一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，建立公路鋪設(shè)層狀介質(zhì)模型，選擇天線工作高度；確定收發(fā)天線的初始位置、移動步長、測量點數(shù)，記錄每個測量點位置，在每個測量點上采集探地雷達回波信號；從探地雷達回波信號中提取直達波、地波以及各個界面反射波雙程走時；根據(jù)天線工作高度和地波與直達波的雙程走時差，計算得到面層介電常數(shù)，根據(jù)面層反射電磁波雙程走時，利用CMP法計算得到面層厚度；在CMP法中引入路徑搜索過程，在各層分界面上選取電磁波傳播折射點，使該條路徑對應(yīng)的雙程走時最短；使用遺傳算法求解方程，計算出基層的厚度和介電常數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)提高了參數(shù)反演的精度和效率，為公路質(zhì)量監(jiān)測提供一種無損、快速、準(zhǔn)確的方法。方法。方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法


[0001]本專利技術(shù)屬于探地雷達
，涉及一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，特別是一種基于共中心點的公路介質(zhì)參數(shù)反演方法。

技術(shù)介紹

[0002]公路質(zhì)量是保障城市經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，公路各層介質(zhì)的厚度和介電常數(shù)是評價公路質(zhì)量的重要指標(biāo)。公路是按照從下至上的方式，逐層鋪設(shè)不同材料而形成的層狀結(jié)構(gòu)，分為墊層、基層和面層。鋪設(shè)的材料有瀝青、混凝土、干土、含水土等，各層之間具有分界明顯的特點。對道路質(zhì)量進行評估時，各介質(zhì)層強度、含水率、孔隙率等是重要指標(biāo)，這些指標(biāo)的改變，會導(dǎo)致公路介質(zhì)層介電參數(shù)的改變。通過測量公路各層的厚度，可以評價公路各層的均勻性，以防出現(xiàn)脫空、沉陷等病害。通過測量公路各層的介電常數(shù)，可以評價公路各層的含水量及空隙率，以防出現(xiàn)翻漿、龜裂等病害。因此，無損、快速、準(zhǔn)確地獲知公路的層厚及介電常數(shù)信息，是公路質(zhì)量檢測待解決的重要問題。
[0003]公路質(zhì)量檢測的常用方法可以分為直接法和間接法。直接法包括鉆孔取芯法、挖探法等。直接法具有簡單、直觀的優(yōu)點，但成本高、效率低，且破壞了路面結(jié)構(gòu)，而且具有隨機性，無法滿足現(xiàn)代公路檢測的需求。間接法包括高密度電阻率法、波速法和電磁波透視等。這些方法易受到介質(zhì)含水量、測量儀器參數(shù)等外界因素影響，分辨率較低，并不能滿足實際檢測的需要。
[0004]隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的公路質(zhì)量檢測技術(shù)已經(jīng)不能滿足實際需求。探地雷達是近幾年發(fā)展迅速的無損探測技術(shù)。探地雷達發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波在向下傳播時，如果遇到具有電性差異的物體，將會發(fā)生反射、折射和散射，接收天線接收到反射信號并放大為接收信號，即單道數(shù)據(jù)。隨著天線在側(cè)線上移動，多個測量點的單道數(shù)據(jù)構(gòu)成雷達剖面圖并通過計算機系統(tǒng)實時顯示在屏幕上，即多道數(shù)據(jù)組成的平面圖。通過處理分析雷達剖面上的振幅、波形、雙程走時等，可以判斷測線下方目標(biāo)的位置、幾何形態(tài)、地下結(jié)構(gòu)分層情況與各層介質(zhì)的電性參數(shù)等重要信息。使用探地雷達對公路進行質(zhì)量檢測，避免了對公路結(jié)構(gòu)的破壞并加快了檢測速度和檢測面,提高了公路質(zhì)量評價的可靠性和準(zhǔn)確性，為公路質(zhì)量檢測提供了新思路。
[0005]在傳統(tǒng)的公路檢測中，通常采用共中心點法(CMP)來確定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，CMP是從探地雷達數(shù)據(jù)中估算公路各層介電常數(shù)和厚度的標(biāo)準(zhǔn)方法。然而，事實證明，當(dāng)天線安裝在地表附近且間隔較大時，CMP在處理探地雷達數(shù)據(jù)時不能給出準(zhǔn)確的介質(zhì)參數(shù)信息。
[0006]劉仁杰等在《信號處理》(2021,37(11):2164
?
2170)上發(fā)表的“基于遺傳算法的探地雷達層狀介質(zhì)參數(shù)反演算法”設(shè)計了一種探地雷達層狀介質(zhì)參數(shù)反演的方法，旨在從探地雷達回波數(shù)據(jù)中提取介質(zhì)的介電常數(shù)和層厚，改善了傳統(tǒng)算法反演介質(zhì)參數(shù)誤差大的問題。但是該方法在天線間隔增大時，反演介質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性會降低。因此實現(xiàn)探地雷達數(shù)據(jù)的快速采集，并對采集的回波數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確、高效地數(shù)據(jù)反演，能夠有效提高公路質(zhì)量檢測
的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是提供一種基于共中心點的公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，能夠?qū)崿F(xiàn)無損、快速、準(zhǔn)確的公路質(zhì)量檢測。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，包括以下步驟：
[0009]步驟1：建立公路鋪設(shè)層狀介質(zhì)模型，包括面層、基層和墊層，面層和基層分界面為第一界面，基層和墊層分界面為第二界面；
[0010]步驟2：在步驟1得到的層狀介質(zhì)模型下，根據(jù)公路表面電磁波傳播速度與收發(fā)天線的高度關(guān)系選擇天線工作高度；
[0011]步驟3：在選定路段確定收發(fā)天線的初始位置、移動步長、測量點數(shù)，記錄每個測量點的位置，并在每個測量點上采集探地雷達回波信號；
[0012]步驟4：從探地雷達回波信號中提取直達波、地波以及各個界面反射波的雙程走時；
[0013]步驟5：根據(jù)所述天線工作高度和地波與直達波的雙程走時差，計算得到面層的介電常數(shù)，根據(jù)第一界面反射電磁波的雙程走時，利用CMP法計算得到面層的厚度；
[0014]步驟6：根據(jù)步驟4得到的第二界面反射波與直達波的雙程走時差，將各個測量點雙程走時的表達式轉(zhuǎn)換成關(guān)于基層介電常數(shù)和層厚的方程，在CMP法中引入路徑搜索過程，在各層分界面上選取電磁波傳播的折射點，使該條路徑對應(yīng)的雙程走時最短；使用遺傳算法求解方程，計算出基層的厚度和介電常數(shù)。
[0015]進一步的，使用GPRMax軟件模擬公路鋪設(shè)情況，建立層狀介質(zhì)模型。
[0016]進一步的，步驟2中根據(jù)公路表面電磁波傳播速度與收發(fā)天線的高度關(guān)系，選擇天線工作高度具體為：
[0017]步驟2.1：控制收發(fā)天線的距離不變，改變天線距離路面的高度，從回波信息中提取直達波的走時；
[0018]步驟2.2：改變天線工作高度，并計算相應(yīng)高度下電磁波在空氣中的傳播速度，當(dāng)波速與光速的誤差小于預(yù)設(shè)值時，此時的天線高度即為合適的工作高度。
[0019]進一步的，步驟4中從探地雷達回波信號中提取直達波、地波以及各個界面反射波的雙程走時具體為：
[0020]取各個測量點的回波信號，記錄直達波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N
d
、地波對應(yīng)的采樣點數(shù)N
g
、第一個界面反射波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N1、第二個界面反射波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N2，
[0021]直達波的雙程走時t
d
具體為：
[0022]t
d
＝N
d
/Δf
[0023]地波的雙程走時t
g
具體為：
[0024]t
g
＝N
g
/Δf
[0025]第一界面反射波的雙程走時t1具體為：
[0026]t1＝N1/Δf
[0027]第二界面反射波的雙程走時t2具體為：
[0028]t2＝N2/Δf
[0029]其中，Δf為信號的采樣率。
[0030]進一步的，面層的介電常數(shù)具體為：
[0031][0032]其中，c是電磁波在空氣種的傳播速度，Δt0是地波與直達波的時間差，Δt0＝t
g
?
t
d
，L是收發(fā)天線距離的一半，h是步驟二得到的天線工作高度。
[0033]進一步的，利用CMP法計算得到面層的厚度具體為：
[0034][0035]其中，c是電磁波在空氣種的傳播速度，t1是第一界面反射波的雙程走時，ε
r1
是面層的介電常數(shù)，L是收發(fā)天線距離的一半。
[0036]進一步的，步驟6包括：
[0037]步驟6.1：根據(jù)第二界面反射波與直達波的雙程走時差，將各個測量點雙程走時的表達式轉(zhuǎn)換成關(guān)于基層介電常數(shù)和厚度的方程，并引入路徑搜索過程：
[0038][0039]ε
r1
,ε
r2
分別為面層和基層介質(zhì)的介電常數(shù)，d1,d2分別為面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：建立公路鋪設(shè)層狀介質(zhì)模型，包括面層、基層和墊層，面層和基層分界面為第一界面，基層和墊層分界面為第二界面；步驟2：在步驟1得到的層狀介質(zhì)模型下，根據(jù)公路表面電磁波傳播速度與收發(fā)天線的高度關(guān)系選擇天線工作高度；步驟3：在選定路段確定收發(fā)天線的初始位置、移動步長、測量點數(shù)，記錄每個測量點的位置，并在每個測量點上采集探地雷達回波信號；步驟4：從探地雷達回波信號中提取直達波、地波以及各個界面反射波的雙程走時；步驟5：根據(jù)所述天線工作高度和地波與直達波的雙程走時差，計算得到面層的介電常數(shù)，根據(jù)第一界面反射電磁波的雙程走時，利用CMP法計算得到面層的厚度；步驟6：根據(jù)步驟4得到的第二界面反射波與直達波的雙程走時差，將各個測量點雙程走時的表達式轉(zhuǎn)換成關(guān)于基層介電常數(shù)和層厚的方程，在CMP法中引入路徑搜索過程，在各層分界面上選取電磁波傳播的折射點，使該條路徑對應(yīng)的雙程走時最短；使用遺傳算法求解方程，計算出基層的厚度和介電常數(shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于：使用GPRMax軟件模擬公路鋪設(shè)情況，建立層狀介質(zhì)模型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于：步驟2所述根據(jù)公路表面電磁波傳播速度與收發(fā)天線的高度關(guān)系選擇天線工作高度具體為：步驟2.1：控制收發(fā)天線的距離不變，改變天線距離路面的高度，從回波信息中提取直達波的走時；步驟2.2：改變天線工作高度，并計算相應(yīng)高度下電磁波在空氣中的傳播速度，當(dāng)波速與光速的誤差小于預(yù)設(shè)值時，此時的天線高度即為合適的工作高度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于：步驟4所述從探地雷達回波信號中提取直達波、地波以及各個界面反射波的雙程走時具體為：取各個測量點的回波信號，記錄直達波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N
d
、地波對應(yīng)的采樣點數(shù)N
g
、第一個界面反射波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N1、第二個界面反射波波峰對應(yīng)的采樣點數(shù)N2，直達波的雙程走時t
d
具體為：t
d
＝N
d
/Δf地波的雙程走時t
g
具體為：t
g
＝N
g
/Δf第一界面反射波的雙程走時t1具體為：t1＝N1/Δf第二界面反射波的雙程走時t2具體為：t2＝N2/Δf其中，Δf為信號的采樣率。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于：所述面層的介電常數(shù)具體為：
其中，c是電磁波在空氣種的傳播速度，Δt0是地波與直達波的時間差，Δt0＝t
g
?
t
d
，L是收發(fā)天線距離的一半，h是步驟二得到的天線工作高度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種公路介質(zhì)參數(shù)反演方法，其特征在于：所述利用CM...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李一兵，李思旗，葉方，田園，湯春瑞，孫騫，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：