【摘 要】
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地表浅部非饱和土壤含水量（SMC）测量是许多研究领域的一个重要目标。土壤含水量的检测、监测在土木工程（路堤、水坝、土工结构等）、滑坡灾害、农业灌溉和土壤侵蚀、修复受污染或受损土地以及环境、生态方面发挥着关键作用。土壤含水率几乎影响人类生产生活的方方面面。粘土在我国广泛分布,其含水率的时间、空间变化是引发地质灾害、影响农业灌溉和土壤侵蚀的重要因素之一。探地雷达是一种适合测量中小尺度含水率的方法,但是
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地表浅部非饱和土壤含水量（SMC）测量是许多研究领域的一个重要目标。土壤含水量的检测、监测在土木工程（路堤、水坝、土工结构等）、滑坡灾害、农业灌溉和土壤侵蚀、修复受污染或受损土地以及环境、生态方面发挥着关键作用。土壤含水率几乎影响人类生产生活的方方面面。粘土在我国广泛分布,其含水率的时间、空间变化是引发地质灾害、影响农业灌溉和土壤侵蚀的重要因素之一。探地雷达是一种适合测量中小尺度含水率的方法,但是目前已有的方法大多是基于探地雷达时域信号,并且计算复杂。因此探索出一种基于探地雷达频率分析,精确且快速的适合粘土地区的中尺度范围的土壤含水率探测方法对该地区的地农业生产、生态环境保护等具有重要意义。本文通过建立不同含水率正演模型和两个物理实验模型,找出回波峰值频率偏移与含水率变化之间的关系,建立频移法反演土壤含水率的关系模型,实现对粘土地区土壤含水率精准且快速的探测,具体研究如下:（1）针对低分辨率频谱峰值频率提取困难的问题,研究了包括直接读取在内的四种峰值频率提取方法,对比拟合和实测结果发现,Sinc插值法得到的结果精确度最高,抛物线法和直接读取方法次之,三角形方法精确度最低。（2）通过正演实验,研究了中心频率为100MHz、400MHz、900MHz天线粘土电磁特性和含水率对探地雷达电磁波峰值频率的影响。结果表明,探地雷达峰值频率随介电常数的增大而降低,且降低幅度越来越大,高频天线比低频天线峰值频率偏移明显;探地雷达峰值频率随电导率的变大而呈现减小的趋势。随着含水率的增高,峰值频率向低频偏移,且偏移量天线频率的增高而变大。（3）研究了中心频率为100MHz、400MHz、900MHz天线,两个不同地区粘土含水率变化对探地雷达峰值频率的影响,并且建立了频移法在贵阳红粘土地区和新疆红沙泉矿区反演土壤含水率的关系模型。结果表明:贵阳红粘土模型含水率与峰值频率呈二次曲线关系,红沙泉粘土含水率与峰值频率呈一次函数关系。三种天线中,900MHz天线拟合的相关系数最高,400MHz天线次之,100MHz天线最低。因此,使用900MHz天线、Sinc插值法提取峰值频率时相关系数最高,贵阳红粘土和红沙泉粘土实验模型分别为0.9332和0.9122;使用100MHz天线、三角形法提取峰值频率时相关系数最低,两种模型分别为0.5737和0.4872。（4）在物探场实测中,运用Sinc插值法提取峰值频率情况下,100MHz、400MHz、900MHz天线的误差分别为7.42%,4.32%,3.37%;运用抛物线法提取峰值频率误差分别为9.07%,7.78%,5.24%;运用三角形法提取峰值频率误差分别为16.32%,15.24%,10.21%;直接读取峰值频率误差分别为9.86%,8.03%,5.67%。在红沙泉粘土地区,运用Sinc插值法提取峰值频率,100MHz、400MHz、900MHz天线误差分别为9.47%,8.07%,4.41%;运用抛物线法提取峰值频率误差分别为11.37%,9.26%,7.10%;运用三角形法提取峰值频率误差分别为18.28%,14.66%,13.67%;直接读取峰值频率误差分别为12.38%,10.02%,8.24%。
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