基于GprMax3.0的探地雷达混凝土空洞目标正演模拟与试验分析

发布时间：2020-10-26 14:27

　　 近年来,我国的隧道工程技术发展非常迅速,公路隧道、铁路隧道、城市地铁隧道的发展可谓是齐头并进,我国已然成为世界隧道工程第一大国。但受到水文、地质、气候等自然条件和施工、运营等人为条件的影响,隧道衬砌会出现不同程度的质量缺陷及病害,这些缺陷和病害会影响到隧道的运营安全和使用寿命,甚至导致安全事故。为了保证隧道的正常通行,必须定期对隧道衬砌进行检测和评估。目前探地雷达已经成为了隧道检测的首选技术手段,由于受到地形、地质条件,以及施工质量等诸多因素的影响,衬砌缺陷的成因和形态比较复杂,在实际探测中对衬砌缺陷的检测和识别仍然存在着一些难题。在隧道衬砌的诸多缺陷中,对衬砌空洞的有效识别是不能忽视的一个重要课题,为了探究隧道衬砌内部空洞的雷达图像所呈现的规律,本文基于时域有限差分法(FDTD),运用GprMax3.0软件开展了如下工作:(1)建立了不同大小、不同形状、不同深度和不同填充介质的混凝土空洞模型,对这些空洞模型进行正演模拟,得到雷达图谱,分析并总结了这些典型空洞模型的雷达成像规律,得出了判别空洞的大小、埋深、形状以及空洞中所含介质类型的理论依据,为空洞目标的实测和有效识别奠定了理论基础。(2)设计了空洞物理模型试验,使用RAMAC系列雷达X3M主机和Groundvision2数据采集软件完成了空洞模型的试验和数据的收集和整理工作。对收集到的数据进行背景去除和F-K滤波处理,得到雷达实测结果中空洞目标的有效信息,找到了空洞目标的大致位置及尺寸,对处理后的雷达图像和正演模拟结果进行对比分析,对正演模拟结果的准确性进行了验证。(3)结合工程实例对隧道衬砌检测结果进行分析,找到了位于隧道衬砌背后的不密实区域,并对不密实区域的位置作出了判断,提出了相应的解决办法,对隧道衬砌的质量作出了评价。本论文分析方法为隧道衬砌空洞的检测和有效识别提供了新的思路,为运用探地雷达对隧道衬砌质量进行检测、评估以及健康诊断奠定了初步的技术基础和理论依据。
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U456
【部分图文】：

性的介质时会发生反射、折射以及衍射，反射的电磁波被接收天线所接收，经过信号处??理和数据分析形成雷达波的反射图像，根据反射波的波形特征和振幅等情况可以推测出??地下介质的分布情况及属性。探地雷达工作原理较为简单，如图２．１所示。??ＴｘＣ３?Ｘ?＾＞Ｒｘ??轚鼸酱雄ｓｇ雄＞＾鼸蘧鑤齎軀馥遊酱ｓ篇ａｓ逾雄螌題趣ｓｓｓ轚級ｋ轚ｙ酱驩繳磁發鱅轚Ｉ??图２．１探地雷达工作原理图??１０??

分界面发生发射，另一部分入射波穿过分界面传播到介质２中。假设这两种介质的介电??系数和磁导率分别为（＾，／／Ｉ）和（〇，?￥），电磁波在两个介质边界上的反射和折射如??图２．２所示。??入射??介质丨?ａ?反射波??賴懸＿賴＿??图２．２电磁波的反射与折射??用０／，０，．，和０，分别表不入射角、反射角和折射角，波阻抗Ｚ?＝?反射波的??电场强度与入射波电场强度幅值的比值为反射系数ｉ？，折射波电场强度与入射波电场强??度的比值为透射系数Ｔ。从介质１和介质２界面的反射系数和透射系数可以用公式（２．５）??和公式（２．６）表７Ｋ，透射率Ａ？的表达式见式２．７。??＝Ｚ２ｃｏｓｄｒＺｌｃｏｓｅｔ??１２?Ｚ２ｃｏｓ９ｉ＋Ｚｘｃｏｓ６ｔ?？??Ｔ?２Ｚ１ｃｏｓ６ｉ??１２?Ｚ＾ｃｏｓｄ＾Ｚｘ?ｃｏｓ６ｔ??ｓｉｎＯｊ??”?（２．７）??１２??

图２．３菲涅尔带示意图??波到达介质分界面时会以一个中心点发生反射，这些反射波彼此能量累加或相减的干涉带，也叫菲涅尔带。在第一菲涅尔带内，差为Ａ／２，此时电磁波发生的是同向叠加，反射波得到了加强；条反射波的光程差为Ａ，这时电磁波反向叠加，电磁波的振提出前后两个反射波的波程差不应该超过四分之一波长，ＡＪ．Ｂｅｒ超过八分之一波长。通常可以用式（２．９）来计算雷达能探测的最Ａ／？?＝?ｙｆｌｄ?＝?—??；代表目标深度，单位为ｍ。??直分辨率??
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本文编号：2857116