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路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系统识别方

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路面 结构 材料 特性 及其 厚度 反演 分析 系统 识别
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重庆大学博士学位论文路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法——路面雷达关键技术研究姓名:张蓓申请学位级别:博士专业:固体力学指导教师:彭向和;王复明20030606中文摘要摘 要路面雷达作为一种高效、快速、连续、无损的路面检测设备,其应用技术的研究自八十年代以来一直是国际上的热门课题。目前的研究成果大多局限于路面结构层厚度的检测。由于理论模型及信号采集等方面的困难,现行路面雷达厚度分析方法仅对新铺沥青混凝土路面有相对较好的检测精度,而对旧沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的检测精度却不能令人满意,对路面其它技术指标如压实度、含水量以及沥青含量的研究还处于探索阶段,建立在严密理论模型基础上的数据分析软件系统尚处于空白状态。本文针对上述路面雷达应用技术存在的问题,研究路面结构层材料介电特性及其厚度的反演。基于电磁波基本理论,通过分析雷达电磁波在路面结构层介质中的传播特性.建立了雷达电磁波在路面结构体系中传播的正演模型,并依据该模型模拟合成了不同路面结构体系中雷达波的反射信号。应用该正演模型,首次将系统识别理论引入探地雷达信号分析领域,提如了路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析方法,并开发了反演分析软件文主要研究成果和结论如下:1. 基于电磁波理论的基本原理,从立了雷达电磁波在路砸结构体系中传播的正演模型。该正演模型考虑了介质介电常数的虚部,理论上更为严谨,并更接近于工程实际,它不仅适用于低耗的沥青混凝土路面结构,而且也适用于高耗的水泥混凝土路面结构;2. 分析了路面结构层材料介电常数实部和虚部对雷达电磁波反射信号的影响,并得出以下结论:(1)介电常数的实部主要影响雷达反射波的时延,实部越大,时延越长;(2)虚部主要影响除路表反射波幅之外的其它结构层界面的反射波波幅,虚部越大,反射波幅越小;(3)当介质介电常数虚部较大时,忽略虚部将给分析结果带来明显的误差;3. 提出了路面结构层介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法,将奇异值分解技术应用于控制方程的病态诊断和求解,有效地解决了控制方程病态时的求解问题,建立了理论严谨、收敛快、精度高的模型参数调整算法,并开发了路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析软件软件成功地将合理的雷达波正演模型和高效稳定的参数反演方法结合起来,从根本上改变了目前路面雷达数据分析主要依赖子经验或手工试算的现状;4. 对度较高,而且反算结果在相当大范围内不受初始值的影响:不论是对新铺沥青混凝土路重庆大学博士学位论文面,还是对旧沥青混凝±路面和水泥混凝土板,外,基本上不受数据采集时路面结构层含水量状况的影响,与现行方法相比具有更强的实用性;j, 本文研究成果使路面雷达对新铺沥青混凝土路面的检测精度提高到一个新的水平,并对解决旧沥青混凝士路面和水泥混凝土路面检测精度差这一国际性难题作了成功的尝试,也为进一步研究复合材料的介电特性及其压实度、含水量及沥青含量等技术指标的反演提出了全新的思路。关键词:探地雷达,介电常数,厚度,正演模型,反演,系统识别,路面is an in 980s.At of on of he PR is of he on is PR be in he in in to PR he PR in on of of in PR in is PR is he .in in is in to is o it be to of to .of of on he 1)PR 2)PR 3)of e】[it is he is of he of is to of to he 1is on be is PR of PR on or is by he is by of at a he is of PR or c e【_n do to be by by is to in PR t is is is of as 论1.1工程背景改革开放以来,我国高等级公路建设突飞猛迸,发展迅速。最近几年国家对公路每年投资都超过2000亿元,截止到2001年底,中国公路通车总里程已达169.8万公里,其中高速公路1.9万公里。面对这样大的投资规模,这样快的建设速度,如何保证在建工程的施工质量和对已建成公路的使用性能进行科学的评价与系统管理,及时维护、延长使用寿命,合理分配和节省养护资金,已经成为我国公路建设与管理中急需解决的关键问题。在1998年由我国交通部颁布的《公路工程质量检验评定标准》(8)行业标准中,提出了路面工程质量检验评定标准。路面工程质量控制的主要测试指标有:厚度、压实度、平整度、弯沉值、路面抗滑性能、水泥混凝土抗折强度等【”。由于我国高等级公路建设起步较晚,对这些指标的检测设备与评价手段仍然相对落后,现存的主要问题有:1)绝大部分检测设备测速慢、效率低、精度差;2)路面无损检测率较低,特别是对路面强度、厚度的测定,仍依赖破坏性较大的钻孔取芯或开挖抽样、手工量测的办法,见图1.1,对压实度、含水量等指标的检测依赖于如环刀法、灌砂法、钻芯法等破坏性检测方法[2引,见图1,2。这些传统的手段不仅效率低、代表性差,而且安全性也差,同时对公路又具有一定的破坏性,对于造价昂贵的高等级公路,这些检测手段尤不适用;3)近年来,不少单位进口了国外的先进检测设备,但由于缺乏配套实用的数据分析软件,造成许多设备没有发挥应有的作用。以上状况与我国当前公路建设的发展很不适应,为此亟需发展快速、简便、有效的公路无损检测技术。目前,许多国家都对无损检测技术作出了规定,美国测试与材料学会(国际标准组织(英国标准研究院(提出公路无损检测应满足下列条件1)能精确确定缺陷区的形状、大小和深度;2)无损;3)能在大范围内进行检测与定位;4)劳动强度小、装备轻;重庆大学博士学位论文5)不受周围环境的影响6)方便使用。(a)钻芯取样 (b)手工测厚(a)01 钻孔取芯手工测量厚度.1 人工测试压实度.2 称又称路面雷达,是一种能满足上述要求的公路无损检测技术。作为时域瞬态电磁场理论发展过程中的重要成果,路面雷达结合了瞬态电磁场理论、时域测量技术、纳秒脉冲源技术、超宽带天线技术和信号处理技术等多门学科的研究成果,具有无损伤、高效率、低成本和高分辨率成像等优点,已成为地下浅层勘探的重要工具之一。它利用电磁波对地表的穿透能力,从地衷上向地下发射高频脉冲电磁波,电磁波在地下介质特性变化的界面上发生反射,通过接收反射回波信号,根据其时延、形状及频2译出目标深度、介质结构及性质。在数据处理的基础上,应用数字图像的恢复与重建技术,对地下目标进行成像处理,以期达到对地下目标真实和直观的再现,在连续、快速、无破损检测路面性能指标方面显示出广阔的应用前景和巨大的社会和经济效益。因此,路面雷达应用技术的研究自八十年代以来一直是国际上的热门研究课题。目前已经研制出高质量的雷达硬件,并开发了应用软件。但总体而言,路面雷达应用技术还不够成熟,现有成果大多仅局限于对路面结构层厚度的检测,而且理论还不够完善,检测精度不高。美国交通部和联邦公路局公布的如表1.1所示的J,现行对旧沥青混凝土路面、水泥混凝土路面及基层厚度的检测精度还不能令人满意【“”。另外,目前国际上对路面其它重要性能指标如压实度、空隙率、含水量及面层沥青含量等的研究也还处于探索阶段(4即钟,建立在科学检测与理论模拟基础上的实用化软件系统更是处于空白状态。表1.1 l,1 测精度(相比于钻芯厚度)新铺沥青混凝土路面 3.5%旧沥青混凝土路面 5一10%水泥混凝士路面 5层 8—15%上述状况限制了路面雷达在公路检测中的应用,使其目前的应用局限于对新铺沥青混凝土路面厚度的检测中。事实上,雷达电磁回波信息十分丰富,可为快速无损检测路面结构层的压实度、空隙率、含水量及面层沥青含量等重要性能指标提供丰富的信息。因此,针对我国公路建设的迫切需要,完善路面雷达技术有关理论,提高路面雷达对路面厚度的检测精度,并开拓路面雷达在路面结构层压实度、空隙率、含水量及面层沥青含量等指标检测中的应用,研究开发以路面雷达检测数据为基础的路面结构层厚度、压实度、空隙率、含水量及沥青含量等指标的分析技术和实用分析软件,从而实现对这些指标快速、连续、高效、无破损的检测,为实时检测及控制施工质量和养护管理提供先进可靠的技术手段,这对于公路建设和养护具有重大的应用价值和显著的经济及社会效益。重庆大学博士学位论文1.2探地雷达技术发展及研究概况1.2.意是“无线电探测与测距”,即应用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置[771。因此,雷达检测技术实质上是~种特高频电磁波的发射、接利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并测定其位置。雷达技术的最早应用可追溯到19世纪初,人们用它来发现空中目标并测定其位置和速度。二战时期,雷达技术由于在军事上的大量应用得到了快速发展,以后人们进一步发现不同的物体对电磁波具有不同的干扰特性、介质的介电常数、电导率和磁导率等特性决定着电磁波传播的规律以及电磁波在真空中的传播速度等于光速等规律[7”,为雷达技术的广泛应用奠定了最初的理论基础。随着电子技术的迅速发展及现代数据处理技术的应用,雷达技术逐渐由军用转向民用,探地雷达(是雷达技术发展的一个重要产物。探地雷达是一季中用于确定地下介质分布的广谱(磁技术【4l。其工作原理类似于探空雷达,即由发射天线向地下发射高频脉冲电磁波,电磁波在地下介质传播过程中,遇到存在电性差异的物体界面会产生发射,反射回来的电磁波经由接收天线接收,根据接收的雷达回波波形、振幅和双程走时等参数来推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到探测地下结构的目的。探地雷达所用的采样频率一般为数发射与接收的射频频率一般在107_一2x 109频电磁波的产生是依靠一种特制的固体共振腔获得,正好象微波的获得依赖于晶体同轴共振腔一样。雷达波频率高,波长短,遵守波的传播规律,具有入射、反射、折射与衰变等传播特点[7”。人们正是利用雷达波的这些特点为工程质量检测服务,达到无损、快速、高精度的检测要求。与探空雷达不同的是,由于地下介质分布比较复杂,且介质对电磁波具有较强的衰减作用,使得电磁波在地下的传播特性要比在空气中的传播特性复杂得多,其在地下结构中的传播模型和回波模拟也非常复杂。所以如何根据探地雷达回波信号来推断地下介质的情况一直是探地雷达技术发展的关键。利用雷达探测地下目标的历史可追溯到20世纪初。1904年,德国的便是探地雷达的雏形。1910年,德国的们将偶极天线埋设在两孔洞中进行发射和接收,由于高电导率的媒质对电磁波的衰减作用,通过比较不同孔洞之间接收信号的幅度差别,对媒41绪论质中电导率高的部分进行定位。其后,通过地下发射波与地表泄漏的直接波之间的干涉进行地下目标的深度判别,他们探测地下目标采用连续的电磁波,利用了导电介质对电磁波的衰减与反射特性。1926年,德国的指出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射,这个结论也成为了探地雷达研究领域的一条基本理论根据。其后50年用脉冲技术探测地下目标得到了广泛的发展,但由于地下介质相比于空气具有较强的电磁衰减特性,传播特性复杂,因此,探地雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。1951年,963年970年得了800—1200974年,8,80$H。70年代以后,随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用,探地雷达的应用范围迅速扩大,从冰层、岩矿等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质,覆盖了考古、矿产资源勘探、岩石勘查、无损检测及工程建筑物结构调查等众多领域。许多国家投入了大量的人力和物力进行探地雷达的研制和实验工作,美国、加拿大、日本等国纷纷推出了商用探地雷达产品。目前在国内应用的进口探地雷达主要有:(1)美国地球物理探测设备公司(2)加拿大探头及软件公司(3)美国脉冲雷达公司的4)美国些雷达所使用的中心工作频率在16~2000窗在0~20000测深度可达40~80多米,分辨率达厘米级,深度符合率小于±5厘米。我国于20世纪70年代初开始探地雷达的研究,西安交通大学、电子部二十二所、成都电子科技大学、北京邮电大学、地矿部物探所、煤炭科学院等单位先后开展了探地雷达的研制工作,许多单位推出了自己的探地雷达样机,如中国科学院长春地理所的南大学的型探地雷达,大连理工大学的型探地雷达等Ⅲ3.79’8。】,北京爱迪尔公司也适时地推出了商用探地雷达系统。歇美最早获得应用。在欧洲,对探地雷达的研究工作主要以芬兰5.26,30,32,34,37,52,531,62,64,65,109】。从使用时间上来说,丹麦和瑞典是最早使用当时986年,988年,芬兰国家公路管理局(进了一套随之开展了相关研究并将其作为~个常规检重庆大学博士学位论文测工具应用于道路检测,为道路设计和维护提供依据。芬兰所开展的研究工作主要是基于10000评价土基和探测路面结构。90年代初期和中期,芬兰开始将频率在1.0面设计和质量控制【2“。美国将时美国联邦公路管理局(985年,将其应用于路面结构层厚度检测、混凝土板下脱空识别和桥梁病害检测等,他们主要使用的是频率为1…。近些年来,德克萨斯A&9∞06·286,37,41,47.57,65,89,109】,998年多黎各、哥伦比亚和加拿大11个交通部门的使用情况调查结果显示:大多数单位使用用目的主要集中在路面结构层厚度检测上,其次为脱空识别、桥梁检测,接下来为钢筋和地下埋藏物探测以及沥青剥落识别等。从使用效果来看,仅厚度检测精度相对较高,而对脱空识别、沥青剥落区域的定位等方面的使用情况一直不能令人满意㈨。年来开始将探地雷达应用于道路质量检测。一些交通部门和科研机构或高校相继引进了国外先进的路面雷达设备。但从使用情况看,其应用也大都集中在路面结构层厚度检测上,对其在压实度、含水量、脱空识别、路基缺陷、裂纹等方面的应用还停留在可行性研究阶段,中国地质大学、长沙交通学院、郑州大学等单位开展了相关研究[71可以看出,先进、高效、连续、无损的检测技术,其在道路检钡6中的价值早已引起了人们的重视,但使用效果并不都非常使人乐观,很多技术还不够成熟和完善。因此,开展路面雷达技术的深入研究对充分发挥其在公路无损检测领域中应用具有重大意义。1.2.2路面雷达技术的研究概况1.2.2.1路面材料的介电特性[78.92,83】路面材料介电特性的差异是路面雷达应用的先决条件,雷达接收到的反射波是介质介电特性的函数, 对路面雷达图像数据的解释、判读和反演都依赖于对介质介电性能的分析。因此,路匿介质介电特性的分析和研究是路面雷达技术发展是我们能从其图像数据中获取信息的关键。路面雷达探测的对象是路面结构层中的介质。对于常见的路面材料,如沥青混凝土、水泥混凝土和路基土等,都是色散媒质,即其介电特性与外加激励场的频率有关。在介质物理学中,介质的介电特性是由介电常数s,磁导率Ⅳ和电导率盯来描述的,其中反映介质的磁化特性,盯反映介质的导电性能。根据焦耳定律,盯还决定介质中电磁能量的损耗。下面就极化、电导率、磁导率和介电常数的概念做一简单说明:①极化介质在外加电场的作用下,介质内部的正负电荷将向着相反的方向作微小的运动,致使正负电荷的中心位置不能重合,这种现象称为极化。极化有四种基本形式:电子极化、分子极化、离子极化和表面极化,如图1.3所示。非极性介质和极性介质的极化方式不同,对于非极性介质,若在电场作用下发生位移的是核和电子,则称为电子极化;若发生位移的是正负离子,则叫做离子极化。对极性分子,由于内部存在固有偶极矩,在电场作用下,偶极矩要沿电场方向偏转一定的角度,这种由于偶极子转向产生的极化方式称为极性分子的取向极化。表面极化是由于自由电荷在介质表面积聚而产生的一种极化方式。②电导率电导率描述介质传导电荷的能力,常用仃表示,单位为$/m。③介电常数介质的介电常数则描述了介质的极化特性,它反映了处于电场中的介质的存储电荷的能力,单位为F/m。通常,将真空的介电常数氏作为参考值(‰=8.854×101F/m),而其它介质的介电常数用与真空介电常数的比值来表示,我们称之为相对介电常数(也通常称之为介电常数),其定义如下:占,=三=占,‘ (1.1)‰显然,介质的相对介电常数F,是一无量纲的复数,它的实部占‘,表示了介质对电磁波的存贮效应,虚部占,‘反映了介质对电磁波的损耗特性。在损耗介质中,内部电荷在外电场作用下发生位移摩擦,将部分电磁能转化为热能,转化的多少可用£,”来度量,这种转化使电磁波逐渐衰减,使电磁振荡受到阻尼:而s。,则影响传播波的电场,从而使得电磁场的比值改变,同时还使电磁波的传播速度减慢,并重庆大学博士学位论文影响到其它一些传播特性。s,”可进一步表示为:占:=旦 (1.2)甜其中:为角频率。从上两式可看出,介质的介电常数具有频率依赖性,随交变场频率的变化而变化;另外介质的电导率越高,其介电常数的虚部也就越大,对电磁波的吸收能力也越强。表1.2给出了常用路面材料介电常数的实部和虚部范围值1.3极化的四种类型(a)电子极化,(b)分子极化.(c)离子极化,(d)表厩极化.3 a)b)c)d)常用路面材料介电常数的实部和虚部值.2 部空气(1 .O.0081 _o.50冰(3 5沥青(4.50.035剥落沥青混凝土(8 .O.27于柔性基层( 12 0饱和柔性基层() >16 .1.2湿粘土( >20 一1.50砂砾路基(8+15 .O.50旧混凝土(1d)) 8 7新混凝土( 102.2④磁导率磁导率描述了介质被磁化的能力。真空的磁导率为斩×10。H/m,常用风表示。其它材料的相对磁导率为该材料的磁导率和真空磁导率的比值,常用从表示。根据相对磁导率可将介质可分为三类:一类为反磁性材料,其相对磁导率∥,l,但非常接近l;还有一类为铁磁性材料,其相对磁导率p,远远大于l。通常我们将反磁性材料和顺磁性材料统称为非磁性材料。在以上三个介质的特性参数中,对于常见的路面材料,大都属于非磁性材料,所以在实际应用中为简化计算常把其磁导率认为是1,而电导率对电磁波传播特性的影响已蕴含在介电常数的虚部中。因此,介电常数就成了研究路面材料性能的最重要的参数之一。探地雷达应用技术的研究发展历程,实际上也就是基于探地雷达回波信号对路面介质介电常数的研究分析以及在其基础上对其他路面材料性能指标进行研究的历程,如何基于.2.2基于简化经验公式直接对采集到的雷达波反射信号进行分析该法是目前分析路面数据的最主要方法。它通过测量雷达回波波形中波峰的幅值和波峰之间的时延,将其带入到介电常数的简化经验公式中求解,进而获得介质的其他性能指标。根据现有文献资料,通过实测雷达反射波计算路面结构第一层即面层介电常数的公式基本上是统一的119即1+鱼以, 1对于第二层即基层介电常数的计算方法却各不相同,至少有以下五种:1)1991年,美国德克萨斯A&.n】:^以爿,4。(1.4)(1.5)2)1994年公布的美国战略公路研究计划(称告(编号:一397)中,0糍f,f.....,...。.................,.....√毛.4√矗 4s】一l 995年,I]:(1.6)(1.7)4)在美国于基层介电常数。:的计算公式为:(1.8)以上式中:£为面层的介电常数;占,为基层的介电常数;^为雷达波在路表面的反射波幅(单位:伏特);位:伏特);一。为雷达波金属板全反射波幅(单位:伏特);以上五个关于基层介电常数的算法之所以不统一,原因在于路面介质介电特性复杂,雷达电磁波在其中的传播规律也非常复杂,使得到目前为止还没有一个严格意义上基于电磁波理论的精确公式来统一对基层介电常数的计算,人们只能根据经验来摸索计算方法,导致了计算公式的多样化。而且,式(1。3)关于面层以及式(1.4).(1.8)关于基层介电常数的计算公式,是在以下两个重要假设的前提下提出的‘2005】:11各结构层介质均匀,即各向同性;2)各结构层材料为非导电性材料,即假设介质的电导率为0,不考虑电磁波在介质传播过程中的衰减,将各结构层材料介电常数的虚部假设为O。路面介质是由铺垫材料组成的有耗非均匀介质,对于常用的中心频率为1波长约为8.12厘米,毒,,
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