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基于空气耦合式探地雷达的沥青路面水损害识别方法研究
| 论文题名： | 基于空气耦合式探地雷达的沥青路面水损害识别方法研究 |
| 关键词： | 沥青路面;水损害识别;探地雷达;支持向量机;粒子群算法 |
| 摘要： | 沥青路面水损害指的是因水而发生的病害，路面发生的大多数病害都与水损害有关。探地雷达是路面病害检测的一种有效方法，现有的地面耦合式探地雷达水损害检测方法中，检测过程需要封闭道路，效率低、耗时耗力，不适用于长距离的公路检测。空耦式探地雷达与地面保持一定高度，可实现快速平稳检测，因此需要对空耦探地雷达的检测参数和信号识别方法进行深入研究。 基于时域有限差分原理，采用gprMax搭建了水损害数值仿真模型。为获得最佳的悬空检测高度，采用2.3GHz的空耦式天线研究了不同高度下的水损害回波信号，实验结果发现，悬空高度H≤8cm时地面反射波与直达波间发生耦合，当H=4cm时耦合波中幅值最大处与真实地面相对位置误差ei=1.19%，H=4cm可以作为2.3GHz空耦式探地雷达的最佳悬空高度；在此高度下，通过改变仿真模型中水的介电常数获得了不同含水率的水损害仿真模型，并进一步获得了不同含水率水损害的回波信号，结果表明，该悬空高度下采用2.3GHz天线可以实现对体积含水率10%-100%，深度5cm-10cm的水损害进行检测。 在室内采用沥青车辙板搭建了含水损害的路面模型，利用自制托载小车托载探地雷达系统进行了验证实验，结果显示，在悬空高度H=4cm时获得的回波中可以有效找到地面，且在该悬空高度下体积含水率为10%-50%的水损害与正常数据的存在明显差异，从模型实验的角度证明了空耦式探地雷达对水损害检测的有效性。 针对水损害数据人工解释数据量大且耗时耗力的问题，利用室内实验数据建立了水损害的数据集，以时频域特征作为特征指标，以粒子群算法作为优化算法，建立了水损害的智能识别模型。结果显示，SVM水损害识别模型识别准确率为92.25%，PSO-SVM水损害识别模型识别准确率为94.88%。证明了采用时频特征指标和SVM算法建模可以有效对空耦状态下测得的水损害及正常数据进行分类，且PSO算法对SVM参数优化后可大大提高模型对各种数据的识别准确率。 利用路面实测数据对水损害识别模型在实测数据中的有效性进行了进一步验证，并提出了滑移窗口的方法来识别水损害发生深度。结果显示，SVM模型在路面数据中模型精度为92.51%，PSO-SVM在路面数据中模型精度为97.67%，滑移窗口法有效找出了水损害位置。证明了PSO-SVM建模方法及滑移窗口法在工程应用中的实用价值。 |
| 作者： | 江桂升 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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