含薄层的沥青路面探地雷达数据定量分析方法及其应用研究

摘要

在路面施工质量控制和旧路面的路况调查中，以探地雷达为代表的无损检测方法得到了越来越普遍的应用。与传统的钻孔取芯方法相比，探地雷达方法的优点是无损、成本低、检测速度快。探地雷达能够连续检测路面结构，其检测范围完全可以覆盖整个路面。而钻孔取芯只能提供路面上少数点的信息，试图用该方法发现路面质量问题是不可靠的。 探地雷达在公路领域的应用中，目前存在两个世界性的难题： (1)常用的商用探地雷达不能检测薄层，即路面结构层厚度必须在探地雷达的深度分辨率范围之内： (2)沥青混凝土通常是多层结构，但是在分析探地雷达数据时，只能将沥青混凝土视为单层，不能深入分析其内部各层的质量状况。这是因为沥青混凝土内部各层的材料差异不大，层间的电磁波反射信号微弱，很难识别和提取。该难题导致的信息缺失进一步影响了对沥青路面检测的精确性和可靠性。后一个问题往往伴随着前一个问题，因为沥青路面的表层(磨耗层)通常是薄层。本研究不仅定性地，而且尝试定量地解决上述难题。提出新的探地雷达数据处理方法，计算沥青混凝土内部各层的厚度和介电常数。 在新算法的研究中遵循超宽带电磁波在层状媒质中传播的规律，掌握探地雷达信号从发射到接收过程的本质特点，深入分析问题的难点所在：重叠信号与微弱信号的提取。巧妙应用独立分量分析方法——一种自适应盲信号处理技术——检测并提取重叠信号与微弱信号。在路面的一系列反射脉冲中，路表面的反射信号最强，将其从总反射信号中分离后，原来的微弱信号得以显露，从而时间延迟量可以确定。在时间延迟量已确定后，沥青混凝土内部各层的介电常数采用优化计算方法得出。 在广东省两条高速公路的沥青路面施工期间的大量探地雷达检测数据，使用本算法已全部成功处理。162个芯样厚度的实验室测定值与使用本算法得到的估算值的对比，验证了本算法的高度准确性。 本研究确定了沥青混凝土空隙率与其介电常数的定量关系。在确定介电常数值时，首创了完全采用探地雷达在路面上实测的沥青混凝土的介电常数的研究方法，为科研成果直接应用于沥青路面质量检测创造了便利条件。在文中具体演示了如何将探地雷达连续测量数据转换为沥青混凝土各层的空隙率分布。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1道路检测方法

1.2探地雷达介绍

1.2.1探地雷达的工作原理

1.2.2探地雷达的发展历程

1.2.3探地雷达在道路检测中的应用

1.2.4我国探地雷达路面检测的应用研究现状

1.3本文拟解决的主要问题

第二章沥青路面材料的电磁特性

2.1沥青路面结构形式与分类

2.2沥青混合料的材料成分

2.2.1集料

2.2.2矿粉

2.2.3沥青

2.3材料的电磁特性

2.4混合物的有效介电常数

2.4.1介电混合物理论

2.4.2沥青混合料的有效介电常数

2.4.3常Q模型

第三章电磁波基本理论

3.1宏观电磁场的基本方程组

3.1.1微分形式的麦克斯韦方程组

3.1.2本构关系

3.1.3复数形式的麦克斯韦方程组

3.1.4波动方程

3.2平面电磁波在有耗媒质中的传播特性

3.2.1电磁波在有耗媒质中的穿透深度

3.2.2探地雷达的深度分辨率及薄层的定义

3.3雷达天线辐射

3.4电磁波在媒质交界平面的反射与透射

第四章探地雷达信号的数值模拟

4.1解析法

4.1.1格林函数法

4.1.2直接时域模拟

4.2数值法

4.2.1有限元法

4.2.2时域有限差分法(FDTD)

第五章反问题与参数反演方法

5.1反问题概述

5.1.1体概率

5.1.2反问题的概率模型

5.2电磁反问题

5.3逆散射

5.4多层媒质参数反演方法

5.4.1选择待反演的参数

5.4.2直接反演

5.4.3基于模型的反演

第六章盲信号处理

6.1一般盲信号处理问题

6.2实时盲源分离和独立分量分析

6.3快速ICA算法

第七章含薄层的路面参数反演算法

7.1时频分析

7.1.1时频分析思想

7.1.2 S变换

7.1.3时频分析用于路面薄层识别

7.2基于ICA的沥青路面参数反演

7.2.1路面薄层检测

7.2.2沥青混凝土内部各层参数反演

第八章探地雷达在沥青路面检测中的应用

8.1数据采集方法

8.2回归分析方法

8.3沥青混凝土面层厚度检测

8.3.1单层

8.3.2多层

8.4沥青混凝土空隙率估算

8.4.1研究方法

8.4.2基于GPR的空隙率检测试验

8.4.3 GPR与其它无损检测方法的比较

8.4.4空隙率无损检测方法总结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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