層狀非均勻介質(zhì)介電特性反演分析——路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、探地雷達(dá)(GPR)作為典型的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段，由于其檢測(cè)速度快、無(wú)破損、精度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、考古、交通、土木、環(huán)保、水利、鐵道等工程領(lǐng)域。隨著道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理的不斷發(fā)展，空氣耦合式的GPR(即路面雷達(dá))已經(jīng)大量應(yīng)用于道路施工質(zhì)量控制和路況評(píng)價(jià)中。目前路面應(yīng)用技術(shù)的研究主要圍繞介電常數(shù)的確定來(lái)展開(kāi)的，其中通過(guò)介質(zhì)分界面上反射波波幅的相對(duì)大小和電磁波傳播過(guò)程中衰減的人工假定來(lái)得到介電常數(shù)的研究成果較多，而通過(guò)反演算法

2、研究介電常數(shù)的研究成果相對(duì)較少。另外，目前的絕大部分研究成果集中在半空間或?qū)訝畹木|(zhì)材料。而構(gòu)成工程應(yīng)用材料大部分是由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三相介質(zhì)組成的混合物，其材料本身的介電特性隨著組成成分及其比例的變化表現(xiàn)出非均質(zhì)的特性。受材料非均勻性質(zhì)的影響，這種依賴于層間界面的反射波幅得到的介電常數(shù)，只能代表界面附近材料的介電特性，不能反映各層內(nèi)部的材料介電特性，從而導(dǎo)致GPR分析厚度的誤差以及應(yīng)用的局限。 本文針對(duì)上述雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)的相對(duì)不

3、足，研究了基于層狀非均勻介質(zhì)的路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)，主要成果和結(jié)論如下： 1、實(shí)現(xiàn)了電磁波在層狀非均勻介質(zhì)中傳播的正演模擬建立了層狀介質(zhì)的非均勻介電模型，利用時(shí)域有限差分(FDTD)方法實(shí)現(xiàn)了平面波在層狀非均勻介質(zhì)中傳播的模擬計(jì)算。將路面結(jié)構(gòu)非均勻?qū)訝铙w系，等效成若干個(gè)均勻子層，實(shí)現(xiàn)了路面雷達(dá)層狀非均勻正演模擬。通過(guò)與實(shí)測(cè)反射波的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，非均勻模擬效果更加符合實(shí)測(cè)反射波。 2、實(shí)現(xiàn)了層狀非均勻介電特性的反演分析利用系統(tǒng)識(shí)別

4、和遺傳算法，實(shí)現(xiàn)了層狀非均勻介質(zhì)介電特性的反演。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)識(shí)別初始值敏感性和遺傳算法時(shí)效性問(wèn)題，結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別反演的局部快速收斂和遺傳算法全局尋優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)，提出了遺傳算法和系統(tǒng)識(shí)別的聯(lián)合反演算法。實(shí)例分析表明，聯(lián)合反演算法不受初始值的影響，同時(shí)相對(duì)于遺傳反演算法節(jié)省了大量時(shí)間。 3、通過(guò)層狀非均勻介電特性反演，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)層內(nèi)部物理量的雷達(dá)檢測(cè)與分析技術(shù)。 非均勻的介電特性反映了結(jié)構(gòu)層內(nèi)部物理量變化的非

5、均勻性，通過(guò)這些物理量與介電常數(shù)的相關(guān)試驗(yàn)，分別實(shí)現(xiàn)了路基碾壓層內(nèi)部含水量沿深度方向和水平方向的快速檢測(cè)、水泥穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度的檢測(cè)分析、瀝青混合料級(jí)配的快速檢測(cè)分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的層間界面介電特性的分析，這種基于結(jié)構(gòu)層內(nèi)部非均勻介電特性分布的檢測(cè)分析更加有效，同時(shí)擴(kuò)大了路面雷達(dá)的應(yīng)用范圍。 論文針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)上均勻材料假定的相對(duì)不足，從電磁波傳播理論出發(fā)，建立了層狀非均勻時(shí)域有限差分法的電磁波正演模擬，并利用系統(tǒng)識(shí)別和遺傳反演