层状体系介电特性反演及其工程应用

论文摘要

探地雷达作为一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术，由于其具有高效、快速、连续、无损伤、低成本和高分辨率成像等特点，目前己成为公路、机场、隧道、水坝和堤防等基础工程设施无损检测技术的重要组成部分，并代表了结构层厚度、压实度、空隙率、含水量及沥青含量等重要工程质量控制指标检测技术的发展方向。由于缺乏严谨的雷达电磁波在层状体系中传播模型和合理的多相复合介质介电特性模型以及层状体系介电特性反演理论，导致探地雷达无损检测技术的发展受到严重制约，使得现有探地雷达技术还主要依赖于传统的经验公式和手工试算，研究成果大多仅局限于对结构层厚度的检测，而且仅对低耗介质结构层单层厚度检测具有相对较好的精度，而对结构层多层厚度的研究还很不充分，检测精度也不能令人满意，对其它工程质量关键指标如压实度、空隙率、含水量及沥青含量等的研究目前还处于探索阶段。 本文针对上述探地雷达应用技术存在的问题，研究层状体系介电特性反演及其工程应用。取得的主要研究成果和结论如下： 1．基于电磁波基本理论，针对层状体系的结构特点和介质的复介电特性，建立了具有复介电特性的探地雷达电磁波在层状体系中正演传播模型，并依据该模型模拟合成了不同层状体系中雷达波的反射信号。该正演模型考虑了介质的复介电特性，对计算理论作出了重要改进，具有更广泛的适应性。它不仅适用于低耗介质结构体系，而且适用于高耗介质结构体系，从本质上克服了现有模型仅适用于低耗介质的局限性，从而为开展层状体系介电特性反演提供了严谨的理论模型。研究了层状体系各结构层介电常数实部和虚部对探地雷达电磁波反射信号的影响，得出了相应结论，并指出当介质介电常数虚部较大时，忽略虚部将给分析结果带来明显的误差； 2．以系统识别原理和灵敏度分析为基础，从反演问题的本质出发，应用探地雷达电磁波在层状体系中的正演传播模型，提出了层状体系介电特性反演理论，建立了层状体系介电特性反演方程和求解方法，将奇异值分解技术应用于反演方程的病态诊断和求解，解决了反演过程的初值影响和收敛性问题，建立了理论严谨、收敛快、精度高的模型参数调整算法。该理论成功地将合理的雷达波正演模型和高效稳定的参数反演方法结合起来，从根本上改变了目前探地雷达技术主要依赖于简化公式或根据经验人工调试参数的现状，奠定了探地雷达检测技术的理论基础； 3．基于层状体系介电特性反演理论，建立了层状体系结构层厚度分析方法，并成功地将介电特性反演理论应用于层状体系多层厚度的反演，真正实现了探地雷达对结构

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 探地雷达技术的发展
• 1.2.2 层状体系介电特性
• 1.2.3 层状体系结构层材料介电特性的分析方法
• 1.2.4 层状体系关键技术指标的分析方法
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 2 探地雷达电磁波在层状体系中的传播模型
• 2.1 探地雷达工作原理及技术特性
• 2.1.1 探地雷达系统组成及工作原理
• 2.1.2 探地雷达技术特性分析
• 2.2 探地雷达电磁波基本理论
• 2.2.1 探地雷达电磁波波动方程及其传播特点
• 2.2.2 探地雷达电磁波在两种不同介质交界面上的特性
• 2.3 探地雷达电磁波在层状体系中的正演传播模型
• 2.3.1 建立正演模型的基本原理
• 2.3.2 建立正演模型的步骤和程序框图
• 2.3.3 应用实例
• 2.4 介电常数对探地雷达反射信号的影响分析
• 2.4.1 雷达电磁波在有耗介质中的传播特性
• 2.4.2 单层体系中介电常数对雷达反射信号的影响分析
• 2.4.3 多层体系中介电常数对雷达反射信号的影响分析
• 3 层状体系介电特性反演
• 3.1 引言
• 3.2 系统识别反演理论
• 3.2.1 系统识别基本原理
• 3.2.2 参数调整算法
• 3.2.3 反演方程的求解
• 3.2.4 算例分析
• 3.3 层状体系介电特性反演
• 3.3.1 灵敏度矩阵及反演方程的建立和求解
• 3.3.2 结构层材料介电常数实部和虚部的反演
• 4 层状体系结构层厚度反演分析
• 4.1 引言
• 4.2 现行结构层厚度分析方法
• 4.3 层状体系结构层厚度反演基本分析方法
• 4.4 层状体系结构层厚度反演逐步分析方法
• 4.5 工程应用实例
• 5 多相复合介质介电特性模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 复合介电特性模型综述
• 5.3 复合介电特性模型试验验证
• 5.3.1 均方根模型试验验证
• 5.3.2 线性模型试验验证
• 5.3.3 其它模型试验验证
• 5.4 复合介电特性模型的改进
• 5.4.1 均方根模型的改进
• 5.4.2 线性模型的改进
• 5.4.3 瑞利（Rayleigh）模型的改进
• 6 层状体系结构层压实度、空隙率、含水量以及沥青含量反演分析
• 6.1 引言
• 6.2 结构层压实度、空隙率、含水量以及沥青含量的计算
• 6.3 结构层压实度、空隙率、含水量以及沥青含量反演分析
• 6.4 工程应用实例
• 6.4.1 结构层空隙率和压实度反演的实例
• 6.4.2 沥青路面面层沥青含量反演的实例
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
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