层状复合材料介电特性识别方法技术

本发明专利技术公开了一种层状复合材料介电特性识别技术。该技术从Ｍａｘｗｅｌｌ方程着手，建立了反映路面材料特性的雷达电磁波在层状介质中的正演传播模型。以此模型和灵敏度分析理论为基础，创立了层状复合材料介电特性识别技术。本发明专利技术从根本上解决了探地雷达应用技术长期以来依赖经验的困难，将探地雷达检测精度提高到一个新的水平，也为进一步研究复合材料的压实度、含水量及沥青含量等指标的反演提出了全新的思路，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于路基路面无损检测评价技术，尤其涉及一种层状复合材料介电特性识别技术。
技术介绍
20世纪80年代以来，特别是随着举世瞩目的美国战略性公路研究计划(SHRP)的实施，公路无损检测技术的研发与应用在国际上受到日益广泛的重视。但总体上应用理论研究和配套软件开发始终滞后于高科技检测设备的研制，其中路基路面材料特性反演问题一直阻碍着探地雷达(Ground PenetratingRadar，简称GPR)等无损检测技术的发展。由于我国高速公路建设起步较晚，路基路面检测评价技术发展缓慢。路面结构层厚度、压实度、含水量等技术指标的检测还主要依赖于钻孔取样等破坏性方法。虽然不少单位先后引进了GPR等公路无损检测设备，但由于缺乏配套技术和软件，造成大量设备不能充分发挥作用。探地雷达作为一种高效、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。自70年代中期开始，国际上关于探地雷达应用技术的研究十分活跃，目前，探地雷达检测技术已成为路面无损检测技术的重要组成部分，并代表了路面结构层厚度、压实度、含水量等检测技术的发展方向。路面材料为典型的层状复合材料。路面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，对路面雷达图像数据的解释、判读并进而获取结构层的厚度都依赖于对层状介质介电特性的分析。因此，层状复合材料介电特性的研究是探地雷达技术发展应用的基础，如何基于雷达信号获取介质的介电特性一直是探地雷达应用技术研究的核心问题之一。目前基于GPR数据从而获得介质介电特性的途径主要有两条(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GPR数据最主要的方法。它通过测量雷达回波波形中波峰的幅值和波峰之间的时延，将其带入介电常数的简化公式中进行求解。由于该法所基于的简化假设中没有考虑介质介电特性的虚部，因此只有当介质为低耗材料，如沥青混凝土时才相对合理，而对于高耗材料，如水泥混凝土介质，该法难以给出令人满意的计算结果，使得该分析方法在实用中具有很大的局限性。(2)基于雷达电磁波正演模型反演路面材料介电特性通过雷达电磁波正演模型反演材料的介电特性是一种理论严谨的GPR数据分析方法，它通过建立雷达电磁波在地下介质中的正演传播模型来研究其在地下介质中的传播规律。该法的原理是通过雷达波正演模型模拟计算雷达反射信号，将其与实测雷达反射信号进行对比以检验正演模型参数设置的正确性以及两者的拟合是否满足精度要求。显然该法对结构层材料介质参数识别的准确性将同时取决于正演模型的合理性、反算方法的有效性和实测数据的准确性。近几年，国内外不少学者围绕雷达波正演模型以及反算算法开展了相关研究。1)雷达波正演模拟正演模拟又称为回波模拟合成，它是利用地下介质模拟探地雷达响应，是基于雷达实测信号对材料介电特性进行反演计算的基础。国内从90年代初开始雷达波正演模型的研究，但研究仅局限于在低耗或无耗介质中讨论电磁波的动力学特性，即不考虑介电特性虚部对电磁波传播的影响。虽有一些单位开展了有耗介质中雷达电磁波正演传播模型的研究，但工作基本上是针对地质雷达中深层探测目标而言的，有关层状结构的雷达回波模拟方面的文献还很少。2)反算算法目前的研究有一个共同特点，就是对雷达波正演模型参数的调整都是采用手工试算的方法，使用逐步逼近的方式去拟合已测得的雷达波反射信号，找出在试算过程中最接近实测信号的正演结果以及其对应的介质参数，由此来确定模型参数。该方法过程繁琐，带有较强的人为主观性和随意性，要求分析计算人员具有较强的实际工程经验，能随时根据正演模型计算结果和实测信号之间的误差有针对性地调整有关参数。目前，国际上尚无一种科学、有效、快速的反算算法来解决基于正演模型的雷达波模拟信号和实测信号的拟合问题，参数调整完全依靠手工试算。这种现状极大地制约了探地雷达技术的发展，使得基于理论模型的GPR数据分析技术一直徘徊不前。目前，国际上建立在严密的理论模型基础上的GPR实用化分析软件尚处于空白状态，国内外实用化的GPR数据软件都是采用假设和经验公式直接对回波信号波形进行分析。可以看出，层状复合材料介电特性的研究是随着探地雷达发展起来的新课题，但由于理论模型及信号分析等方面的困难，探地雷达应用技术远未步入成熟阶段，其介电特性反演理论在国内外尚处于空白，造成路面雷达应用技术长期以来依赖于简化公式或根据经验人工调试参数。理论模型不完善，特别是缺乏快速严谨的介电特性反演方法，是造成探地雷达应用技术长期徘徊不前的根本原因。
技术实现思路
本专利技术针对探地雷达应用技术存在的问题，基于电磁波基本理论，从Maxwell方程着手，研究了探地雷达电磁波在层状介质中的传播特性，建立了反映路面材料特性的探地雷达电磁波在层状介质中的正演传播模型，对现行的简化模型做了重大改进。该模型理论上更严谨、并更接近于工程实际。以此模型和系统灵敏度分析理论为基础，创立了层状复合材料介电特性识别技术，为探地雷达应用技术提供了严密的理论基础。本专利技术的解决方案是一种层状复合材料介电特性识别技术，首先，建立了反映路面材料特性的探地雷达电磁波在层状介质中的正演传播模型；实现方法如下将探地雷达应用于层状介质检测时，其电磁场满足的Maxwell方程可表示为∂2E∂z2=-(ω2μϵ-jωμσ)E---(1)]]> 其中E为正弦时变电场矢量E0ejωt的实部；E0为电场矢量幅值；ω为角频率；z为沿传播方向的距离；μ为路面介质的磁导率；σ为介质的电导率；ε为介质的复介电常数；方程(1)的解为E＝E0e-jkz(2)其中k为传播常数，又称波数，且为一复数，其表达式为k=ωμ(ϵ+jσω)=α+jβ---(3)]]>k的实部α和虚部β分别为α=(ω2μϵ2)1/2{1/2+1}1/2---(4)]]>β=(ω2μϵ2)1/2{1/2-1}1/2---(5)]]>根据式(4)、(5)，可将式(2)表示为E＝E0e-βze-jαz(6)当电磁波在有耗介质中传播时，就会有能量的损耗和衰减；能量的衰减用传播因数T来反映T=e-jωcdcosθtϵ---(7)]]>其中θt为折射角，ω为入射波的角频率，d为结构层厚度，c为真空中的光速(3×108m/s)；当雷达电磁波垂直入射时，透射角θt为0，式(7)可简化为T=e-jωdcϵ---(8)]]>雷达发射的高频电磁波在层状介质中传播时，每遇到介电特性不同的界面就会发生折射和反射；当雷达电磁波垂直入射时，反射系数和折射系数分别为 R(n)=kn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种层状复合材料介电特性识别技术，其特征是：首先，建立了反映路面材料特性的探地雷达电磁波在层状介质中的正演传播模型；实现方法如下：将探地雷达应用于层状介质检测时，其电磁场满足的Ｍａｘｗｅｌｌ方程可表示为：＊↑［２］Ｅ ／＊ｚ↑［２］＝－（ω↑［２］με－ｊωμσ）Ｅ（１）其中：Ｅ为正弦时变电场矢量Ｅ↓［０］ｅ↑［ｊωｔ］的实部；Ｅ↓［０］为电场矢量幅值；ω为角频率；ｚ为沿传播方向的距离；μ为路面介质的磁导率；σ为介质的电导率；ε为介质的复介电 常数；方程（１）的解为：Ｅ＝Ｅ↓［０］ｅ↑［－ｊｋｚ］（２）其中ｋ为传播常数，又称波数，且为一复数，其表达式为：　ｋ＝ω＊＝α＋ｊβ（３）ｋ的实部α和虚部β分别为：α＝（ω↑［２］με ／２）↑［１／２］｛［１＋（σ／ωε）↑［２］］↑［１／２］＋１｝↑［１／２］（４）β＝（ω↑［２］με／２）↑［１／２］｛［１＋（σ／ωε）↑［２］］↑［１／２］－１｝↑［１／２］（５）根据式（４）、（５），可将式 （２）表示为：Ｅ＝Ｅ↓［０］ｅ↑［βｚ］ｅ↑［－ｊαｚ］（６）当电磁波在有耗介质中传播时，就会有能量的损耗和衰减；能量的衰减用传播因数Ｔ来反映：Ｔ＝ｅ＊＊＊（７）其中θ↓［ｔ］为折射角，ω为入射波的角 频率，ｄ为结构层厚度，ｃ为真空中的光速（３×１０↑［８］ｍ／ｓ）；当雷达电磁波垂直入射时，透射角θ↓［ｔ］为０，式（７）可简化为：Ｔ＝ｅ＊＊＊（８）雷达发射的高频电磁波在层状介质中传播时，每遇到介电特性不同的界面 就会发生折射和反射；当雷达电磁波垂直入射时，反射系数和折射系数分别为：Ｒ（ｎ）＝ｋ↓［ｎ］－ｋ↓［ｎ＋１］／ｋ↓［ｎ］＋ｋ↓［ｎ＋１］（９）Ｚ（ｎ）＝２ｋ↓［ｎ］／ｋ↓［ｎ］＋ｋ↓［ｎ＋１］（１０）其中，Ｒ（ ｎ）、Ｚ（ｎ）分别为电磁波在第ｎ层与第ｎ＋１层界面上的反射系数和折射系数；ｋ↓［ｎ］、ｋ↓［ｎ＋１］分别为电磁波在第ｎ层与第ｎ＋１层介质中的传播常数；应用高频雷达进行检测时，ω远大于σ，对于非磁性材料，其μ′≈１，于是，式（９）和式 （１０）可简化为：Ｒ（ｎ）＝＊＊＊（１１）Ｚ（ｎ）＝＊＊＊（１２）式中：ε↓［ｎ］、ε↓［ｎ＋１］分别为第ｎ层与第ｎ＋１层介质...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王复明，张蓓，蔡迎春，钟燕辉，刘文廷，李强，
申请(专利权)人：郑州大学，郑州丹纳特检测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]