探地雷达定量估算多相离散随机介质空隙率方法研究

发布时间：2019-11-29 21:13

【摘要】：沥青混凝土是典型的多相离散随机介质,为了研究沥青混凝土各结构层的空隙率与探地雷达波场特征之间的关系,本文基于沥青混凝土各结构层对应的多相离散随机介质模型参数,应用量化约束多相离散随机介质模型建模算法,构建了不同空隙率的多相离散随机介质三维模型,并基于商用屏蔽型蝶形天线三维模型数值模拟了探地雷达波在其中的传播特征,研究了多相离散随机介质空隙率与探地雷达波场特征之间的关系.研究结果表明:在半无限空间中,多相离散随机介质的空隙率越大,探地雷达波散射越强烈、地面直达波正相位振幅越强;对于上、中、下面层厚度分别为4 cm、6 cm、8 cm的层状多相离散随机介质,地面直达波正相位振幅强度主要取决于上面层多相离散随机介质空隙率大小,受中面层多相离散随机介质空隙率的影响较小;地面直达波负相位的振幅强度主要与中面层多相离散随机介质空隙率大小相关,其振幅强度随空隙率的增大而增强,且地面直达波正、负相位振幅强度与下面层多相离散随机介质空隙率无关;下面层多相离散随机介质的空隙率与下层介质分界面之间的反射波振幅强度成正比例关系.研究结果为探地雷达定量估算沥青混凝土各结构层的空隙率提供了理论依据.
【图文】：

波形,离散随机介质,空隙率,多相

2016，31(4)郭士礼，等:探地雷达定量估算多相离散随机介质空隙率方法研究(www．progeophys．cn)图1不同空隙率的多相离散随机介质三维模型(a)空隙率=4%;(b)空隙率=8%．Fig．1Three-dimensinalmodelsofMultiphasediscreterandommediumwithdifferentporosities相离散随机介质三维模型(沥青胶浆率=1－空隙率－骨料率)，模型网格数200×200×200，网格间距Δx=Δy=Δz=0.5cm，图1给出了空隙率分别为4%、8%(模型编号为A5、A9)的多相离散随机介质三维模型．沥青混凝土中面层与下面层对应的不同空隙率的多相离散随机介质三维模型建模方法与此类似．2半无限空间中空隙率对探地雷达波场的影响在探地雷达三维数值模拟中，激励源通常采用理想化的点源，而在探地雷达检测路面质量时使用的通常是商用屏蔽型蝶形天线．点源不具备商用屏蔽型蝶形天线的以下特征:(1)商用屏蔽型蝶形天线为有方向性天线(Lampeetal．，2003);(2)商用屏蔽型蝶形天线为典型的线极化天线(ＲadzeviciusandDaniels，2000);(3)商用屏蔽型蝶形天线通常具有波形拖尾和振铃效应(Uduwawalaetal．，2004);(4)商用屏蔽型蝶形天线通常设计为吸波材料填充的背腔式屏蔽天线(LampeandHolliger，2005;UduwawalaandNorgren，2006)．时域有限差分(Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD)法能精确描述蝶形天线的几何特征，，方便灵活地实现电阻加载和背腔及吸波材料的设计．为此，本文依据主频为900MHz的某商用屏蔽型蝶形天线的几何特征、激励源、电阻加载形式、屏蔽吸波机理，建立其三维FDTD模型．为了研究探地雷达波在不同空隙率的沥青混凝土上面层中的传播特征，作者对半无限空间中的不同空隙率的多相离散随机介质进行探地雷达三维数值模拟．模型区域网格数为150×120×120(x×y×z)，空

拟合曲线,离散随机介质,快照,多相

地球物理学进展www．progeophys．cn2016，31(4)图2电场分量在不同空隙率多相离散随机介质中的波场快照(a)、(c)、(e)中空隙率为4%;(b)、(d)、(f)中空隙率为8%;(a)、(b)为三维波场快照;(c)、(d)为Eplane面上的二维波场快照;(e)、(f)天线所在平面的二维波场快照．Fig．2Wave-fieldsnapshotsofindifferentporositiesmultiphasediscreterandommedium线为式(2)的拟合曲线．从图中可以看出，两条拟合曲线基本重合，地面直达波正相位振幅强度随多相离散随机介质空隙率的增大而增强，具有明显的规律性．3层状介质中空隙率变化对探地雷达波场的影响公路路面结构层为典型的层状结构，因此模拟层状多相离散随机介质不同空隙率的探地雷达波场特征，更有助于定量估算沥青混凝土各结构层的空隙率．作者依据公路沥青混凝土面层的层状结构，设计了一个四层体系结构的层状介质模型，从上往下依次为:1)厚度为4cm的细粒式沥青混凝土上面层;2)厚度为6cm的中粒式沥青混凝土中面层;3)厚度为8cm的粗粒式密级配沥青混凝土下面层;4)最下层为介电常数εr=11的均匀介质．第一、二和三层均为多相离散随机介质．1812

【参考文献】