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路用雷达的应用技术研究

作　者: 陶向华
导　师: 乐金朝；王复明
学　校: 郑州大学
专　业: 岩土工程
关键词: 路用探地雷达厚度检测脱空识别回波介电常数三相体积比系统识别原理反演分析
分类号: U416.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

我国改革开放以来，随着我国高等级公路建设的迅速发展，路面在公路投资方面所占的份额越来越大，路面质量的好坏和使用效果直接影响着公路的整体质量，使用寿命也直接影响着公路的投资效益和公路质量形象，但原有应用钻芯取样的工程质量检查方法不仅效率低，代表性差，而且对公路有破损。为此急需要发展快速、简便、有效的公路质量无损检测技术。路用探地雷达(GPR)可检测公路结构层厚度及识别脱空，进行压实度及含水量的评价等。探地雷达具有探测速度快、非接触、非破坏性、分辨率高、可直接获得地下剖面图、可进行数据的实时成像处理、经济方便等优点，有着广泛的应用前景，得到许多国家的关注。目前许多高校和研究单位相继引进国外的雷达检测设备，在理论上作了一些研究并取得了一系列成果。本文对GPR作了较全面的分析，介绍了探地雷达的发展过程、设备组成与探测原理，并依据电磁场理论的基本分析方法，对地下回波进行定性分析与总结，以期对雷达系统的设计与研制提供帮助；基于电磁波基本理论，建立了路面体系单层与多层结构模型，编写了相关的程序并给出了具体的实例；重点讲述了GPR可进行路面结构层厚度检测与脱空识别的应用，并给出了具体的实际算例；最后初步探讨了基于GPR正演结果反算路面材料三相体积比的基本分析方法，并根据系统识别原理编写了相关的反算程序，为GPR更广泛的应用奠定了理论基础。 1．GPR原理概述 GPR是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。GPR基本原理是向地下发送脉冲形式的高频电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体，如空洞、分界面等时，电磁波便发生反射，返回到地面时由天线接收。探地雷达采用非接地性测量，可作快速连续检测，对检测对象无损，能比较直观地表现检测目标物，因此探地雷达技术成为工程地球物理勘查的重要方法之一，广泛用于地下管线探测，结构物无损检测，岩土勘查，地下洞穴等工程勘察领域。路用探地雷达系统主要由三部分组成：天线，将电磁波定向辐射入路面系统；发射机，产生正弦型脉冲，高频电磁波；接收机，捕捉反射信号，然后将这些信号传递给信号处理机对信号进行处理。一旦回波被捕获，下一个脉冲波将产生并辐射入媒介中。 2．正演模型构建路用探地雷达系统是根据电磁波反射原理设计的。雷达天线发射的电磁波在路面结构层中的传播，可以看成是平面电磁波在多层均匀介质中传播。因此，当雷达脉冲波垂直入射到路面沿Z轴传播时，路面结构层中的电磁场、。。＿，，＿＿．．＿，。、aE／，＼＿＿；、＿。＿＿＿r＿，．。。、，＿－淌足的Maxwell方程——一恤‘P。一jopl。胆，式中E＝Rep。exPUwt｝1为止 az“ 弦时变电场矢量；马为电场矢量的振幅；。为角频率；z为沿传播方向的距离；尸为磁导率；。＝／－／／，为复介电常数：。为媒质导电率。由MwXW幻1 方程解可得各层路面结构的衰减系数、相移系数。反射系数和透射系数。本文中在路面模型构建时，假定入射角为零，不考虑电导率和磁导率的影响，依据电磁波理论得到了GPR检测单层路面和多层路面的回波反射模型，并编写了Fortran程序，给出了具体的实例，从实例可看出实际反射波与合成的反射波吻合较好，证明该程序是可行的。 3．GPR白应用世界上第一台路用探地雷达（SIR－10H地质雷达）于 1994年山美国发明。路用雷达在我国开始应用的时间大约在90年代初。近年来，河南省道路检测工程技术研究中心（郑州大学）引进美国P山沈＊劝r公司生产的 RODAR V探地雷达用于道路的厚度检测和脱空识别等，并在探地雷达的理论和应用研究与椎广上做了大量工作。探地雷达在路面评价中应用很广，可用于结构层厚度检测、脱空识别。裂缝识别、沥青层的剥落识别和含水量的评价等方面。大量的实践证明GPR 在路面工程质量评价中起着非常重要的作用。 4．基于系统识别方法的路面材料物理参数反演 4l 系统识别基本原理介绍对系统识别问题较为直观的描述是建立一个合理的数学模型来棋拟实际未知系统，然后通过迭代过程修改模型参数，使其与实际系统之间的误差在某种意义上达到最小。系统识别问题基本过程如图所示 3，一一e 系统识别（正向分析）基本过程 4，2 系统识别原理的应用分析门）路面结构基本特征的确定。雷达的反射信号中包含了大量信息，根据其主要特征可以确定路面系统的基本特性，包括结构层数、各层复介电常数和厚度。（2）路面材料特性初始假定。考虑到路面系统各层材料均是由三种材料

全文目录

第一章绪论  11-16
  1．1 国内外探地雷达技术的发展  11-12
  1．2 路用探地雷达的应用现状  12-14
  1．3 本文的主要工作  14-16
第二章路用探地雷达（GPR）原理  16-25
  2．1 概述  16
  2．2 路用GPR的组成与探测原理  16-20
  2．3 GPR探测性能和测量参数的分析  20-24
  2．4 本章小结  24-25
第三章路面结构层中探地雷达波传播模型的构建  25-38
  3．1 电磁波理论简介  25-28
  3．2 探地雷达波在路面结构层中传播的正演方法  28-36
  3．3 本章小结  36-38
第四章路用探地雷达在道路评价中的应用  38-54
  4．1 引言  38
  4．2 路用探地雷达设备概述  38-39
  4．3 路用探地雷达在道路评价中的应用  39-53
  4．4 本章小结  53-54
第五章基于系统识别方法的路面材料物理参数反演  54-64
  5．1 系统识别基本原理  54-57
  5．2 基于系统识别方法的参数反演  57-62
  5．3 本章小结  62-64
第六章结论与展望  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-70

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