（水工结构工程专业论文）层状体系介电特性反演及其工程应用.pdf

大连理工大学博士学位论文 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，目前已成为公路、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 层状体系介电特性反演及其j ：程应用 层厚度的无损检测，显著地提高了探地雷达对结构层厚度的分析精度，并开发了相应的 分析程序； 4 基于试验，开展多相复合介质介电常数模型研究。针对沥青混合料和水泥混合 料等常见路面材料，对现有介电常数的均方根模型、线性模型和瑞利模型的合理性和适 应性进行了验证，并对这三种模型分别进行了改进。计算及试验结果表明，采用本文改 进模型计算得到的介电常数值与介电特性测量值之间误差相比于现有模型显著减小，显 示出本文改进模型的合理性，从而为揭示多相复合材料介电特性与压实度、空隙率、含 水量及沥青含量等工程质量关键指标之间的关系奠定了理论基础； 5 揭示了多相复合材料介电特性与压实度、空隙率、含水量及沥青含量等工程质 量关键指标之间的关系。基于层状体系介电特性反演理论和多相复合介质介电常数模 型，首次提出并建立了层状体系结构层压实度、空隙率、含水量及沥青含量等工程质量 关键指标的反演分析方法，成功地探索了对这些关键技术指标分析的全新途径，并开发 了相应的分析程序。 本文研究成果成功地探索了层状体系介电特性反演及结构层厚度、压实度、空隙率、 含水量及沥青含量等工程质量关键指标分析的全新途径，从根本上解决了探地雷达无损 检测技术长期徘徊不前的关键问题，奠定了探地雷达检测技术的理论基础，也为公路、 机场、隧道、水坝和堤防等层状结构基础工程质量检测和养护决策提供了先进、高效、 实用、配套的技术成果，这对探地雷达基础理论与应用技术的发展具有重大的推动作用。 关键词：探地雷达( g p r ) ；层状体系；介电特性；反演；系统识别 大连理工大学博士学位论文 i n v e r s ea n a l y s i so f d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f l a y e r e ds t r u c t u r e s a n dt h ea p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) i sa ne f f e c t i v e ，s p e e d y ，c o n t i n u o u sa n dn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gt e c h n o l o g yu s i n gb r o a d - s p e c t r u me l e c t r o m a g n e t i s mt e c h n i q u ef o rd e t e c t i n gt h e d i s t r i b u t i o no f u n d e r g r o u n ds t r a c t u r e sw i t hl o wc o s ta n dh i g hr e s o l u t i o n a tp r e s e n t g p rh a s b e e na ni m p o r t a n tp a r to fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d dt e c h n o l o g yf o rl a y e r e ds t r u c t u r e s s u c h 鹊r o a d ，r u n w a y ，b r i d g e ，t u n n e l ，d a m ，d i k ee t c ，a n dr 印r e 蛐t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o n o ft h et e s t i n gt e c h n o l o g yf o rt h i c k n e s s ，c o m p a c t i o n , v o i dc o n t e n t , m o i s t u r ec o n t e n ta n d a s p h a l tc o n t e n te t e o fs t r u c t u r a ll a y e r s l a c k i n go fp r e c i s ef o r w a r dm o d e lo fg p r e l e c t r o m a g n e t i c ( e m ) w a v ep r o p a g a t i o ni nl a y e r e ds t r u c t u r e s ，r e a s o n a b l ed i e l e c t r i cp r o p e r t y m o d e la n dt h ei n v e r s ea n a l y s i st h e o r yf o rl a y e r e ds t r u c t u r e s ，l i m i t st h ed e v e l o p m e n to fg p r n d tt e c h n o l o g y ，a n dr e s u l t si nt h ec u r r e n tg p rt e c h n o l o g ym o s t l yr e l y i n go nt r a d i t i o n a l e x p e r i e n t i a lf o r m u l a ea n da d j u s t i n gp a r a m e t e rm a n u a l l y m o s to ft 1 1 ec u r r e n ta c h i e v e m e n t s m a i n l yf o c u so nt h em e 栅e m e mo fs t r u c t u r a ll a y e rt h i c k n e s s ，a n dc a l lo n l yg i v et h e a c c e p t a b l er e s u l t sf o rm o n o l a y e r e ds t r u c t u r ew i t hl o w e ra b s o r p t i o no f e l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y f o rt h em u l t i l a y e r e ds t r u c t u r e s ，t h er e s e a r c hi sn o tv e r ys u 箍c i e n t a n dt h ea c c u r a c yi sn o ty e t s a t i s f a c t o r y t h es t u d yo nt h eo t h e rt e e i m i c a li n d i c a t o r sf o rq u a l i t yc o n t r o l ( q c ) s u c h 鹤 c o m p a c t i o n ，v o i dc o n t e n t ，m o i s t u r ec o n t e n ta n da s p h a l tc o n t e n te r e i ss t i l lu n d e re x p l o r a t i o n i n v e r s ea n a l y s i so fd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl a y e r e d s t r u c t u r e sa n dt h ea p p l i c a t i o n si n e n g i n e e r i n ga r es t u d i e di nt h i sp a p e ri no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m so fg p ra p p l i e d t e c h n o l o g y t h em a i na c h i e v e m e n t sa n dc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r gs u m m a r i z e db e l o w ： 1 a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a y e r e ds t r u c t u r ea n dt h ec o m p l e xd i e l e c t r i cp r o p e r t i e s o fm a t e r i a l t h ef o r w a r dm o d e lo fg p re mw a v e f o r mp r o p a g a t i o ni nl a y e r e ds t r u c t u r e s , w h i c hc o n s i d e r st h ec o m p l e xd i e l e c t r i c ，i sd e v e l o p e db a s e do ne l e c t r o m a g n e d c t h e o r y r e f l e c t e dg p rw a v e f o r m sp r o p a g a t e di nd i f f e r e n tl a y e r e ds t r u c t u r e sa r es i m u l a t e du s i n gt h i s f o r w a r dm o d e l t i l i sf o r w a r dm o d e lh a sm o r ee x t e n s i v ea d a p t a b i l i t ya n de v i d e n t l yi m p r o v e s t h ec a l c u l a t i o nt h e o r ys i n c et h ec o m p l e xd i e l e c t r i cp r o p e r t yo fm a t e r i a li st a k e ni n t oa c c o u n t i tc a l lb ea p p l i e dn o to n l yt ot h es t r u c t u r e sw i t hl o w e ra b s o r p t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y b u ta l s ot ot h es t r u c t u r e sw i t l ih i g h e ra b s o r p t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y a n de s s e n t i a l l y o v e r c o m et h el i m i t a t i o no fc u r r e n tm o d e l sw h i c ha l eo n l ys u i t a b l ef o rt h em a t e r i a lw i t hl o w e r a b s o r p f i o no fe l e c t r o m a g n e t i ce n e r g y ，a n dt h e r e f o r es u p p l yar e l i g i o n st h e o r e t i cm o d e lf o rt h e i n v e r s ea n a l y s i so fd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl a y e r e ds t r u c t u r e s n 圮i n f l u e n c e so ft h er e a lp a r t 层状体系介电特性反演及其工程应用 a n di m a g i n a r yp a r to fd i e l e c t r i co fe a c hl a y e rm a t e r i a lo nr e f l e c t e dg p rw a v e f o r ma r e e x a m i n e d t h ec o n c l u s i o n sf r o mt h i sr e s e a r c hs h o wt h a tt h en e 班e c to fi m a g i n a r yp a r to f d i e l e c t r i cw i l li n c r e a s et h ea n a l y z i n ge w i t o ro b v i o u s l yw h e ni ti sh i g h e r 2 w i t ht h ef o r w a r dm o d e lo fg p re mw a v e f o r n lp r o p a g a t i o ni nl a y e r e ds t r u c t u r e s ，a n d f r o mt h ee s s e n c eo fi n v e r s ep r o b l e m ，t h et h e o r yf o ri n v e r s ea n a l y s i so fd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f l a y e r e ds t r u c t u r e s i sp r e s e n t e db a s e do ns y s t e mi d e n t i f i c a t i o np r i n c i p l ea n ds e n s i t i v i t y a n a l y s i s ，a n dt h ei n v e r s ee q u a t i o nf o rs o l v i n gd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl a y e r e ds t r u c t u r e sa n di t s r e s o l v e dm e t h o da r ee s t a b l i s h e d n l em e t h o do fs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o ni sp u tf o r w a r d t od i a g n o s et h ei l l c o n d i t i o n e di n v e r s ee q u a t i o na n dt h ep r o b l e mo ff i n d i n gs o l u t i o nt o i l l - c o n d i t i o n e dg o v e r n i n ge q u a t i o ni s s u c c e s s f u l l yr e s o l v e d n ep a r a m e t e ra d j u s t m e n t a r i t h m e t i cw i mh i g ha c c u r a c y ，w h i c hi sb a s e do np r e c i s et h e o r ya n dc a nb ec o n v e r g e dr a p i d l y ， i se s t a b l i s h e d t l l i si n v e r s ea n a l y s i st h e o r ys u c c e s s f u l l yc o m b i n e st h er a t i o n a lg p rw a v e f o r m f o r w a r dm o d e la n dt h ee f f e c t i v e ，s t a b l ep a r a m e t e ri n v e r s em e t h o d t h e r e f o r e ，t h ep r e s e n t s t a t u st h a tt h ec u r r e n tg p rd a t ap r o c e s s i n gm e t h o dm a i n l yr e l i e do ne x p e r i e n c eo ra d j u s t i n g p a r a m e t e rm a n u a l l yi st o t a l l yc h a n g e db yt h i ss u c c e s s f u lc o m b i n a t i o n 3 n l em e t h o df o ri n v e r s ea n a l y s i so ft h et h i c k n e s so fl a y e r e ds t r u c t u r e si se s t a b l i s h e d b a s e do nt h et h e o r yf o ri n v e r s ea n a l y s i so fc o m p l e xd i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl a y e r e ds t r u c t u r e s ， a n ds u c c e s s f u l l ya p p l yt h ei n v e r s et h e o r yf o ri n v e r s ea n a l y s i so f c o m p l e xd i e l e c t r i cp r o p e r t i e s o fl a y e r e ds t r u c t u r e si nt h ea n a l y s i so ft h et h i c k n e s so fm u l t i l a y e r e ds t r u c t u r e s t h e r e f o r e a u t h e n t i c a l l yf u l f i l lt h en o n - d e s t r u c t i v et e s t i n go fs t r u c t u r et h i c k n e s su s i n gg p r n ea n a l y s i s a c c u r a c y o fg p ru s i n gf o r m e a s u r i n gl a y e rt h i c k n e s s i s h i g h l yi m p r o v e dw i t ht h i s a c h i e v e m e n ta n dt h er e l e v a n tp r o g r a mi sd e v e l o p e d 4 1 1 1 ed i e l e c t r i cm o d e l sf o rm u l t i p h a s e c o m p o s i t em a t e r i a la r es t u d i e db a s e do n e x p e r i m e n t s n 圮r a t i o n a l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h ec u r r e n tc o m m o nd i e l e c t r i cm o d e ls u c ha s l i n e a rm o d e l ，m e a ns q u a r er o o tm o d e la n dr a y l e i g i lm o d e la l ev a l i d a t e d ，a n dt h et h e s et h r e e d i e l e c t r i cm o d e l sa l em o d i f l e dr e s p e c t i v e l yf o ra s p h a l ta n dc e m e n tm i x t u r e t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c d a t e dd i e l e c t r i cv a l u ef r o mt h em o d i f l e dm o d e la n dt h e m e a s u r e dd i e l e c t r i 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e c o m p a c t i o n ，v o i dc o n t e n t ，m o i s t u r ec o n t e n ta n da s p h a l tc o n t e n te t c i sf i r s t l yp u tf o r w a r da n d i v 大连理i ：大学博十学位论文 s u c c e s s f u l l ye x p l o r eat o t a l l yn e ww a yf o ra n a l y s i so f t h e s ei m p o r t a n ti n d i c a t o r s t h er e l e v a n t p r o g r a m i sa l s od e v e l o p e d 砧ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rs u c c e s s f u l l ye s t a b l i s ht h et h e o r yf o ri n v e r s ea n a l y s i so f d i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fl a y e r e ds t r u c t u r e s ，a n dp a v eac o m p l e t e l yn e ww a yf o ra n a l y z i n gt h e k e yt e c h n i c a li n d i c a t o r sf o rq cs u c ha st h et h i c k n e s s ，c o m p a c t i o n ，v o i dc o n t e n t ，m o i s t u r e c o n t e n ta n da s p h a l tc o n t e n te t c n 把a c h i e v e m e n t sr a d i c a l l ys o l v et h ek e yp r o b l e m so ft h e l o n g - t e r mw a n d e ro fg p r n d t t e c h n o l o g ya n dt h e r e f 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大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 捌碰 拗 趔年兰月地日 大连理i ：人学博十学位论文 1 绪论 1 1 工程背景 2 0 世纪9 0 年代以来，中国进入了交通、水利、城市建设等行业的大型基础工程设 施建设快速发展的时期，尤其是1 9 9 8 年中国实施积极的财政政策以来，中国的基础设 施建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。这些基础工程设施主要包括：高速公路、 城市道路及机场工程；隧道工程；水坝及堤防工程等。以公路建设为例，公路建设投资 规模逐年增大，仅2 0 0 5 年就达5 4 8 4 9 7 亿元，比“九五”末增长1 4 倍。统计数据显示， “十五”期间累计完成交通固定资产投资2 2 3 5 4 6 8 亿元，是“九五”期间完成投资的 2 2 倍。截至到2 0 0 5 年底，我国公路通车总里程达1 9 3 0 5 万公里，其中高速公路里程达 4 1 万公里，居世界第二位。在“十五”期间，建成高速公路2 4 7 万公里，是“七五”， “八五”和“九五”建成高速公路总和的1 5 倍，仅2 0 0 5 年，全国就新增高速公路通车 里程6 7 1 7 公里。如此巨大的投资规模和如此高的建设速度，使得工程建设质量成为全 社会关注的焦点，也受到各级政府的高度重视，同时也意味着养护管理任务日益繁重， 对交通、水利等基础设施的检测评价新技术的需求十分迫切。如何保证这些在建工程的 施工质量和对已建成工程的使用性能进行科学的评价与系统管理，及时维护、延长使用 寿命，合理分配和节省养护资金，已经成为我国基础设施建设与管理中急需解决的关键 问题。 在这些基础设施中，公路、机场道面、隧道、水坝和堤防等都属于典型的层状结构。 因其建设过程往往是采用不同的材料分层施工，使得这些工程结构产生明显的介质分界 面，材料性能分层而异。根据我国交通、水利等相关行业标准，公路、机场道面、隧道、 水坝和堤防等工程结构质量控制的关键技术指标主要包括：结构层厚度，压实度、空隙 率、含水量、弯沉值、强度等。而国内对这些指标的检测长期以来主要依赖人工或破坏 性方法。比如：对结构层强度、厚度的测定，仍依赖破坏性较大的钻孔取芯或开挖抽样、 手工量测的办法；对压实度、空隙率、含水量等指标的检测依赖于如环刀法、灌砂法、 钻芯法等破坏性检测方法1 1 4 1 。这些传统的检测方法存在的主要问题有： ( 1 ) 测试速度慢、效率低、精度差。取一组芯样一般至少需要3 0 分钟； ( 2 ) 试验取样点少，代表性差。按规范要求，对路面结构层即使每2 0 0 米取一个芯 样，对坝体即使每l o o m 3 2 0 0 m 3 取样一次，也都只是“一孔之见”： ( 3 ) 现场密度( 压实度) 试验条件与室内击实试验的条件很难一致，甚至现场密度 测试还受粗颗粒含量、风化程度等因素的影响； 层状体系介电特性反演及其一i ：程应用 ( 4 ) 环刀法、挖坑灌砂( 灌水) 法、腊封法等检测方法对结构有一定的破坏性。 因此，研究开发快速、高效、连续、无损的层状体系结构层厚度、压实度、空隙率、 含水量检测技术在国内外受到日益广泛的重视，探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ， 简称g p r ) 逐步成为人们关注的热点。我国不少省、市也先后引进了探地雷达等先进的 无损检测设备，但由于缺乏配套技术和分析软件，造成大量设备不能很好地发挥作用。 这种状况不仅难以满足高速公路等基础工程设施质量保障的实际需要，而且直接制约着 养护技术水平的提高。 国际上关于公路等层状体系无损检测技术的研发开始于2 0 世纪7 0 年代。8 0 年代后 期，随着举世瞩目的美国战略性公路研究计划( s h r p ) 的实施，以落锤式弯沉仪( f w d ) 、 探地雷达( g p r ) 为代表的公路无损检测技术的研究与应用受到国际上普遍重视。特别 是自7 0 年代中期开始，国际上关于探地雷达检测技术的研究十分活跃，美国、加拿大、 法国等国家先后研制出探地雷达检测系统，开发了结构层厚度分析软件，并在许多国家 得到推广和应用。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嘲，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 场道面、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，并代表了层 状体系结构层厚度、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。 但是，由于缺乏严谨的探地雷达电磁波在层状体系中的传播模型和合理的介电特性 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，使得探地雷达信号分析一直依赖简化公式或根据经验人工调试参数，现有研究成果 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都还处于探索阶 段，g p r 的工程应用价值远未充分发挥出来。 本文的研究内容正是在上述背景下提出来的。文章针对国内外公路等层状体系g p r 无损检测技术存在的主要问题和我国基础工程设施建设及养护的迫切需要，结合层状体 系的特点，研究层状体系介电特性反演理论及其工程应用，提高探地雷达对结构层厚度 的检测精度，并开拓探地雷达在结构层压实度、空隙率、含水量及沥青含量等指标检测 中的应用，研究开发适用于我国工程实际的探地雷达应用技术，从而实现对这些指标快 速、连续、高效、无破损的检测，为实时检测及控制施工质量和养护管理提供先进可靠 的技术手段。 人连理1 ：人学博士学位论文 本文研究成果将从根本上解决探地雷达无损检测技术领域长期存在的关键性、基础 性和共性问题，这对于探地雷达基础理论与应用技术的发展具有重大的推动作用，同时 也对我国基础工程设施的建设和养护具有重大的应用价值和显著的经济及社会效益。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 探地雷达技术的发展 探地雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱( m h z 一3 h z ) 电磁技术，其工作原 理类似于探空雷达。探地雷达所用的采样频率一般为几m h z 左右，而发射与接收的射 频频率一般在1 0 7 2 1 0 9 h z 之间。雷达波频率高，波长短，遵守波的传播规律，具有 入射、反射、折射与衰减等传播特点。探地雷达综合应用了瞬态电磁场理论、时域测量 技术、纳秒脉冲源技术、超宽带天线技术和信号处理技术等多方面的技术成果，具有快 速、连续、无损伤等特点。它通过发射天线从地表向地下发射高频脉冲电磁波，利用电 磁波在介质介电特性变化的界面上发生反射和折射的原理，根据接收天线接收的回波信 号的形状、波幅、时延等特征参数，分析计算层状体系结构层的厚度、压实度、空隙率、 含水量、沥青含量等指标。 利用雷达探测地下目标的历史可追溯到2 0 世纪初。但由于地下介质相比于空气具 有较强的电磁衰减特性，传播特性也非常复杂，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【锚】。7 0 年代以后，随着电子技术的发展以及现代 数据处理技术的广泛应用，探地雷达的应用范围迅速扩大，从冰层、岩矿等弱耗介质扩 展到土层、煤层、岩层等有耗介质，覆盖了考古、矿产资源勘探、地质勘察、工程结构 无损检测等众多领域。8 0 年代以来，美国的g s s i 公司、p u l s er a d a r 公司、p e n e t r a d a r 公司以及加拿大的s s i 公司等厂家相继推出了商用探地雷达检测系统和配套的数据分析 软件。在探地雷达应用技术研究方面，美国的k e n n e t hr m a s e r 、t o ms c u l l i o n 和芬兰 的t i m os a a r e n k e t o 做了大量深入而系统的工作 9 - 2 4 1 ，他们的成果基本上代表了目前国际 上探地雷达技术的研究水平。 我国于2 0 世纪8 0 年代开始探地雷达的研究，西安交通大学、电子部二十二所、成 都电子科技大学、北京邮电大学、地矿部物探所、煤炭科学院等单位先后开展了探地雷 达的研制工作。9 0 年代以来，国内不少单位先后从国外引进了探地雷达检测系统，北京 爱迪尔公司也适时地推出了商用探地雷达。中国地质大学、长沙交通学院、郑州大学等 单位开展了探地雷达应用技术的研究开发【2 5 刊，并取得了重要成果。 层状体系介电特性反演及其工程应用 1 2 2 层状体系介电特性 层状体系结构层材料介电特性的差异是探地雷达应用的先决条件，雷达接收到的反 射波是介质介电特性的函数，对探地雷达图像数据的解释、判读、反演并进而获取层状 体系结构层的厚度、压实度、空隙率、含水量及沥青含量等指标都依赖于对介质介电特 性的分析。因此，层状体系介电特性的研究是探地雷达技术发展应用的基础【4 7 。5 0 1 。 在介质物理学中，介质的介电特性由介电常数占，磁导率和电导率盯来描述。其 中g 反映介质的极化特性，反映介质的磁化特性，盯反映介质的导电性能。根据焦耳 定律，盯还决定着介质中电磁能量的损耗。 介质的相对介电常数s 是一无量纲的复数，它反映了处于电场中的介质的存储电荷 的能力，单位为法拉米( f m ) 。通常，将真空的介电常数靠作为参考值 ( 氏= 8 8 5 4 x 1 0 4 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，故 称之为相对介电常数( 通常简称为介电常数) ，其定义如下： 占，= 二= 占，一，s ， ( 1 1 ) s 0 其中，实部f ，表示了介质对电磁波的存贮效应，虚部s ，。反映了介质对电磁波的损 耗特性，s 还可进一步表示为： z = 旦( 1 2 ) 缈 其中，盯为介质的电导率，m 为角频率。 从上两式可看出，介质的介电常数具有频率依赖性，随交变场频率的变化而变化； 另外介质的电导率越高，其介电常数的虚部也就越大，对电磁波的吸收能力也越强。 对于常见的层状体系结构层材料，如路面材料，大都属于非磁性材料，所以在实际 应用中为简化计算常把其磁导率认为是1 ，而电导率盯对电磁波传播特性的影响根据 式( 1 2 ) 已蕴含在介电常数的虚部中。因此，介电常数就成了研究层状体系结构层材料 介电性能最重要的参数之一。探地雷达应用技术的研究发展历程，实际上也就是基于探 地雷达回波信号对层状体系介电常数的研究分析以及在其基础上对其它材料性能指标 进行研究的历程，如何基于探地雷达信号获取介质的介电常数一直是探地雷达应用技术 研究的核心问题之一。 大连理工大学博十学位论文 1 2 3 层状体系结构层材料介电特性的分析方法 目前基于g p r 检测数据获得层状介质介电常数的分析方法主要有两种： ( 1 ) 基于简化公式直接对采集到的雷达波反射信号进行分析 该法是目前分析g p r 数据的最主要方法。它通过测量雷达回波波形中波峰的幅值， 将其带入到介电常数的简化计算公式中进行求解，比如第一层介电常数计算公式如下： 毛= 1 + 生 a 。 1 一生 a 。 ( 1 3 ) 其中：为层状体系第一层的介电常数； 丘为雷达波在层状体系第一层表面的反