路面非均匀介质雷达电磁波传播模拟的多频成分合成方法

论文摘要

探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种利用超宽带电磁脉冲进行地下目标体探测的无损探测仪器,具备检测速度快、连续无损伤、高检测精度和低检测成本等特点。探地雷达用于道路检测时,通常将道路材料视为均质材料,基于均质假设来建立路面结构体系模型,采用均匀介质理论进行数据解释。实际道路材料组成和构造具有非均质的特征,道路工程材料一般可看作是由固态、液态和气态三相介质成分组成的混合物,表现出介质的组成和构造非均匀性的特点,不同位置分布的材料介电特性也不尽相同。如果不考虑材料的非均匀性,采用均匀介质理论进行数据解释,将不能如实准确的反映实际材料的固有特征。本文针对上述探地雷达应用技术存在的问题,开展了探地雷达电磁波在路面非均匀介质中的传播特性研究。主要研究内容和结论如下：(1)基于试验,对道路材料(沥青混凝土、水泥混凝土)的介电常数进行了研究,数据分析结果表明实际道路工程材料的非均匀性是客观存在的。(2)基于电磁波理论,分析了电磁波在一维非均匀介质中的传播性质,并对反射波与透射波的振幅及传播速度等进行了研究。(3)结合路面结构体系和道路材料的特点,通过对路面各结构层进行离散划分的方法,建立了一维非均匀路面介质的等效结构模型。采用多频成分合成的方法模拟了电磁波在路面非均匀介质的传播,并编制了相应的程序实现了雷达电磁波的传播模拟。(4)分析对比了雷达电磁波在均匀介质和非均匀介质中的传播模拟结果,结果表明,考虑介质非均匀性的模拟反射波与实测反射波的拟合效果更好。开展探地雷达电磁波在路面非均匀介质中的模拟研究,能够充分挖掘出雷达模拟波信号中蕴含的丰富材料信息,结果更加符合工程材料的特点,论文研究成果可为探地雷达数据解释提供理论支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 道路材料非均匀性
• 1.2.2 非均匀介质中雷达电磁波传播模拟研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 探地雷达概述
• 2.1 探地雷达系统组成
• 2.2 探地雷达基本理论
• 2.2.1 电磁波传播的理论基础
• 2.2.2 雷达电磁波的传播特点
• 2.2.3 电磁波在不同介质交界面上的特性
• 2.3 探地雷达工作原理
• 第三章 道路材料非均匀性试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 道路材料介电常数非均匀性试验研究
• 3.2.1 测试仪器简介
• 3.2.2 试验方案
• 3.3 介电常数测试结果分析
• 3.3.1 沥青混合料介电常数测试结果分析
• 3.3.2 水泥混凝土介电常数测试结果分析
• 第四章 探地雷达电磁波在非均匀介质中传播模拟的多频成分合成方法
• 4.1 路面非均匀介质中电磁波的传播特性
• 4.2 路面非均匀介质等效结构模型的建立
• 4.3 非均匀介质中雷达电磁波传播模拟的多频成分合成方法
• 4.3.1 雷达电磁波信号的多频成分合成
• 4.3.2 非均质结构模型中雷达电磁波传播模拟
• 4.3.3 非均匀介质模型中传播模拟程序编制
• 第五章 模型检验
• 5.1 均匀和非均匀结构模型中模拟波形与实测波形对比
• 5.1.1 水泥混凝土板雷达电磁波传播模拟
• 5.1.2 沥青混凝土路面雷达电磁波传播模拟
• 5.2 基于均匀和非均匀模型的路面结构层厚度分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢