層狀體系介電特性反演及其工程應用.pdf

1、探地雷達作為一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術，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，目前已成為公路、機場、隧道、水壩和堤防等基礎工程設施無損檢測技術的重要組成部分，并代表了結構層厚度、壓實度、空隙率、含水量及瀝青含量等重要工程質量控制指標檢測技術的發(fā)展方向。由于缺乏嚴謹?shù)睦走_電磁波在層狀體系中傳播模型和合理的多相復合介質介電特性模型以及層狀體系介電特性反演理論，導致探地雷達無損檢測技術的發(fā)展受到嚴重制約，

2、使得現(xiàn)有探地雷達技術還主要依賴于傳統(tǒng)的經驗公式和手工試算，研究成果大多僅局限于對結構層厚度的檢測，而且僅對低耗介質結構層單層厚度檢測具有相對較好的精度，而對結構層多層厚度的研究還很不充分，檢測精度也不能令人滿意，對其它工程質量關鍵指標如壓實度、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應用技術存在的問題，研究層狀體系介電特性反演及其工程應用。取得的主要研究成果和結論如下： 1．基于電磁波基

3、本理論，針對層狀體系的結構特點和介質的復介電特性，建立了具有復介電特性的探地雷達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波的反射信號。該正演模型考慮了介質的復介電特性，對計算理論作出了重要改進，具有更廣泛的適應性。它不僅適用于低耗介質結構體系，而且適用于高耗介質結構體系，從本質上克服了現(xiàn)有模型僅適用于低耗介質的局限性，從而為開展層狀體系介電特性反演提供了嚴謹?shù)睦碚撃Ｐ汀Ｑ芯苛藢訝铙w系各結構層介電常數(shù)實部和

4、虛部對探地雷達電磁波反射信號的影響，得出了相應結論，并指出當介質介電常數(shù)虛部較大時，忽略虛部將給分析結果帶來明顯的誤差； 2．以系統(tǒng)識別原理和靈敏度分析為基礎，從反演問題的本質出發(fā)，應用探地雷達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，將奇異值分解技術應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，建立了理論嚴謹、收斂快、精度高的模型參數(shù)調整

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

6、4．基于試驗，開展多相復合介質介電常數(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性進行了驗證，并對這三種模型分別進行了改進。計算及試驗結果表明，采用本文改進模型計算得到的介電常數(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，顯示出本文改進模型的合理性，從而為揭示多相復合材料介電特性與壓實度、空隙率、含水量及瀝青含量等工程質量關鍵指標之間的關系奠定了理論基礎：

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