（控制理论与控制工程专业论文）基于探地雷达的公路路面质量检测技术的研究.pdf

1_-， f 舢删舢f j 舢舢舢j j j j j f 删 y 1 8 41 2 3 5 ” ad i s s e r t a t i o ni nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ar e s e a r c ho nd e t e c t i o n t e c h n o l o g y o f p a v e m e n t q u a l i t yb a s e do ng r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r b y y a n gd e h u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a oy i d i n g n o r t h e a s t e r n u n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 一l i 卜 少 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孑秀t 卜? - 日期：0 g 、弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，k_，一 ? 。 一 j 一1j 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来，我国的公路建设尤其是高等级公路建设突飞猛进。然而，由于公路建 设施工单位的施工质量参差不齐等多种原因，已建公路路面发生病害的路段也逐 渐增多。为了准确地查明导致公路路面或路基发生病害的原因，以便为治理公路 病害提供设计依据，需对公路路面质量进行检测。路用探地雷达( g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ) 技术作为一种非接触、非破损的路面检测技术，它不仅检测精 度高、检测费用低廉、检测内容丰富，而且检测速度快，能在很短的时间内，得 出检测路面使用状况的资料，为道路使用状况评价和维护提供必要的依据和资 料。路用探地雷达作为一种公路无损检测技术现已在国内外得到广泛的应用。 论文首先介绍了探地雷达的系统组成和工作原理，分析了探地雷达的探测性 能和主要参数的选择。其次针对探地雷达采集到的数据的特点，详细介绍了几种 数据处理方法对数据进行处理。然后针对探地雷达信号在介质中传播的特点，利 用公路层面的自动检测和跟踪技术计算信号在路面中的传播时间，同时通过对介 电常数的测量计算探地雷达信号在路面中的传播速度，由此得到检测公路的路面 厚度，为后期的公路路面质量评价作准备。论文的最后介绍了作者开发的基于虚 拟仪器软件开发平台的探地雷达数据处理软件，并利用其进行了相关试验。试验 结果表明基于探地雷达的公路路面质量检测技术能够准确、可靠地对公路路面质 量进行检测。 关键词：探地雷达层位检测数据处理介电常数 东北大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er o a dc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y , e s p e c i a l l yt h eh i g h w a y c o n s t r u c t i o nd e v e l o p sr a p i d l y h o w e v e r , t h ep a v e m e n tt h a ts u f f e r sd i s t r e s sa l s o i n c r e a s e dd u et ov a r i e sq u a l i t yo fd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nc o m p a n i e sa n do t h e rr e a s o n s i ti sv e r ye s s e n t i a lt od e t e c tt h ep a v e m e n tq u a l i t yi no r d e rt of i n dt h er e a s o n st h a t c a u s e dp a v e m e n t so rr o a d b e d sd a m a g ec o r r e c t l ya n dp r o v i d ed e s i g nb a s i cf o rt h i s a san o n - o s c u l a t i n ga n dn o n d e s t r u c t i v ep a v e m e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h eg r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a r ( h e r e a f t e rc a l l e dg p r ) ，i sn o to n l yw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co f m 曲一p r e c i s i o n ，l o w c o s t a n dm u l t i a s p e c t s ，b u ta l s ow i mt h e c h a r a c t e r i s t i co f e f f i c i e n c yw h i c hc o u l do b t a i na l lt h ei n f o r m a t i o no ft a r g e tg r o u n di nas h o r tt i m ea n d p r o v i d en e c e s s a r yi n f o r m a t i o nf o re v a l u a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h er o a d g p rh a s b e e nw i d e l ya c c e p t e da san o n - d e s t r u c t i v et e c h n o l o g yb yi n s i d ea n do u t s i d e t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sg p r sc o n s t i t u t i o na n dp r i n c i p l e sa n da n a l y z e si t s c a p a b i l i t ya n dm a i np a r a m e t e r ss e l e c t i o n s e c o n d l y , s e v e r a ld a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s a l ee x p l a i n e dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ed a t at h eg p rc o l l e c t e d a f t e r w a r d st h e t r a v e l i n gt i m eo ft h ew a v ei nt h ep a v e m e n ti sc o m p u t e db yt h et e c h n o l o g yo f p a v e m e n ta u t o m a t i ct e s t a n dt r a c i n ga n dt h es p e e do fw a v ei nt h ep a v e m e n ti s o b t a i n e db ym e a s u r i n gd i e l e c t r i cc o n s t a n t t h e r e f o r e ，t h et h i c k n e s so ft h ep a v e m e n t c a nb ef i g u r eo u tt op r e p a r ef o rt h el a t t e re v a l u a t i o no fq u a l i t yo ft h ep a v e m e n tb yt h e t w op a r a m e t e r su p w a r d s a tl a s t , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eg p rd a t ap r o c e s s i n g s o f t w a r eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dc a r r i e so n r e l a t e d e x p e r i m e n t s t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h e d e t e c t i o n t e c h n o l o g yo fp a v e m e n tq u a l i t yb a s e do ng p r i sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：g p r ，p a v e m e n td e t e c t i o n , d a t ap r o c e s s i n g d i e l e c t r i cc o n s t a n t rrj j _ 一 。 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘! i 要i i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的来源和研究意义1 1 2 国内外研究状况概述1 1 2 1 探地雷达技术发展1 1 2 2 探地雷达数据处理概述3 1 3 本文主要工作一4 第2 章探地雷达系统组成和工作原理7 2 1 探地雷达系统组成一7 2 2 探地雷达基础理论知识8 2 2 1 电磁波传播基本规律8 2 2 2 介电常数概述9 2 3 探地雷达工作原理1o 2 4 探地雷达性能指标和测量参数1 3 2 4 1 探测深度一1 4 2 4 2 分辨率“1 4 2 4 3 探地雷达中心频率的选择一1 6 2 4 4 探地雷达采样时窗的选择”1 8 2 4 5 探地雷达采样率的选择一18 2 4 6 相邻扫描点间的距离1 9 2 5 探地雷达的应用2 0 第3 章探地雷达数据处理2 3 3 1 数据格式和显示2 3 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 数据格式2 3 3 1 2 数据显示”2 3 3 2 探地雷达数据处理原理2 7 3 3 数据编辑2 8 3 4 固定杂波消除2 8 3 5 噪声抑制3 0 3 5 1 平均滤波”3 0 3 5 2 中值滤波3l 3 5 3 数字滤波3 2 3 5 。4 小波变换滤波”3 5 3 5 5 滑动平均法去噪3 6 3 6 波形修正”3 7 3 6 1 去直流3 7 3 6 2 道内均衡3 8 3 6 3 道间均衡3 9 3 6 4 时变增益”3 9 第4 章公路层面检测和跟踪。 4 1 厚度检测的原理4 l 4 2 介电常数的确定4 2 4 2 1 钻孔取芯法”4 3 4 2 2 双钻孔法4 3 4 2 3 反射系数法4 4 4 2 4 共反射点法4 6 4 2 5 几何刻度法”4 6 4 3 公路层面检测和跟踪4 7 4 3 1 峰值检测和跟踪方法4 8 4 3 2 道相关检测和跟踪方法一4 9 第5 章软件编制与实现 5 3 5 1 l a b w i n d o w s c 简介一5 3 v 。 ，0 j 查北大学硕士学位论文目录 5 , 2 探地雷达数据处理软件的实现5 4 第6 章结论与展望5 9 参考文献61 致诩寸6 5 附录 o o o o o 川e e o 川 v i 6 7 东北大学硕士学位论文 目录 v n 一 j ， k j 东北大学硕士论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源和研究意义 随着我国高速公路的快速发展，新建道路质量的检测任务日益加重，道路的 后期维护过程中，路况质量评价的工作量也会急剧增大。公路路基质量的传统检 测方法是在路面上钻孔取芯进行检测。该法最大的优点是直观。但其缺点也很明 显，主要有：对路面具有一定的破坏性：只能以点代面，不能全面评价路面质量：检 测速度慢，周期长，费时，费力。 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ) 技术对公路路基质量进行检测则具备传 统方法无法比拟的优质高效的特点。探地雷达检测速度快，能在高速公路时速下， 实时连续收集公路的雷达信息，经由相应的计算机软件处理，在很短的时间内， 可显示路面彩色剖面图，得出有关观测路面使用状况的资料，为道路使用状况评 价和维护提供必要的依据和资料。 探地雷达的使用能大大提高道路建设中的检测效率和检测精度，为道路建设 过程中质量的提高提供了有力的监督保障手段，而且对检测数据的整理分析后形 成道路建设质量检测数据库，明确划分出个检测路段中存在的问题及需要注意的 薄弱路段，指导公路工程后期的养护与管理，对于节约养护经费、保护养护质量 是十分有利的。 1 2 国内外研究状况概述 1 2 1 探地雷达技术发展 早在1 9 0 4 年，德国人h u l s m e y e r 首次将电磁波信号应用于地下金属体的探 测。1 9 1 0 年，l e i m b a c k 和l o w y 用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导 电性质的区域，并正式提出了探地雷达的概念。第一个提出应用脉冲技术确定地 下结构的思路的人是h u l s e n b e c k ，1 9 2 6 年他指出介电常数不同的介质交界面会产 生电磁波反射，这个结论也成为探地雷达研究的一条基本理论依据。其后5 0 年里 东北大学硕士论文第1 章绪论 用脉冲技术探测地下目标得到了广泛的发展，但由于地下介质比空气具有较强的 电磁衰减特性，加之地质情况的多样性，电磁波在地下传播要比在空气中复杂得 多。因此，探地雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用，探 地雷达技术得到了前所未有的发展。探地雷达的应用范围也迅速扩大，其应用领 域也从探测对电磁波吸收较弱的冰川、冰山厚度逐渐扩展并渗透到其他应用领 域，这些应用包括：工程地质探测、煤矿井探测、路面层厚和道路下空洞及裂缝 探测、水文地质调查、埋设物探测和水坝、隧道、堤岸、古墓遗迹探查等。为了 适应不同应用场合、不同探测深度和不同分辨率的探测需求，地下探测设备逐渐 由通用型向专业应用发展j 。 探地雷达用于路基路面的无损检测的研究开始于2 0 世纪7 0 年代中期。1 9 8 5 年，在美国联邦公路管理局( f h w a ) 推动下和支持下，美国地球物理探测设备公司 ( g s s i ) 在s i r - i o a 的基础上开发生产s i r - i o h 型公路地下界面探测雷达，推动了 路用探地雷达的广泛应用。自此之后，探地雷达作为先进、无损、快速的工程地 质勘测工具在全球得到了迅速的发展。世界上其他国家也纷纷开始研制地质雷 达，如加拿大、意大利、瑞典、芬兰、德国、英国、瑞士和挪威等。1 9 8 0 年， 意大利的i d s 公司将不同频率的天线进行组合排列，生产出世界上第一台天线阵 雷达，且p r i s 型雷达，从而使雷达的探测精度有了更大的提高。 探地雷达在我国的应用开始于9 0 年代初，南京振隆公司于1 9 9 4 年引进了国内 第一台s i r - i o h 雷达，之后开展了公路探地雷达应用研究工作，取得了大量卓有 成效的结果。此后一些交通部门、科研机构和高校相继引进了国外先进的探地雷 达设备，对路面结构层厚度检测方法进行了深入研究，同时对脱空识别、压实度、 含水量、剥落等应用进行了初步探索。许多科研院所还在引进吸收国外探地雷达 的基础上，开发出了自己的实验样机，并针对探地雷达后处理需要进行了相关数 据分析软件系统的开发工作，还有很多单位推出了相应的商品化系统。目前国内 研制商业化探地雷达的单位主要是中国电波传播研究所和北京的爱迪尔国际探 测技术有限公司，都开发了系列化软硬件产品。中国电波传播研究所是国内最早 开展地下目标探测技术研究的单位之一，拥有l t d 系列探地雷达系统，并在对原 有探地雷达技术的多个关键环节进行改进的基础上，推出了高等级公路检测仪样 2 i - 叫 1 、i 东北大学硕士论文第1 章绪论 机，配备了专用的公路检测数据自动分析处理软件。北京爱迪尔公司也在十多年 科研基础上，推出了相应的商品化探地雷达系统及配套软件，其中c b s - 9 0 0 0 车载 式探地雷达系统己经在国内得到了广泛应用。 经过几十年的研究，探地雷达己经发展成为一项成熟的无损探测技术，国内 外许多单位都推出了相应的商品化探地雷达系统。目前，在我国应用的主要路用 探地雷达设备有：美国p u l s e 雷达公司的r a d a r 系列雷达；美国地球物理探测设备 公司( g s s i ) 的s i r 系列雷达【2 】；美国p e n e t r a d a r 公司的系列雷达；加拿大探头及 软件公司的e k k o 系列雷达；日本应用地质株式会社( o y o ) 的g e o r a d a r 系列：瑞典地 质公司( s g a b ) 的r a m a c 钻孔雷达系统；青岛中国电波传播研究所的l t d 系列；北京 爱迪尔国际探测技术有限公司的c b s - 9 0 0 0 车载式道路探地雷达等。 1 2 2 探地雷达数据处理概述 国外在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初基本解决了探地雷达硬件系统设计上的许 多难题，因而现在的研究重点基本都转向了数据处理、反演【3 】、目标识别等软件 技术上。由于雷达波在地下的传播过程十分复杂，各种噪声和杂波的干扰非常严 重，正确识别各种杂波与噪声、提取其有用信息是探地雷达记录解释的重要的环 节，其关键技术是对探地雷达记录进行各种数据处理。 探地雷达的噪声和杂波大致可归结为以下几类：( 1 ) 系统噪声：主要源于发 射和接收天线之间的耦合；( 2 ) 多次波干扰；( 3 ) 空中直接反射：非屏蔽干 扰；( 4 ) 来自电台、电视台、雷电放电、太阳活动等外部电磁干扰。对系统噪 声干扰可采用滤波和多次叠加压制：多次波干扰的问题一直是研究的热点和难点， 提出的方法不少，但在实际应用的效果都不是很理想。空中直接反射的干扰常常 很强烈，易识别，但难以消除，一般使用屏蔽天线以尽量地消除这种干扰。来自电 台、电视台、雷电放电、太阳活动等外部电磁干扰可通过滤波技术进行有效压制。 由于回波数据的复杂性，探地雷达数据处理技术的研究与其应用发展速度相 比却相对滞后，大部分信号处理方法还是移植地震勘探中的处理技术，如美国的 s i r 系列、加拿大的e k k o 系列，其应用软件中的信号处理部分，包括偏移处理、 反滤波、反卷积等，基本都移植了地震勘探处理软件。但由于雷达波和地震波存 在着动力学差异如强衰减性，所以单一地移植、借鉴地震资料处理技术出是不够 3 东北大学硕士论文第1 章绪论 的。国内对探地雷达的研究起步较晚，但由于及时引进和借鉴了国外的先进技术， 所以在该领域也取得了较为突出的成果。目前开展地下目标探测研究的国内单位 主要有西安交通大学、中科院长春地理所、中南大学、中国矿业大学、北京公路 研究所、中国地质大学、郑州大学等，他们的研究主要侧重于电磁散射特征的模 拟以及在引进设备基础上进行数据后处理方法的研究。 为实现雷达数据的自动化解释，一些学者还将雷达领域中较成熟的信号检测 处理技术引入到探地雷达数据处理中，如刘家学等提出了一种自适应q b 滤波 算法【4 j ，用于路面结构的自适应检测与分层。s p a g n o l i n i 等引入雷达领域的多目 标检测与跟踪技术进行介质层的检测与关联来实现层位追踪，并研究了时域电磁 反演和层剥离方法实现路面材料介电特性估计和层厚追踪自动化的方法。另外， 还有一些学者研究了有效的自动化数据解释系统，如w i m s a t t 开发了一个数据自 动分析系统，用于从空气耦合数据中自动估计公路沥青层和基层厚度。m e l o y 和 c o w d e r y 根据公路分层结构模型，通过迭代检测提取时域数据的幅度和时延，从 而进行介电常数估计和层厚计算，并提供了一种有效的层位追踪算法。l a h o u a r 对探地雷达数据处理进行了深入研究，建立了数据处理系统框架，提出了一系列 有效的算法。 尽管探地雷达作为一种先进的无损的检测技术已经在公路检测中得到了广 泛应用，但还有很多技术还不够完善，特别是成熟的自动化数据解释分析系统。 因此，深入研究路用探地雷达技术特别是数据分析处理方法对进一步推动其应用 具有重要意义。 1 3 本文主要工作 本文的主要工作集中于探地雷达的数据处理研究，主要包括厚度数据的预处 理和公路面层厚度自动检测与跟踪两个方面的内容。通过对探地雷达数据的分 析，提取公路面层雷达回波的特征，研究实现公路面层厚自动检测与跟踪的有效 算法，并开发出相应的数据处理软件系统。论文的主要贡献在于将探地雷达引入 公路路面质量检测技术中，并开发出基于虚拟仪器的数据处理软件，为公路路面 质量检测提供了新的思路。 本文的具体内容安排如下： 4 东北大学硕士论文第1 章绪论 第一章介绍了课题来源及研究的意义，并回顾了国内外探地雷达的发展应用 概况，并对探地雷达数据处理研究现状进行了分析。 第二章介绍了探地雷达的组成与基本工作原理，并且对探地雷达的探测性能 和性能指标作了基本的介绍。 第三章介绍了探地雷达的数据预处理过程和方法，并研究了一些常规处理方 法在数据处理中的应用。 第四章详细研究了公路路面的检测和跟踪方法，并且比较了基于这些方法编 制的软件的数据处理效果。 第五章具体介绍了基于本课题所开发的软件界面以及使用方法和使用效果。 最后，对本文的工作内容作了简要总结，并对今后需进一步开展的研究工作 进行了简单探讨。 5 一 东北大学硕士论文 第2 章探地雷达系统组成和工作原理 第2 章探地雷达系统组成和工作原理 2 1 探地雷达系统组成 探地雷达主要包括主控机、发射机、接收机、天线、信号处理机和成像显示 设备等。典型的路用探地雷达系统组成如图2 1 所示。 图2 1 探地雷达系统组成 f i g 2 1s t r u c t u r eo fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r 1 发射机 发射机利用控制电路通过储存能量的短时释放形成脉冲或单周期雷达信号( 高频 脉冲电磁波) ，经分离器( 收发开关) 后传输给天线，再由天线将此电磁波定向 辐射入路面系统。 2 接收机 探地雷达的接收机主要部分是一个高速采样电路，用于捕捉微弱的反射信号并对 其进行放大，然后将这些信号传递给信号处理机对信号进行处理。 3 天线 天线的作用是发射电磁波信号和接收反射信号，路用探地雷达使用的天线类型有 两种：空气耦合型天线和地面耦合型天线。 4 分离器 在射频发射过程中，在发射机和天线之间由分离器联结，短期发射后，分离器切 断发射机和天线的联结，把接收机和天线联结起来。分离器的作用在于保护接收 机的输入元件，使其不被发射机的高能输出破坏。 5 信号处理机与计算机 一7 一 东北大学硕士论文 信号处理机用于处理接收到的反射信号，计算机则用于数据的采集、处理、存储、 显示与分析。 2 2 探地雷达基础理论知识 2 2 i 电磁波传播基本规律 探地雷达是一种高频电磁波检测技术。静止的电荷分布或电流分布，激发稳 定电场。稳定电场不随时间变化，不向外辐射能量。如果场源的电流随时间变化， 就激发变化的电场，变化的电场在其周围激起变化的磁场，变化的磁场又要激起 变化的电场，变化的电场和磁场由近及远地传播出去，形成电磁场。根据电磁波 传播理论，高频电磁波在介质中的传播规律服从麦克斯韦尔方程【5 1 。 vx h - - i + o d ( 2 1 ) 优 vx e = 一望 ( 2 2 ) 现 v b = 0 ( 2 3 ) v d = 0( 2 4 ) 其中d = g e ，b = e h 。对各向同性介质，上式改写为： vxh ：盯e + 占望 ( 2 5 ) 班 vx e = 一望 ( 2 6 ) 研 v h = 0( 2 7 ) v e = 0 ( 2 8 ) 对上式分别取旋度，则得到无源谐变电磁场的波动方程： v 2 e + 七2 e = 0 ( 2 9 ) v 2h + k 2 h = 0( 2 1 0 ) 以上公式中使用的物理量说明如下：e 、h 为电场和磁场矢量，它们的单位为v m ， a m 。盯为电导率，单位为s m 。占是介质的介电常数( f m ) ，等于s 。是磁 导率( h m ) ，等于。s ，分别为相对介电常数和相对磁导率。为真空 - 8 东北大学硕士论文第2 章探地雷达系统组成和工作原理 中磁感强度b 与磁场h 之比。由式( 2 9 ) 一( 2 1 0 ) 可以看出，该方程组具有 波动方程的形式，这表明电磁场矢量符合波动理论，以波的形式传播。 2 2 2 介电常数概述 路面材料介电常数的差异是路用探地雷达应用的先决条件，雷达接收到的反 射波又是介电常数的函数，探地雷达图像的解释、判读和反演都依赖于介质的介 电性能。因此，路面介质介电特性分析是探地雷达发展应用的基础，也是能从探 地雷达图像数据中获得多少信息的关键。通常情况下，在探地雷达所用的频率范 围内，路面材料( 水泥混凝土、热拌沥青和路基土等) 是色散媒质，即其电磁参数 与外加激励场的频率有关【6 】。 探地雷达的探测对象是路面结构层中的介质，这些介质大致可分为两种，一 种是内部具有固有偶极矩的，称之为极性介质，另一种内部不具有固有偶极矩， 叫非极性介质。介质在外加电场的作用下，介质内部的正负电荷将向着相反的方 向作微小的运动，致使正负电荷的中心位置不能重合，这种现象称为极化。极化 有四种基本形式：电子极化、分子极化、离子极化和表面极化。非极性介质和极 性介质的极化方式不同，对于非极性介质，若在电场作用下发生位移的是核和电 子，则称为电子极化；若发生位移的是正负离子，则叫做离子极化。对极性分子， 由于内部存在固有偶极矩，在电场作用下，偶极矩要沿电场方向偏转一定的角度， 这种由于偶极子转向产生的极化方式称为极性分子的取向极化。表面极化是由于 自由电荷在介质表面积聚而产生的一种极化方式。 介质的介电常数描述了介质的极化特性，它反映了处于电场中的介质具有存 储电荷的能力。通常，将真空的介电常数作为参考值( = 8 8 5 4 x 1 0 一f m ) ，而 其它介质的介电常数用与真空介电常数的比值来表示，我们称之为相对介电常 数，其定义如下： 。= 二= - j (一116r 21 1 ) = 一= 彰 ( ) 从上式可以看出，介质的相对介电常数是一无量纲的量，且通常为复数，它 既表示了介质对电磁波具有存贮效应，又反映了介质对电磁波的损耗。在损耗介 质中，内部电荷在外电场作用下发生位移摩擦，将部分电磁能转化为热能，转化 一9 一 东北大学硕士论文第2 章探地雷达系统组成和工作原理 的多少可用占。来度量。这种转化使电磁波逐渐衰减，使电磁振荡受到阻尼f 影 响传播波的电场，从而使得电磁场的比值改变，同时还要使电磁波的传播速度减 慢，并影响到其它一些传播特性。 2 3 探地雷达工作原理 路面雷达系统是根据电磁脉冲反射原理而设计的。由振源产生的雷达波是一 种宽带、高频脉冲电磁波，频率一般在1 0 0 - - 一2 5 0 0 m h z 之间，穿透能力很强。由 天线定向成一定角度向路基路面发射进入道路铺垫层中。电磁波在传播过程中遇 到介电常数有差异的媒质时就会在界面上发生反射，反射信号的强弱取决于上下 层之间的介电常数差异。如图2 2 所示，道路一般可分为三层结构，视材质和 公路等级，各层厚度会有所变化，一般面层厚度为8 - 3 0 c m ，基层厚度为2 0 4 0 c m ， 路基厚度变化范围较大。我国现阶段高等级公路面层一般采用两种材料：改性沥 青和水泥混凝土。基层与路基一般为：水泥土、水泥稳定粒料、石灰土、石灰稳 定粒料、石灰粉煤土基层等【7 1 。空气的相对介电常数为l ，面层为混凝土时其相 对介电常数大约为6 - 9 ，为沥青时其相对介电常数大约为3 5 ，基层与路基由于 湿度较大，其相对介电常数大都大于8 。由此可见，道路各层之间都存在较显著 的介电常数的差异，这为雷达检测道路结构提供了可靠的地球物理依据。 探地雷达发射的界面( 路面与空气界面) 反射，另一部分向下穿透。由于空 气的介电常数为1 ，而路基路面的材料介电常数均大于l ，因而，穿透波的大部 分能量被该种材料吸收，同时，波在其中产生折射，折射角小于波的入射角。当 折射波碰到第二界面( 面层与基层界面) 时，波的一部分在界面反射，穿过面层 到空气，形成波的一次小循环。另一部分继续向下，穿透界面到基层，一部分能 量损耗于该层，同时，产生折射，折射角大小与否，主要取决于基层的介电常数， 当基层的介电常数大于面层的介电常数时，折射角小于面层至基层的入射角，反 之，则折射角大于面层的入射角。电磁波折射后，又碰到第三界面( 基层与路基 界面) ，波的一部分向上反射，并穿透面层到空气，形成波的一次中循环。同理， 波的另一部分继续向下，穿透界面到达基层。当路基均质无限、无异常体时，从 理论上说，穿透折射波的剩余能量完全损耗于无限体内，没有向上反射。但路基 中由于种种原因，如分层压实形成的人为界面、路基中的软弱层等，形成的异常 一1 0 _ 东北大学硕士论文 第2 章探地雷达系统组成和工作原理 界面，使这些区域的介电常数发生变异，因而，入射的电磁波就在这些区域的界 面处向上反射，穿透面层到达空气，形成入射波的一次大循环。 图2 2 公路的组成结构 f i g 2 2s 虮l c t u r eo ft h er o a d 。 为了简化计算，我们对路面结构层和路面雷达波进行了近似假设【8 1 ： ( 1 ) 路面结构层材料均匀且各向同性，但是对电磁波有损耗； ( 2 ) 雷达发射波为平面波，且发射波的波前与路表垂直。 这样，雷达天线发射的电磁波在路面结构层中的传播，可以看成是平面电磁波在 多层均匀低损介质中的传播。因此，当雷达脉冲波垂直入射到路面沿路表以下深 度方向( 设为z 轴) 传播时，电磁场满足的m a x w e l l 方程为： 窘一( 咖一j r o 。跏 ( 2 1 2 ) 式中：e 为电场强度( v f m ) ：为角频率( r a d s ) ，p 为磁导率( h m ) ；8 为介 电常数( f m ) ；o 为介质导电率( s m ) 。 由方程( 2 1 1 ) ，可得其解为 e = e 0 e 一缸 ( 2 1 3 ) 其中，岛为电场矢量的振幅；k 为传播常数，且 七：石画丽全口+ j p ( 2 1 4 ) 从上式可知，传播常数只决定于电磁波的频率和媒质特性。如果将k 的实 部和虚部分开，可得衰减常数a 和相移常数b 分别为： 一l 】一 东北大学硕士论文第2 章探地雷达系统组成和工作原理 口= 啦 1 + ( 卅2 一- ) 归 眩 = 例2 1 + ( 研2 + ， v 2 晓 由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 4 ) ，式( 2 1 3 ) 可变为 e = e o e 一韶p 一肚 ( 2 1 7 ) 从上式可以看出，路面介质中的电磁波，在传播方向上，波的振幅按指数规律减 小；衰减常数口的物理意义非常明确，即单位距离上振幅的衰减( 单位n p m ) ， 相移常数表示单位长度上的相移量( 单位r a d m ) ；与传播常数一样，衰减常数口 和相移常数只依赖于电磁波的频率和介质特性。因此，n - 7 以看出，道路材料的 介电特性决定了电磁波的变化，是关系路面雷达能否应用的关键指标9 1 。 在实际测量中，雷达发射的高频电磁波在路面结构层中传播时，每遇到不 同的界面就会发生透射和反射，反射系数定义为反射波电场强度与入射波电场 强度之比值，即r = b 日；透射系数为透射波电场强度与入射波电场强度之比， 即r = 耳蜀。当探地雷达脉冲波垂直入射到多层路面体系中时，反射系数和透 r ( 刀) ：进：半丝垒丝丝至巡丝丝坠! 坠 ( 2 1 8 ) 吒+ 忆+ j q o ) 2 鸬毛一。，吒+ 缈2 以+ i q + i j ( o , i j + i 吒+ i r ( 刀) 2 瓦2 k 2 再霭蓊2 x 嚣 c a 2 1 t 币, , g , , - 瓦j c o l j i , , c r , , 蒜 他 一般路面介质各结构层的磁导率基本相等，即= 以= 以+ ，引入相对介电常 数的概念，五：靠一l 。这样，式( 2 1 8 ) ，( 2 1 9 ) 变为 颤9 胁) - 糕 眩2 - 1 2 - 东北大学硕士论文第2 章探地雷达系统组成和工作原理 m ) _ 彘 晓2 。 式中( 五) 。为第1 1 层介质的相对复介电常数。于是反射电磁场幺( n ) 和透射电磁场 e ( 以) 可表达为： 五( ，1 ) = 尺( ，1 ) e ( 刀) ( 2 2 2 ) 巨+ i ( 刀+ 1 ) = 丁( 刀) 巨( 拧) ( 2 2 3 ) 由以上的推导可以看出，影响电磁波在介质中传播的两个最主要的物理量为介电 常数占和导电率o r 。简单的理论推导证明，导电率仃是决定雷达波在地层中被吸 收衰减的主因，而介电常数占对电磁波在地层中的传播速度v 起决定作用，因此 有如下计算速度的公式： 国 v = 一2 9 考虑到对于地下低损介质o c 0 8 1 ，且= l 。故化简上式得到式( 2 2 5 ) ( 2 2 4 ) v = c 0 8 ( 2 。2 5 ) 这从理论上说明了介电常数差异是路面雷达应用的前提条件。只有不同层位 材料的介电常数存在差异，才能使用路面雷达进行无损检测。 此外，若已知路面各结构层的复介电常数，由式( 2 1 8 卜( 2 2 4 ) 可计算各界面 反射波和透射波的振幅；相应也可由各层的反射振幅和透射振幅反算各结构层的 复介电常数，因为当路面雷达探测路面结构层时，遇到的第一个界面是空气与路 表的分界面，空气的相对介电常数为l ，所以由式( 2 2 0 ) 可求出路表下第一结构 层的介电常数，依次类推，可求出其它各层的复介电常数。这种方法对探伤分析、 回波正算和数值模拟有着很大的帮助。 2 4 探地雷达性能指标和测量参数 探地雷达的探测性能指标一般包括探测最大深度和最小分辨率。测量参数是 指实地测量时，根据具体的目标性质和所处环境需要选择的参数。测量参数选择 一1 3 东北大学硕士论文第2 章探地雷达系统组成和工作原理 合适与否关系到测量的效果，因此在探地雷达勘测前，我们需要根据目标特性和 所处环境事先估计一些测量参数，如脉冲波的中心频率、采样率、时窗长度、雷 达扫描点间距等，以确保测量能顺利进行。 2 4 1 探测深度 任何一种探地雷达都必须根据地下媒质的特性确定所设计的探测深度以及 选择它的工作频率。实验研究表明：电磁波在地下介质中的传播，频率越高，衰 减越大；在频率一定的情况下，湿度越大的介质损耗也越大。 为了研究路用探地雷达的探测深度，我们采用通过修正后的传统频域雷达方 程来衡量探地雷达的探测深度性能，修正后的频域雷达方程为： ! ：鲤! ：鱼, 名m 2 1 兰- - 4 a d m 一嚷 6 4 万3 d ： ( 2 2 6 ) 式中：e 曲为雷达的最小可检测信号功率；一为雷达的最大发射功率；嚷， 分别为雷达发射和接受天线的增益；，分别为发射天线和接受天线的 效益；丸，a 分别为媒质中脉冲电磁波中心频率的波长( 单位为m ) 和衰减系 数( 单位为d b m ) 伟目标的散射截面积；d 吣为探地雷达所能探测的最大 深度( 单位为m ) 。 同时，由电磁理论可知，电磁波在地下介质中传播时的波长厶为 丸2 赢 他2 7 ) 其中c 为电磁波在空气中传播的速度；z 为脉冲信号的中心频率；，脾为地 下介质的相对介电常数和磁导率。由式( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 可知：探地雷达天线的中 心频率越高，地下介质的相对介电常数和磁导率越大，探地雷达所能探测的最大 深度越浅。 2 4 2 分辨率 探地雷达分辨率是指雷达区分两个在空间上相距很近的目标的能力( 也可定 一1 4 一 东北大学硕士论文 第2 章探地雷达系统组成和工作原理 义为雷达区分在时间上相距很近的脉冲信号的能力) 。分辨率可分为垂直分辨率 和水平分辨率【1 0 】。 根据雷达系统理论，雷达的距离分辨率为： 肷：上( 2 2 8 ) e a r 其中a f = 瓦为雷达发射信号的频带宽度，为电磁波的传播速度。 1 垂直分辨率 我们把探地雷达在垂直方向上能够区分一个以上反射界面的能力称为垂直 分辨率。垂直分辨率取决于三个因素：( 1 ) 信噪比；( 2 ) 信号形式；( 3 ) 信号处理方法。 为了分析垂直分辨率的影响因素，假定雷达天线发射出的脉冲宽度为0 ，单位为 r l s ，一般可以认为天线的中心频率z = 1 t ，单位为m h z 通常在设计无载波脉 冲探地雷达天线时，我们选取天线频带宽度b w = z 。另外我们还假定在同一垂 直方向上有两个目标存在，目标的深度相距为a d ，由( 2 2 7 ) 可得，探地雷达要达 要在空间上能分辨出两个目标的回波信一号，必须满足： a d 上( 2 2 9 ) 2 以 即 a d 盈( 2 3 0 ) 其中丸为脉冲信号中心频率所对应的电磁波的介质波长，1 ，为电磁波的介质波速。则 探地雷达的垂直分辨率为： ( 峨抽2 乙倍玩磅= 刁1 5 i 0 眨3 ， 由( 2 3 0 ) 可知，树也雷达的最小垂直分辨