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

1、探地雷達(GPR)作為典型的電磁無損檢測技術(shù)手段，由于其檢測速度快、無破損、精度高等特點，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)護管理的不斷發(fā)展，空氣耦合式的GPR(即路面雷達)已經(jīng)大量應(yīng)用于道路施工質(zhì)量控制和路況評價中。目前路面應(yīng)用技術(shù)的研究主要圍繞介電常數(shù)的確定來展開的，其中通過介質(zhì)分界面上反射波波幅的相對大小和電磁波傳播過程中衰減的人工假定來得到介電常數(shù)的研究成果較多，而通過反演算法

2、研究介電常數(shù)的研究成果相對較少。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。 本文針對上述雷達應(yīng)用技術(shù)的相對不

3、足，研究了基于層狀非均勻介質(zhì)的路面雷達應(yīng)用技術(shù)，主要成果和結(jié)論如下： 1、實現(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，利用時域有限差分(FDTD)方法實現(xiàn)了平面波在層狀非均勻介質(zhì)中傳播的模擬計算。將路面結(jié)構(gòu)非均勻?qū)訝铙w系，等效成若干個均勻子層，實現(xiàn)了路面雷達層狀非均勻正演模擬。通過與實測反射波的對比發(fā)現(xiàn)，非均勻模擬效果更加符合實測反射波。 2、實現(xiàn)了層狀非均勻介電特性的反演分析利用系統(tǒng)識別

4、和遺傳算法，實現(xiàn)了層狀非均勻介質(zhì)介電特性的反演。同時，考慮到系統(tǒng)識別初始值敏感性和遺傳算法時效性問題，結(jié)合系統(tǒng)識別反演的局部快速收斂和遺傳算法全局尋優(yōu)的優(yōu)點，提出了遺傳算法和系統(tǒng)識別的聯(lián)合反演算法。實例分析表明，聯(lián)合反演算法不受初始值的影響，同時相對于遺傳反演算法節(jié)省了大量時間。 3、通過層狀非均勻介電特性反演，結(jié)合現(xiàn)場相關(guān)試驗，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)層內(nèi)部物理量的雷達檢測與分析技術(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，通過這些物理量與介電常數(shù)的相關(guān)試驗，分別實現(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、水泥穩(wěn)定碎石基層強度的檢測分析、瀝青混合料級配的快速檢測分析。相對于傳統(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分析更加有效，同時擴大了路面雷達的應(yīng)用范圍。 論文針對雷達應(yīng)用技術(shù)上均勻材料假定的相對不足，從電磁波傳播理論出發(fā)，建立了層狀非均勻時域有限差分法的電磁波正演模擬，并利用系統(tǒng)識別和遺傳反演