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路用探地雷达回波模拟分析

孟美丽  
【摘要】: 目前,一场大规模的公路建设热潮正在全国各地蓬勃兴起,公路检测和评价将面临日益繁重的任务。原有的钻芯取样或开挖抽样的厚度质量检查方法不仅效率低,代表性差,精度不高,而且对已建成的公路有损坏,已经满足不了发展的需要,为此极需发展快速、简便、高精度、高效率的公路质量无损检测技术。近二十年发展起来的路用探地雷达就是这样一种公路质量检测技术。 路用探地雷达是一种工作于近地面状态下利用超宽带脉冲电磁波进行路面结构层探测的仪器,其工作原理类似于探空雷达:当雷达发射天线发射的电磁波在路面结构层中传播时会在介质电性性质突变处产生反射和透射,反射回来的波经由接收天线接收并转化为数字信号储存起来,通过分析探地雷达回波信号来估计路面结构层的性质、状态和位置等特征。作为一种非接触、非破损的路面检测技术,它不仅检测精度高、费用低、检测内容丰富,而且检测速度快,能在高速公路时速下,实时连续收集公路的雷达信息,经由相应的计算机软件处理,在很短的时间内,可显示路面彩色剖面图,得出有关现测路面使用状况的资料,为道路使用状况评价和维护提供必要的依据和资料。 但是,目前GPR图像解释的自动化程度还较低,人为因素较多,评价结果往往带有主观性。为此,急需开发系统的自动分析软件。开发系统软件,首先必须建立其正演计算模型,即建立电磁波在路面介质中传播的数学模型。模型建立的是否正确,用正演模拟进行检验,因为正演模拟是研究高频电磁波在地下介质中传播规律的有效途径,具体做法为:利用已建好的模型模拟计算雷达回波,将模拟的回波与实测回波进行对比以检验模型建立的是否正确、是否满足精度要求,从而达到检验已建模型的目的。虽然曾有不少学者对其模型进行过大量研究,然而结论并不统一,且存在一定分歧。针对目前这种模型多样化的情况,有必要研究、对比各种模型或重新建立一种模型,通过回波模拟分析,找出最精确、最适合我国公路情况的模型,为软件开发提供理论依据和计算模型。这也是本文进行雷达回波合成分析主要目的。 一 本文主要针对上述问题进行了研究和分析,通过对路用探地雷达的探测 性能与测量参数、路面材料的介电性能和回波模拟技术的系统研究与论述, 主要取得了以下几个方面的成果与进展: 一。分析了路用探地雷达电磁脉冲波在路面介质中的传播特性。本文以 Maxwell方程为出发点,推导了雷达脉冲波在路面介质中传播时传播常数、 衰减常数、相移常数、反射系数、透射系数、反射电场和透射电场的计算公 式;阐述了由反射波和入射波反算介质介电常数的原理和方法;初步建立了 探地雷达脉冲波在路面介质中传播规律的数学模型。 二、系统分析研究了路用探地雷达的探测性能和测量参数。首先从理论 上推导了路用探地雷达的探测性能参数和测量参数公式,为路用探地雷达的 系统设计和实地工程测量提供了理论依据。然后,简单介绍了在实际测量时, 参数确定的原则:先根据具体情况和探测目的确定识别目标所需要达到的分 辨率、并初步估计目标的深度,确定雷达天线的中心频率,再由雷达的中心 频率确定采样间隔和扫描点间距。 研究还发现:()GPR探测性能取诀于两方面的因素:雷达系统本身(发 射功率、接收功率、天线性能等)和探测目标所处环境的物理特性,其中天 线中心频率起着决定性的作用,对探测深度和分辨率影响最大。两者在对天 线中心频率的要求上有着不可调和的矛盾:中心频率越大,探测深度越浅, 分辨率越高;反之亦然。所以在选择路用探地雷达天线的中心频率时,要综 合考虑,两者兼顾,同时还要考虑天线尺寸是否适合测量场地的需要。一般 来说,在满足分辨率要求的前提下,应尽量降低雷达天线的中心频率:Q) 测量参数的选取会影响测量的效果,其中时窗、采样率对数据采集效果的影 响不大;而天线中心频率、相邻扫描点间距的选取对测量效果有显著的影响。 三、探讨了路面材料对频率的依赖性,结果发现:路面材料的介电常数 对频率有、定的依赖性,这种依赖性在分析和计算时需考虑,对水泥混凝土 尤为如此。 四、以路用探地雷达入射波和反射波为基础,用反演方法计算了路面介 质的介电常数。并在此基础上对探地雷达波在路面结构层介质中的反射波进 行了模拟合成。模拟结果表明:采用适时的入射波、反射波及由两者反算出 一互且- —— 的介电常数进行回波模拟,效果较好;回波模拟法是检验反演结果的一种有 效方法,为解释和评价路面结构性能提供了简便、可靠且有效的手段,同时 也为其它相关课题研究的开展提供了计算模型。


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