路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度反演分析的系統(tǒng)識別方法——路面雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、路面雷達(dá)作為一種高效、快速、連續(xù)、無損的路面檢測設(shè)備，其應(yīng)用技術(shù)的研究自八十年代以來一直是國際上的熱門課題。目前的研究成果大多局限于路面結(jié)構(gòu)層厚度的檢測。由于理論模型及信號采集等方面的困難，現(xiàn)行路面雷達(dá)厚度分析方法僅對新鋪瀝青混凝土路面有相對較好的檢測精度，而對舊瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面的檢測精度卻不能令人滿意，對路面其它技術(shù)指標(biāo)如壓實(shí)度、含水量以及瀝青含量的研究還處于探索階段，建立在嚴(yán)密理論模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)尚處于空白

2、狀態(tài)。 本文針對上述路面雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)存在的問題，研究路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度的反演?；陔姶挪ɑ纠碚?，通過分析雷達(dá)電磁波在路面結(jié)構(gòu)層介質(zhì)中的傳播特性，建立了雷達(dá)電磁波在路面結(jié)構(gòu)體系中傳播的正演模型，并依據(jù)該模型模擬合成了不同路面結(jié)構(gòu)體系中雷達(dá)波的反射信號。應(yīng)用該正演模型，首次將系統(tǒng)識別理論引入探地雷達(dá)信號分析領(lǐng)域，提出了路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度反演分析方法，并開發(fā)了反演分析軟件SIDTHK。 本文主要研究成

3、果和結(jié)論如下： 1.基于電磁波理論的基本原理，從Maxwell方程著手，建立了雷達(dá)電磁波在路面結(jié)構(gòu)體系中傳播的正演模型。該正演模型考慮了介質(zhì)介電常數(shù)的虛部，理論上更為嚴(yán)謹(jǐn)，并更接近于工程實(shí)際，它不僅適用于低耗的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，而且也適用于高耗的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)； 2.分析了路面結(jié)構(gòu)層材料介電常數(shù)實(shí)部和虛部對雷達(dá)電磁波反射信號的影響，并得出以下結(jié)論：(1)介電常數(shù)的實(shí)部主要影響雷達(dá)反射波的時延，實(shí)部越大，時延越長；(

4、2)虛部主要影響除路表反射波幅之外的其它結(jié)構(gòu)層界面的反射波波幅，虛部越大，反射波幅越??；(3)當(dāng)介質(zhì)介電常數(shù)虛部較大時，忽略虛部將給分析結(jié)果帶來明顯的誤差； 3.提出了路面結(jié)構(gòu)層介電特性及其厚度反演分析的系統(tǒng)識別方法，將奇異值分解技術(shù)應(yīng)用于控制方程的病態(tài)診斷和求解，有效地解決了控制方程病態(tài)時的求解問題，建立了理論嚴(yán)謹(jǐn)、收斂快、精度高的模型參數(shù)調(diào)整算法，并開發(fā)了路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度反演分析軟件SIDTHK。該軟件成功地將

5、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路面雷達(dá)數(shù)據(jù)分析主要依賴于經(jīng)驗(yàn)或手工試算的現(xiàn)狀； 4.對SIDTHK軟件考評結(jié)果顯示：SIDTHK軟件反算過程穩(wěn)定，精度較高，而且反算結(jié)果在相當(dāng)大范圍內(nèi)不受初始值的影響；不論是對新鋪瀝青混凝土路面，還是對舊瀝青混凝土路面和水泥混凝土板，SIDTHK軟件的反算精度都明顯高于現(xiàn)行方法的計(jì)算精度。此外，SDTHK軟件反算的路面厚度不需要鉆孔取芯標(biāo)定，也基本上不受數(shù)