層狀體系介電特性反演及其工程應(yīng)用.pdf

1、探地雷達(dá)作為一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，由于其具有高效、快速、連續(xù)、無損傷、低成本和高分辨率成像等特點(diǎn)，目前已成為公路、機(jī)場、隧道、水壩和堤防等基礎(chǔ)工程設(shè)施無損檢測技術(shù)的重要組成部分，并代表了結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等重要工程質(zhì)量控制指標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展方向。由于缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦走_(dá)電磁波在層狀體系中傳播模型和合理的多相復(fù)合介質(zhì)介電特性模型以及層狀體系介電特性反演理論，導(dǎo)致探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)的發(fā)展受到嚴(yán)重制約，

2、使得現(xiàn)有探地雷達(dá)技術(shù)還主要依賴于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式和手工試算，研究成果大多僅局限于對結(jié)構(gòu)層厚度的檢測，而且僅對低耗介質(zhì)結(jié)構(gòu)層單層厚度檢測具有相對較好的精度，而對結(jié)構(gòu)層多層厚度的研究還很不充分，檢測精度也不能令人滿意，對其它工程質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)如壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等的研究目前還處于探索階段。 本文針對上述探地雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)存在的問題，研究層狀體系介電特性反演及其工程應(yīng)用。取得的主要研究成果和結(jié)論如下： 1．基于電磁波基

3、本理論，針對層狀體系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和介質(zhì)的復(fù)介電特性，建立了具有復(fù)介電特性的探地雷達(dá)電磁波在層狀體系中正演傳播模型，并依據(jù)該模型模擬合成了不同層狀體系中雷達(dá)波的反射信號(hào)。該正演模型考慮了介質(zhì)的復(fù)介電特性，對計(jì)算理論作出了重要改進(jìn)，具有更廣泛的適應(yīng)性。它不僅適用于低耗介質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，而且適用于高耗介質(zhì)結(jié)構(gòu)體系，從本質(zhì)上克服了現(xiàn)有模型僅適用于低耗介質(zhì)的局限性，從而為開展層狀體系介電特性反演提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撃Ｐ汀Ｑ芯苛藢訝铙w系各結(jié)構(gòu)層介電常數(shù)實(shí)部和

4、虛部對探地雷達(dá)電磁波反射信號(hào)的影響，得出了相應(yīng)結(jié)論，并指出當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)虛部較大時(shí)，忽略虛部將給分析結(jié)果帶來明顯的誤差； 2．以系統(tǒng)識(shí)別原理和靈敏度分析為基礎(chǔ)，從反演問題的本質(zhì)出發(fā)，應(yīng)用探地雷達(dá)電磁波在層狀體系中的正演傳播模型，提出了層狀體系介電特性反演理論，建立了層狀體系介電特性反演方程和求解方法，將奇異值分解技術(shù)應(yīng)用于反演方程的病態(tài)診斷和求解，解決了反演過程的初值影響和收斂性問題，建立了理論嚴(yán)謹(jǐn)、收斂快、精度高的模型參數(shù)調(diào)整

5、算法。該理論成功地將合理的雷達(dá)波正演模型和高效穩(wěn)定的參數(shù)反演方法結(jié)合起來，從根本上改變了目前探地雷達(dá)技術(shù)主要依賴于簡化公式或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工調(diào)試參數(shù)的現(xiàn)狀，奠定了探地雷達(dá)檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)： 3．基于層狀體系介電特性反演理論，建立了層狀體系結(jié)構(gòu)層厚度分析方法，并成功地將介電特性反演理論應(yīng)用于層狀體系多層厚度的反演，真正實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)對結(jié)構(gòu)層厚度的無損檢測，顯著地提高了探地雷達(dá)對結(jié)構(gòu)層厚度的分析精度，并開發(fā)了相應(yīng)的分析程序；

6、4．基于試驗(yàn)，開展多相復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型研究。針對瀝青混合料和水泥混合料等常見路面材料，對現(xiàn)有介電常數(shù)的均方根模型、線性模型和瑞利模型的合理性和適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證，并對這三種模型分別進(jìn)行了改進(jìn)。計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文改進(jìn)模型計(jì)算得到的介電常數(shù)值與介電特性測量值之間誤差相比于現(xiàn)有模型顯著減小，顯示出本文改進(jìn)模型的合理性，從而為揭示多相復(fù)合材料介電特性與壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等工程質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)之間的關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)：

7、 5．揭示了多相復(fù)合材料介電特性與壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等工程質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)之間的關(guān)系?；趯訝铙w系介電特性反演理論和多相復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型，首次提出并建立了層狀體系結(jié)構(gòu)層壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等工程質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)的反演分析方法，成功地探索了對這些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析的全新途徑，并開發(fā)了相應(yīng)的分析程序。 本文研究成果成功地探索了層狀體系介電特性反演及結(jié)構(gòu)層厚度、壓實(shí)度、空隙率、含水量及瀝青含量等工程質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)分