路基病害探地雷达信号识别技术研究

摘要

路基病害引起的道路坍塌事件时有发生，对道路路基进行周期性的无损检测和评估，可有效识别处于早期阶段的路基病害，为及时治理工作提供必要的技术资料，防止道路坍塌事故的发生。探地雷达应用于道路路基病害检测取得了较好的应用效果，但路基病害发育初期阶段的探地雷达响应特征不易识别。本文采用理论分析、数值模拟和物理模型实验的方法，对路基疏松、脱空、路基空洞、土体富水及路桥过渡段脱空等典型道路路基病害的雷达信号进行识别研究，为路基病害的早期治理提供了必要的地质资料。 在探地雷达信号识别、处理过程中，首先，利用小波变换阈值去噪法对原始雷达信号进行滤除噪声，提高了雷达信号的信噪比，使雷达反射信号能够很好的反映出地层的分布情况，提高了探地雷达的资料解释精度。其次，基于时域有限差分算法建立了路基疏松、脱空、路基空洞、土体富水及路桥过渡段脱空道路路基病害模型，同时对探地雷达正演信号进行希尔伯特变换，其瞬时振幅剖面及瞬时相位剖面能够很好得识别异常体大小及其空间位置。第三，针对于发育程度不同且其介电常数与路基差异不大的同类型路基病害，资料处理及图像识别过程中对探地雷达信号进行差分求导分析，研究表明路基病害发育程度越高其微分曲线变化率越强。第四，采用ARMA功率谱分析法研究了道路路基病害雷达信号的频谱特征，结果表明ARMA功率谱相比于振幅谱更能突出信号高频成分的识别特征，且滑动平均谱阶数越小，曲线越平滑，越能突出信号的主频参数。阶数越高，越能体现弱信号的谱值，其滑动平均谱越逼近真实值。通过对异常区域信号的ARMA谱分析，可提高探地雷达信号对路基病害目标体介质类型的识别能力。最后，通过物理模型实验方法，获得路基疏松、脱空、路基空洞、土体富水病害模型雷达信号响应特征，同时利用上述方法对雷达响应特征进行了识别，提高了实测数据的解释精度，进一步验证了本论文所研究路基病害探地雷达信号识别方法的有效性。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 主要研究内容

2 探地雷达图像识别理论

2.1 探地雷达分辨率

2.1.1横向分辨率

2.5.2 垂直分辨率

2.2.1 小波变换基本理论

2.2.2 小波变换阈值去噪法

2.2.3 小波变换在探地雷达信号去噪中的应用

2.2.4 计算实例

2.3 属性分析

2.3.1 Hilbert变换原理

2.3.2 三瞬属性

2.3.3 瞬时属性求取

2.3.4 算例验证

2.4 ARMA功率谱分析

2.4.1 平稳ARMA过程

2.4.2 ARMA的谱密度

2.4.3 ARMA谱分析方法

2.4.4 实例分析

2.5 小结

3 路基病害正演模拟及雷达图像识别解释

3.1常见路基病害介质的电磁特性

3.2 不同中心频率天线正演模拟

3.3 路基疏松雷达图像识别

3.4 脱空病害雷达图像识别

3.5 路基空洞雷达图像识别

3.6 土体富水雷达图像识别

3.7 路桥过渡段脱空病害雷达图像识别

3.8 小结

4 路基病害物理模型雷达信号识别

4.1 模型参数

4.2 路基病害雷达信号识别

4.2.1 脱空病害雷达信号识别

4.2.2 路基疏松雷达信号识别

4.2.3 路基空洞雷达信号识别

4.2.4 土体富水雷达信号识别

4.3 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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