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原文传递路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法——路面雷达关键技术研究

论文题名：	路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法——路面雷达关键技术研究
关键词：	探地雷达;介电常数;系统识别法;路面检测设备;雷达厚度分析;路面厚度检测;路面结构层材料
摘要：	路面雷达作为一种高效、快速、连续、无损的路面检测设备，其应用技术的研究自八十年代以来一直是国际上的热门课题。目前的研究成果大多局限于路面结构层厚度的检测。由于理论模型及信号采集等方面的困难，现行路面雷达厚度分析方法仅对新铺沥青混凝土路面有相对较好的检测精度，而对旧沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的检测精度却不能令人满意，对路面其它技术指标如压实度、含水量以及沥青含量的研究还处于探索阶段，建立在严密理论模型基础上的数据分析软件系统尚处于空白状态。本文针对上述路面雷达应用技术存在的问题，研究路面结构层材料介电特性及其厚度的反演。基于电磁波基本理论，通过分析雷达电磁波在路面结构层介质中的传播特性，建立了雷达电磁波在路面结构体系中传播的正演模型，并依据该模型模拟合成了不同路面结构体系中雷达波的反射信号。应用该正演模型，首次将系统识别理论引入探地雷达信号分析领域，提出了路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析方法，并开发了反演分析软件SIDTHK。本文主要研究成果和结论如下： 1.基于电磁波理论的基本原理，从Maxwell方程着手，建立了雷达电磁波在路面结构体系中传播的正演模型。该正演模型考虑了介质介电常数的虚部，理论上更为严谨，并更接近于工程实际，它不仅适用于低耗的沥青混凝土路面结构，而且也适用于高耗的水泥混凝土路面结构； 2.分析了路面结构层材料介电常数实部和虚部对雷达电磁波反射信号的影响，并得出以下结论：(1)介电常数的实部主要影响雷达反射波的时延，实部越大，时延越长；(2)虚部主要影响除路表反射波幅之外的其它结构层界面的反射波波幅，虚部越大，反射波幅越小；(3)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； 3.提出了路面结构层介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法，将奇异值分解技术应用于控制方程的病态诊断和求解，有效地解决了控制方程病态时的求解问题，建立了理论严谨、收敛快、精度高的模型参数调整算法，并开发了路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析软件SIDTHK。该软件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路面雷达数据分析主要依赖于经验或手工试算的现状； 4.对SIDTHK软件考评结果显示：SIDTHK软件反算过程稳定，精度较高，而且反算结果在相当大范围内不受初始值的影响；不论是对新铺沥青混凝土路面，还是对旧沥青混凝土路面和水泥混凝土板，SIDTHK软件的反算精度都明显高于现行方法的计算精度。此外，SDTHK软件反算的路面厚度不需要钻孔取芯标定，也基本上不受数据采集时路面结构层含水量状况的影响，与现行方法相比具有更强的实用性； 5.本文研究成果使路面雷达对新铺沥青混凝土路面的检测精度提高到一个新的水平，并对解决旧沥青混凝土路面和水泥混凝土路面检测精度差这一国际性难题作了成功的尝试，也为进一步研究复合材料的介电特性及其压实度、含水量及沥青含量等技术指标的反演提出了全新的思路。
作者：	张蓓
专业：	固体力学
导师：	彭向和;王复明
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2003
正文语种：	中文