TDR

由於電纜中電磁波的傳播為橫電磁波，其傳播的速度受導體周圍的介質影響，因而許多研究者利用這一特性，開展了多方面的應用研究。沉積物中水合物飽和度主要由樣品孔隙度和含水量確定。目前，測量沉積物含水量的方法主要有重量分析法、放射性法(如中子散射法、伽馬射線法)、電阻法、探地雷達技術和時域反射技術(TDR)等。 ^[1] 

這些方法各具有優缺點，適用於不同尺度的含水量測量研究。重量分析法可以精確測量沉積物樣品的含水量，但其缺點是需要對沉積物進行取樣、破壞，不適合於含水合物沉積物樣品的含水量測量；放射性方法可以在原位精確測量沉積物的含水量，但需對具體的測試樣品單獨進行標定，而且需防範放射性對測試人員造成身體傷害；電阻法也需要對具體的測試樣品進行標定，才能得到比較準確的測量值；探地雷達技術適用於大範圍的水體分佈原位調查，在小樣品尺度的含水量測試中使用時域反射技術( Time Domain Reflectometry，TDR)具有無損探測、精度高、計算量小、靈活性大、方便實時實地測量以及能同時探測沉積物含水量和鹽度等優點，因而受到人們更多的青睞。 ^[1] 

在水合物實驗中，利用TDR技術可以實時測試沉積物的含水量，反算出水合物的飽和度，達到實時測試飽和度的目的。 ^[1] 

早在20世紀60年代就產生了時域反射（TDR）技術。該技術包括產生沿傳輸線傳播的時間階躍電壓。用示波器檢測來自阻抗的反射，測量輸入電壓與反射電壓比，從而計算不連續的阻抗。 ^[2] 

20世紀70年代瞭解到作為頻率函數的網絡反射係數的傅里葉變換就是作為時間函數的反射係數。可用網絡分析儀在頻域測量的數據計算和顯示網絡作為時間函數的網絡階躍和激衝響應。使在反射和傳輸中傳統TDR能力增加了在頻帶有限網絡進行測量的潛力。 ^[2] 

在反射模式中網絡分析儀測量作為頻率函數的反射係數。可把該反射係數看成是入射電壓和反射電壓的傳遞函數。反變換將反射係數轉換為時間函數（激衝響應）。可用該反射係數與輸入階躍或脈衝的卷積計算階躍和激衝響應。在傳輸模式中。網絡分析儀測量作為頻率函數的二端口器件的傳遞函數。反變換將該傳遞函數轉換為二端口器件的激衝響應。用該激衝響應與輸入階躍或脈衝的卷積計算階躍和激衝響應。 ^[2] 

TDR測量沿導體的反射。為了測量這些反射，TDR會將入射信號傳輸到導體上並監聽其反射。如果導體具有均勻的阻抗並且被正確端接，那麼將沒有反射，並且剩餘的入射信號將通過終端在遠端被吸收。相反，如果存在阻抗變化，則一些入射信號將被反射回源。TDR原則上類似於雷達。 ^[3] 

通常，反射將具有與入射信號相同的形狀，但是它們的符號和幅度取決於阻抗水平的變化。如果阻抗有階躍增加，那麼反射將與入射信號具有相同的符號;如果阻抗逐步減小，則反射將具有相反的符號。反射的大小不僅取決於阻抗變化的量，還取決於導體的損耗 ^[3]  。

反射在TDR的輸出/輸入處測量，並作為時間的函數顯示或繪製。或者，可以根據電纜長度讀取顯示器，因為對於給定的傳輸介質，信號傳播的速度幾乎是恆定的。 ^[3] 

由於其對阻抗變化的敏感性，TDR可用於驗證電纜阻抗特性，接頭和連接器位置以及相關的損耗，並估計電纜長度。 ^[3] 

TDR使用不同的事件信號。一些TDR沿導體傳輸脈衝;這些儀器的分辨率通常是脈衝的寬度。窄脈衝可以提供良好的分辨率，但它們具有在長電纜中衰減的高頻信號分量。脈衝的形狀通常是半週期正弦曲線。對於更長的電纜，使用更寬的脈衝寬度。 ^[3] 

還使用快速上升時間步長。該儀器不是尋找完整脈衝的反射，而是關注上升沿，這可能非常快。20世紀70年代的技術TDR使用步長，上升時間為25 ps。 ^[3] 

還有其他TDR通過相關技術傳輸複雜信號並檢測反射。請參閲擴頻時域反射計。 ^[3] 

Topp等首先應用TDR技術研究了土壤有效介電常數與土壤含水量的關係，證明介電常數與許多類型土壤的含水量具有很好的相關關係，並提出了估算含水量的計算公式。 ^[1] 

Dalton等用同樣的探頭進行了土壤電導率的測量研究，並提出了TDR技術的電導率測量方法。 ^[1] 

Nissen等用TDR技術對土壤電導率測試進行了系列研究，他們首先研究了採用雙探針探頭的空間靈敏度和樣品體積的不平衡關係。之後，他們又進行了離子遷移的測量研究。通過研究發現，在電導率的測試中，小探頭具有簡單、便宜、穩定可靠的特點。 ^[1] 

Wright等以應用時域反射儀進行了甲烷水合物形成與分解檢測，並取得了滿意的效果。他們利用時域反射儀可以測試介質的介電常數的特點，並通過介電常數與介質中的體積水含量有關，進行了一些甲烷水合物的理論研究。在實驗中他們認為水合物形成後，其介電常數類似於冰的介電常數，冰的介電常數與水的介電常數明顯不同，接近於空氣的介電常數。許多研究者在凍土帶的未冰凍水的研究中，就是利用冰和水的介電常數明顯不同，來測量凍土帶中未凍水的含水量， Wright等正是利用這種特性，進行了水合物模擬實驗的測試在20世紀90年代，TDR技術在我國得到應用和研究。 ^[1] 

龔元石等進行了農田土壤水分測定，研究了農作物的生長過程與土壤含水量關係，並估算了農田土壤水分的蒸散量。農田水分的空間變異性研究，經研究發現，TDR技術在農田土壤水分測量中，具有快速、精確、自動和連續的特點，為農業生產提供有力的依據。提出TDR技術最適於電導率較低的粗質、輕質的土壤，對於有機質和種粘土或鹽鹼土，要對探頭進行改進或進行校正。 ^[1] 

王紹令等應用時域反射儀對凍土帶的水分佈和隨時間變化的監測。他們利用冰凍水和未冰凍水的介電常數明顯不同的特點，進行了凍土帶中未冰凍水含量的測量。根據在青藏高原多點不同時間和不同深度未冰凍水的分佈變化，發現在不同的地區水的分佈和水分遷移的模式也不同。在季節冰凍層的凍結過程中，水分佈遷移的方向與土壤中熱流方向相同，是自下向上遷移。在季節融化層的研究中，發現其水分的補給方式影響水分的遷移。 ^[1] 

任圖生等利用熱脈衝一時域反射技術測定土壤水熱動態和物理特性的研究，業渝光等將TDR技術應用於沉積物中水合物飽和度的實時測定，刁少波等利用熱TDR技術測量多孔介質中水合物的熱物理參數等項研究，均取得滿意的結果。隨着TDR技術的不斷髮展，其應用的領域也越來越廣泛。 ^[1] 

TDR探測儀基本由以下幾部分組成：發射機、接收機、發射接收系統、信號處理器和顯示器。作為電纜探測儀使用時，直接與測試的電纜連接。

而在含水量、電導率和其他應用中，可根據測試的需要與特製的探頭連接。基本工作原理見圖1。 ^[1] 

當發射機發出的脈衝信號在均勻介質中傳播時，它的傳播速度是不變的，傳播的速度V、距離L和發射波傳播到反射點後反射波回到發射點所用時間t_R的關係式如下： ^[1] 

V=2L/t_R ^[1] 

TDR使用同軸電纜作為傳輸線。同軸電纜易於製造並且具有良好的屏蔽性。在同軸電纜中傳送的波形有橫電磁波(TEM)、橫電波(TE)和橫磁波(TM)，但是最常用的是橫電磁波，其他的波形則需抑制。TDR所發射的電磁波為橫電磁波。橫電磁波在轉播中只有橫向的電場和橫向的磁場，沿軸的方向既無電場，同軸電纜中的電場和磁場也無磁場。 ^[1] 

圖2顯示了同軸電纜中電場和磁場的分佈形式，是均勻和對稱的。電磁波的傳輸也可以用雙導線進行傳輸，但由於雙導線傳輸中電磁波的衰減較大，因此長距離的傳輸一般不使用雙導線。波導也是傳輸電磁波的理想導體，但是由於體積較大，波導的長度也需要和電磁波的波長匹配。因此，在大功率電磁波的傳輸中，利用波導傳輸電磁波。 ^[1] 

此外利用扁平線也可以傳輸電磁波，實際上它是同軸電纜的一種變形，它不僅具有同軸電纜的屏蔽性，而且製作簡易、成本較低。 ^[1] 

在進行含水量測試中，針對不同的測試，設計的探頭結構也不同， Campbell和Hemovaara提出了七電極探頭，用來測試土壤和液體的介電常數。 ^[1] 

許多研究者還設計了很多結構的探頭。Zegelin提出了雙電極探頭，用於測量土壤層的測試，多極電極測量介電常數時，可能因不同層的介電常數不同，而造成測試的值為混合值。而現今常用於土壤測試的探頭結構為三電極探頭。 Robinson和 Friedman提出了平板雙電極，這樣可以更有效地探測。 Wright等進行天然氣水合物的研究中，使用的是同軸形探頭。 ^[1] 

我們在天然氣水合物的研究中，根據實際情況採用非對稱同軸形探頭。不同結構探頭的電場與磁場分佈見圖3，從圖3中雙電極探頭的電場和磁場分佈來看，磁場和電場的分佈對稱性最差，而同軸形探頭的電場和磁場的對稱性最好。當然在測試液體的介電常數時，同軸探頭最佳。 ^[1] 

但是在進行土壤的介電常數測量時，雙電極探頭最容易埋置，而同軸探頭難以埋置。從有效性來看，平板雙電極的探測效果要好於三電極探頭，但是在測試土壤層介電常數的分辨率方面，三電極探頭要優於平板電極。當然在測試中採用雙平板電極間加一個圓棒的電極可能要比平板雙電極探頭優越。因為它還具有定的屏蔽作用，並且埋置和平板雙電極探頭相同。此外，新型的探頭結構中還加入了加熱裝置和測温裝置，用來探測土壤的熱特性。 ^[1] 

時域反射計通常用於非常長的電纜線路的就地測試，其中挖掘或移除可能是千米長的電纜是不切實際的。它們對於通信線路的預防性維護是必不可少的，因為TDR可以檢測接頭和連接器腐蝕時的電阻，並且在它們導致災難性故障之前很久就會降低絕緣層泄漏並吸收水分。使用TDR，可以將故障精確定位到釐米內。 ^[4] 

TDR也是技術監督對策的非常有用的工具，它們有助於確定電線接頭的存在和位置。當連接到電話線時，由於引入分接頭或接頭引起的線路阻抗的輕微變化將顯示在TDR的屏幕上。 ^[4] 

TDR設備也是現代高頻印刷電路板故障分析中必不可少的工具，其信號走線可以模擬傳輸線。通過觀察反射，可以檢測球柵陣列器件的任何未焊接的引腳。也可以以類似的方式檢測短路引腳。 ^[4] 

TDR原理用於工業環境，在各種情況下，如集成電路封裝測試到測量液位。在前者中，時域反射計用於隔離相同的故障站點。後者主要限於加工業。 ^[4] 

在基於TDR的液位測量裝置中，該裝置產生沿薄波導（稱為探針）傳播的脈衝 - 通常是金屬棒或鋼纜。當該脈衝撞擊待測介質的表面時，部分脈衝反射回波導。該裝置通過測量發送脈衝和反射返回之間的時間差來確定液位。傳感器可以輸出分析的電平作為連續模擬信號或開關輸出信號。在TDR技術中，脈衝速度主要受脈衝傳播介質的介電常數的影響，介質的介電常數可以根據介質的水分含量和温度而變化很大。在許多情況下，可以毫無困難地糾正這種影響。在某些情況下，例如在沸騰和/或高温環境中，校正可能是困難的。特別地，確定泡沫（泡沫）高度和泡沫/沸騰介質中的塌陷液位可能非常困難。 ^[4] 

CEA技術公司（CEATI）的大壩安全興趣小組是一個電力組織聯盟，它已應用擴頻時域反射計來識別混凝土壩錨索中的潛在故障。與其他測試方法相比，時域反射計的主要優點是這些測試的非破壞性方法。 ^[4] 

TDR用於確定土壤和多孔介質中的水分含量。在過去的二十年中，已經在測量土壤，穀物，食物和沉積物中的水分方面取得了實質性進展。TDR成功的關鍵在於能夠準確地確定材料的介電常數（介電常數），因為材料的介電常數與其含水量之間存在很強的關係，正如Hoekstra和Delaney的開創性工作所證明的那樣。 （1974）和Topp等人。（1980年）。最近有關該主題的評論和參考工作包括Topp和Reynolds（1998），Noborio（2001），Pettinellia等。（2002），Topp和Ferre（2002）和Robinson等。（2003年）。TDR方法是傳輸線技術，並且根據沿傳輸線傳播的電磁波的傳播時間確定表觀介電常數（Ka），通常是嵌入土壤或沉積物中的兩個或更多個平行金屬桿。探頭長度通常在10到30釐米之間，並通過同軸電纜連接到TDR。 ^[4] 

時域反射計也被用於監測各種岩土工程設置中的斜坡運動，包括高速公路切割，鐵路路基和露天礦（ Dowding &O'Connor，1984,2000a，2000b; Kane&Beck，1999）。在使用TDR的穩定性監測應用中，同軸電纜安裝在穿過所關注區域的垂直鑽孔中。沿着同軸電纜的任何點處的電阻抗隨着導體之間的絕緣體的變形而變化。電纜周圍有一個脆性灌漿，可將地球運動轉化為突然的電纜變形，在變形跡線中顯示為可探測的峯值。直到最近，該技術對小斜率運動相對不敏感，並且不能自動化，因為它依賴於人類檢測反射跡線隨時間的變化。Farrington和Sargand（2004）開發了一種簡單的信號處理技術，使用數值導數從TDR數據中提取可靠的斜率運動指示，比傳統解釋更早。 ^[4] 

TDR在岩土工程中的另一個應用是確定土壤含水量。這可以通過將TDR放置在不同的土壤層中並測量降水開始時間和TDR表明土壤含水量增加的時間來完成。TDR的深度（d）是已知因子，另一個是水滴到達該深度所花費的時間（t）;因此可以確定水滲透速度（v）。這是評估最佳管理實踐（BMP）在減少雨水地表徑流方面的有效性的好方法。 ^[4] 

時域反射計在半導體故障分析中用作半導體器件封裝中缺陷定位的非破壞性方法。TDR為器件封裝中的各個導電跡線提供電氣特徵，可用於確定開路和短路的位置。 ^[4] 

時域反射計，特別是擴頻時域反射計用於航空佈線，用於預防性維護和故障定位。擴頻時域反射計具有在數千英里的航空佈線內精確定位故障位置的優勢。此外，該技術值得考慮用於實時航空監測，因為擴頻反射計可用於火線。 ^[4] 

已經證明該方法可用於定位間歇性電氣故障。 ^[4] 

多載波時域反射計（MCTDR）也被認為是嵌入式EWIS診斷或故障排除工具的有前景的方法。這種智能技術基於多載波信號的注入（尊重EMC並且對電線無害），為佈線系統中的電氣缺陷（或具有電氣後果的機械缺陷）的檢測，定位和表徵提供信息。可以非常快速地檢測到硬故障（短路，開路）或間歇性缺陷，從而提高佈線系統的可靠性並改善其維護。 ^[4]