研究表明:不同级配、集料的矿料介电常数并不相同,矿料介电常数应以标准级配及空隙率试件反算求解,不局限于传统7～9的取值范围;通过Rayleigh模型建立沥青混合料介电常数与毛体积相对密度之间的关系,计算结果与水中重法的测定结果误差小于1%,精度较高;旋转压实成型试件在同一深度处压实不均,沥青混合料毛体积相对密度和空隙率相差分别为0.092和3.5%,试件毛体积相对密度随压实深度增加而逐渐减小。

L波段多角度裸露地表土壤水分反演研究

土壤水分是气象预报、农情监测以及水文模型的重要参数之一,利用被动微波遥感技术可以有效获取土壤水分。欧空局(ESA)计划于2009年发射卫星SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity),其主要目的是监测全球范围内的土壤水分和海洋盐度变化。根据SMOS的设置情况,寻找精度较高的半经验模型以便为进一步的土壤水分反演提供简化模型。对于裸露地表,地表粗糙度、土壤介电常数等因素影响最终的微波发射率。运用Dobson半经验介电常数模型计算土壤的介电常数,将计算结果输入高级积分方程模型(AIEM)。通过AIEM模拟的数据库,利用回归关系建立了一个精度相对较高的L波段多角度半经验模型。

基于探地雷达的路基土压实度确定

以3种常见的路基材料(粉土、中砂及砾砂)为试验对象,引入探地雷达测试的各试样介电常数,通过室内土工试验测试各试样的含水量与密度,对介电常数的两种体积混合模型(均方根模型和线性模型)进行验证,并利用MATLAB软件对介电常数的实测值与计算值进行处理。结果表明:介电常数实测值与模型计算值有很大出入,但两者之间有较好的相关性,利用这种相关性可对原模型进行改进,进而可利用改进后的模型反演路基压实度。以粉土为例,通过大量试验,利用MATLAB软件进行多元非线性回归,建立该粉土路基的介电常数经验模型。将改进后的介电常数模型及粉土经验模型应用于实际工程中,并与灌砂法得到的压实度进行对比,结果基本一致。

基于三维探地雷达技术的沥青路面施工质量研究

为更加精准高效评价沥青路面施工质量,基于三维探地雷达和无核密度仪对沥青路面试验段进行测试,建立新的沥青路面施工质量评估体系。简要介绍了三维探地雷达和无核密度仪检测原理,并提出通过拟合介电常数-空隙率模型的方法确定三维探地雷达介电常数代表值;然后提出基于三维探地雷达全反射法结合无核密度仪采集局部空隙率比例的沥青路面施工质量控制体系,在试验路上进行了验证。验证结果表明:两种无损检测设备获取的路面密度及空隙率结果可以互相验证,两种方法结合能够较好评价沥青路面质量,最后推荐了不同检测工况下的沥青路面施工质量检测方案。

沥青混合料介电特性与沥青含量研究

为建立探地雷达检测沥青含量方法,进行不同油石比的沥青混合料介电常数测试实验.根据矿料及沥青介电常数等参数,采用Rayleigh模型推导混合料沥青含量计算公式.结果表明,不同沥青含量的混合料介电常数不相同,且其介电常数随沥青含量的增大而减小;采用Rayleigh模型推导的沥青含量公式计算结果与室内合成混合料燃烧法测定结果平均误差在4%以内,精度较高,满足室内测定的要求;而在实际工程验证中,虽然计算结果与实际路面钻芯取样燃烧法测定结果相差较大,但为检测道路摊铺均匀性等方面提供理论基础.

色散金属的时域有限差分方法

表面等离子体激元具有使光场局域化和局域电磁场增强等特性,在纳米光子学和微观检测等诸多领域显示出广泛的应用潜力.时域有限差分(FDTD)数值计算方法能仿真激光与亚波长金属微结构相互作用的表面等离子体效应.金属具有色散性质,其相对介电常数模型有Drude模型和Lorentzs模型及它们相结合的Drude-Lorentzs模型,能拟合金属在可见光和近红外部分或全部波段的色散特性.FDTD数值计算要采用增加辅助变量和相应的辅助差分方程的方法使FDTD迭代计算稳定.

覆盖泡沫动态海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

为了研究高海情下动态海面的电磁散射,需将泡沫的电磁散射效应引入到海面电磁散射计算中。基于小斜率近似方法和多普勒谱物理机理,分别采用等效介电常数模型、矢量辐射传输理论模型对比分析了中低频段和高频段风驱粗糙海面覆盖泡沫层的泡沫-海面复合模型的多普勒谱特性,讨论了风速、入射波频率等因素对多普勒频移及展宽的影响。结果表明,泡沫层的动态影响是不可忽视的,从而也弥补了小斜率近似方法在某些场景中的局限性。

基于GPS信噪比观测值的土壤湿度

在多路径误差存在的基础之上,基于GPS信噪比SNR分量中的多路径实现了对土壤湿度数值的模拟与计算。首先介绍了GPS信噪比(SNR)观测值反演土壤湿度的原理、土壤介电常数常用模型、土壤反射信号特性和相应数据处理方法。探讨了卫星高度角和反射系数与土壤介电常数的依赖关系,并得出了初步的实验结果。结合实测GPS反演土壤湿度数据与湿度计在土壤湿度观测结果比较和分析证明了,利用GPS信噪比能够计算出土壤湿度变化趋势,并反演得到的土壤湿度与同一地点用土壤湿度计测量值比较的结果,显示吻合得较好。

基于厚度恒定法测定沥青路面空隙率

为了更快速、有效地测定沥青面层的空隙率,基于厚度恒定法反算介电常数,通过回归分析建立了介电常数-空隙率模型,对空隙率的预测值与实测值进行对比分析。结果表明:预测值与实测值吻合良好。基于厚度恒定法利用三维地面雷达测定介电常数与空隙率切实可行;该方法克服了三维地面雷达不能快速有效测出沥青面层空隙率的局限性。

基于嫦娥一号卫星微波辐射计数据的月球Cabeus撞击坑水冰含量研究

月球极地水冰存在与否、存在形式和存在数量等科学问题,是当前月球科学研究的重要目标之一.2009年10月9日,美国半人马座火箭和卫星相继撞击月球南极Cabeus撞击坑,证实了月球极地水冰的存在,但对其含量、分布范围等的研究还有争议.极地水冰的存在会改变极地月壤的介电常数,而微波辐射计是获取介质介电常数的最有效的工具.因此,根据37GHz频率条件下的月壤被动微波辐射传输数值模拟结果,改进月壤辐射传输模型.对比分析了Odelevsky模型、Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型等8个常用的混合介电常数计算模型,表明Lichtenecker模型与改进的Dobson模型得到的介电常数值相差最大,折射模型得到的结果偏大,Odelevsky模型、强起伏定理与Wagner和Landau-Lifshitz模型、Clausius模型、Bruggeman-Hanai模型得到的结果非常接近.基于Odelevsky模型和改进的月壤辐射传输模拟,建立了月壤体积含冰量与微波辐射亮温的关系.并根据嫦娥一号卫星获取的相应的微波辐射计数据,进行了Cabeus撞击坑水冰含量反演研究.结果表明,改进的辐射传输模型适用于高频条件下的一层月壤辐射传输模拟;月球南极Cabeus撞击坑地区月壤微波辐射亮温为69.93K(37GHz),相应的体积含冰量约为2.8%.