铁路车载探地雷达检测隧道衬砌厚度的研究

摘要

铁路车载探地雷达采用空气耦合天线，在远离隧道衬砌的情况下进行检测，作为一种先进的无损检测技术，以其特有的快速、连续、高分辨率等优点，将成为隧道质量检测的主要手段。衬砌作为隧道结构受力的重要组成部分，它的状态关系到隧道的安全和使用寿命，其中二衬厚度是隧道衬砌质量和健康状况的一个重要指标。因此，研究铁路车载探地雷达图像的衬砌层位识别有着重要的应用价值。
　　本文总结了层位拾取方法的研究现状，特别提出Hilbert瞬时振幅包络极大值法识别衬砌层位。针对二衬与初衬间界面反射弱、原始剖面图的衬砌层位难以识别的问题，采用Hilbert包络极大值法，对探地雷达实信号进行Hilbert变换，将其虚部和实信号结合组成复信号，定义为瞬时振幅，将二衬表面反射波包络和底面反射波包络的最大值之间的宽度作为二衬厚度，识别衬砌界面。
　　根据时域有限差分法，选择GPRMAX软件模拟介质不同介电常数、不同厚度下电磁波的传播规律，分析反射回波的波形和衬砌界面的位置。通过对正演模拟数据运用Hilbert包络法识别衬砌层位，验证了该方法的有效性，为Hilbert包络法处理车载探地雷达实测数据提供了理论依据。
　　结合襄渝线典型隧道，应用Hilbert瞬时振幅包络极大值法划分衬砌厚度，结果表明，从车载探地雷达的实测波形出发，用二衬底面反射波包络可以识别衬砌间的弱反射界面，获得了满意的追踪效果，界面直观可见，极大地提高了层位的识别能力，对于衬砌厚度的划分具有较高精度，有效地避免了人工解释的主观误差。因此Hilbert包络极大值法分析衬砌层位是一种可靠的方法，将这种处理方法用于隧道衬砌质量分析，可以评价衬砌有效厚度的变化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要研究目的和内容

1．4 论文组织结构

第2章 车载探地雷达的基本理论

2．1 探地雷达工作原理

2．1．1 车载探地雷达检测原理

2．1．2 衬砌厚度检测原理

2．2 电磁波传播理论

2．2．1 麦克斯韦方程组

2．2．2 介质的属性参数

2．2．3 电磁场的波动方程

2．2．4 电磁波的反射与透射

2．3 本章小结

第3章 车载探地雷达检测系统

3．1 铁路隧道车载探地雷达检测系统

3．2 天线的选择

3．3 探测深度和垂直分辨率

3．4 本章小结

第4章 车载探地雷达数据处理

4．1 车载探地雷达处理流程

4．1．1 预处理

4．1．2 图像处理步骤

4．2 Hilbert瞬时振幅包络极大值法

4．3 本章小结

第5章 车载GPR检测隧道衬砌厚度的正演模拟

5．1 时域有限差分算法

5．1．1 Yee元胞

5．1．2 数值稳定性

5．1．3 吸收边界条件

5．1．4 FDTD的激励源

5．2 数值模拟软件和参数

5．3 衬砌厚度正演模拟

5．3．1 二衬介电常数变化对雷达反射波的影响

5．3．2 一衬介电常数变化对雷达反射波的影响

5．3．3 围岩和衬砌介电常数的微小差异对衬砌层位识别的影响

5．3．4 衬砌厚度变化对衬砌层位识别的影响

5．4 Hilbert极大值法处理正演模拟数据

5．5 本章小结

第6章 襄渝线隧道衬砌厚度实例分析

6．1 襄渝新线隧道

6．1．1 新白岩寨隧道

6．1．2 新蜀河隧道

6．2 老线隧道

6．2．1 旬阳隧道

6．2．2 吕河隧道

6．3 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果