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《郑州大学》 2002年
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路用雷达的应用技术研究

陶向华  
【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
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