西部交通建设科技项目管理中心.docx
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西部交通建设科技项目管理中心
公路路基探测技术研究
报告简本
0项目概况
0.1项目背景及意义
近年来,我国公路建设快速发展的同时,其间存在的道路隐患也逐渐显现,尤其对公路质量状况的检评技术不能同步发展,在公路路基质量状况检测方面缺少有效的方法和手段。
传统的人工养护及钻孔取芯等传统检测方法路上作业危险性大,难以发现道路基础内部的病害隐患,通常只有等到路基病害影响到路面时才会被发现,因此传统方法检测效率低、安全性差、影响交通,对公路具有很强的破坏作用,不能满足现代公路发展的需要。
探地雷达通过向地下发射宽频短脉冲高频电磁波,利用不同地下介质的电性特性及其分界面对电磁波的反射原理,通过分析来自地下介质的反射电磁波的振幅、相位和频谱等运动学和动力学特征来分析、推断地下介质结构和物性特征、识别地下目的体,具有实时连续、高精度、快速和无损等特点。
探地雷达技术还能够预先识别路基内部的脱空、裂隙、沉陷和严重疏松等病害隐患;结合专门开发的数据处理分析软件和数据库系统,可以定量检测路基的含水量等质量状况的重要参数。
公路养护部门通过定期检测和分析,可以动态监控路基质量状况和发展趋势;结合道路的路面质量状况进行综合分析,可以制定合理的修补方案,既能有效地降低养护成本,又降低了对公路运营所造成的影响,提高了路上作业的效率和人员安全性,研究探地雷达技术进行路基质量状况检测具有广阔的市场前景及巨大的经济效益和社会效益。
0.2目的
研究公路路基检测技术的主要目的在于采用探地雷达技术作为主要的检测手段,通过室内模拟和物理模型,研究路基病害的电磁波响应特征及规律,研究病害识别算法,研究路基含水率和空隙率的电磁波响应模型,开发病害数据库,开发公路路基探测专用软件系统等内容。
研究目的改变以往只能依赖经验丰富的物探技术人员进行探地雷达数据处理和分析的状况,减小由于仪器、解释人员等不同因素对解释结果所造成的影响,降低解释的难度,提高解释结果的准确性;提交公路部门所惯用的评价指标的定量检测结果,并将病害的空间位置信息和物性信息分类存储,为道路养护、评价提供准确可靠的数据支持,更好地服务于全国公路养护工作。
0.3研究工作概况。
本项目以北京星通联华科技发展有限公司为项目承担单位,联合中国地质大学(北京)、中国矿业大学(北京)和长安大学等高等学府开展研究工作。
由我公司在中国矿业大学和中国地质大学设立的公路工程物探研究中心承担项目中的模型正演和反演研究、理论计算公式建立、病害识别和成像技术研究、路基质量评价参数计算和使用处理软件的开发工作。
长安大学负责物理实验模型设计、公路质量状况评价等相关技术咨询和指导工作。
依托工程的实施主要由北京星通联华科技发展有限公司负责并组织实施,依托工程所属各单位予以必要的配合并负责工程实施过程中的相关协调工作和常规土工试验的检测结果验证工作。
项目依托和参加单位:
甘肃省交通厅长达路业有限责任公司、河南中原高速公路股份有限公司、湖北楚天高速公路股份有限公司和北京首都高速公路发展有限公司,主要负责完成依托工程现场检测的协调、常规土工试验的原位测试验证工作。
1.项目基本情况
1.1考核指标及完成情况
序号
考核指标
完成情况
1
选配出一套公路路基探测的专用探地雷达系统
设备:
选配意大利
软件:
GR地质雷达处理分析系统
2
出一本公路路基探测专著
完成,专著名称”公路路基地质雷达地质雷达探测技术研究”
3
发表论文3篇左右
目前发表论文7篇
4
培养研究生7名,其中博士学位2名
5
专用于公路的探地雷达分析处理软件
已完成,并于2008年获得软件著作权
6
公路典型病害数据库
已完成
7
定量计算数学模型
已经完成
8
完成软件测试
9
完成示范应用
1.2主要完成内容
1.2.1完成了基于电磁波对病害响应特征研究
1.数值模型研究
A.基于麦克斯韦方程,推导了二维和三维的FDTD方程;
B.建立了Mur和PML吸收边界条件;
C.对路基存在的典型病害:
松散、空洞和脱空进行数值模拟和分析;
D.总结了电磁波对不同病害模型的响应特征。
2.物理模型研究
A.建立了实验室模型,并对模型的电性参数进行测试,对雷达测试进行了分析;
B.对现场的室外模型包括空洞、松散和脱空进行了测试分析;
C.总结的电磁波对物理模型的响应特征。
3.CT空间成像算法研究
A.对两大类不同重建方法(变换法和代数法)中的主要算法进行模拟仿真。
B.建立了代数重建算法(ART)和联合迭代重建算法(SIRT)。
(1)建立模型:
(2)模型参数:
(3)数值模拟结果:
1.2.2完成了病害信号提取算法研究
A.研究并开发了一维滤波、小波变换、反褶积、子波相干加强等算法模块;
B.研究并开发了水平预测滤波和滑动水平滤波算法模块;
C.研究并开发二维滤波处理模块;
D.对所有模块进行试算,对现场数据进行了处理应用。
二维滤波效果对比小波变换效果对比
1.2.3完成病害识别、分析算法及定量解释模型研究
A.研究了公路厚度评价规范,开发了公路厚度质量评价算法模块;
B.研究了支持向量机病害识别算法,并给出了算法流程和仿真计算分析;
C.研究了功率谱对病害响应特征研究,设计了算法流程并实现算法模块;
D.研究了ARMA谱分析算法响应特征,设计了算法流程并实现算法模块;
E.研究了滚动谱的计算方法,并对滚动参数选取进行了研究;
F.建立了谱能量计算含水性和空隙率分析模型。
(1)公路评价层位、评价模块及输出结果
(2)功率谱、现代谱和支持向量机病害识别算法研究成果
(3)现代滚动谱分析:
(4)含水性和空隙率分析模型:
平面波在导电媒质中传播时,振幅不断衰减的物理原因是由于电导率引起的热损耗,所以导电媒质又称为有耗媒质,而电导率为零的理想介质又称为无耗媒质。
要想利用探地雷达技术探测地下介质含水率的大小,首先就要建立起雷达信号的变化规律与介质含水率之间的关系。
这一方面已有一些学者开展了相关研究。
其中最著名的是Topp(1980)通过实验给出的土壤介电常数
与土壤含水率
之间的关系:
实践证明上述实验公式可以在不同类型、成分的土壤条件下取得较高的精度(Jacobsen和Schjonning,1994)。
更多的学者(如Dobson1985,Roth1990,Friedman1998,Jones和Friedman2000)则是建立土壤不同组成成分的介电常数和含量多少(包括含水率的多少)与土壤整体介电常数之间的关系模型。
在这些模型中,土壤整体介电常数与土壤颗粒、土壤中含水率以及土壤中的空气含量之间的关系可以用如下ComplexRefractionIndexModel(CRIM)模型来描述
其中,
为土壤整体介电常数,
为土壤含水率,
为土壤的孔隙度,
、
及
分别为土壤颗粒、水及空气的介电常数。
系数
与电场方向和土壤构造的相对关系有关,当电场与土层平行时,
=1;两者垂直时,
=-1;当土壤各向同性时,
=0.5。
对于大多数情况,取
=1,
=0.5,由上式可以获得土壤含水率与土壤介电常数之间的关系式:
上述表明前人的研究主要集中在土壤含水率与土壤整体介电常数之间的关系,这些关系式在测量土壤含水率方面取得较好效果,但不能直接用于描述其它介质的含水率与介质介电常数之间的关系。
在其它介质研究方面,S.Laurens等研究了混凝土材料中含水率变化与雷达信号之间的关系,讨论了雷达信号的速度、介电常数、幅值及相位与含水率之间的关系。
LanboLiu等研究了沥青材料中孔隙度、含水率与整体介电常数之间的关系,研究表明:
在干燥条件下,介质孔隙度的变化对整体介电常数影响不大;随着含水率的增加介质整体介电常数明显增大。
但研究尚不够深入。
总之,当固体物质含水后,电磁波的传播变得更加复杂,介质的电阻特性和迟豫作用共同造成能量的耗散。
通过数值模拟和物理实验了解探地雷达波在介质中空间和时间的传播规律与含水率的关系,寻找最灵敏的参数,反过来就可以指导探地雷达技术探测地下介质含水率的应用。
通过对某公路路面基层级配材料雷达检测频谱分析结果与现场取样试验室分析结果对比,归纳总结出对应于路面基层材质雷达波峰谱面域(Fd)与不同介质元素的峰谱面域(如Fw、Fa、Fs)构成比例关系。
通过以下经验公式可计算出不同介质元素对应峰谱面域的比值来得到其含量(%)。
a.含水量:
b.孔隙率:
c.骨料配比:
计算结果:
含水量=7.5%孔隙率=19.5%骨料配比=21.0%
路面基层(级配层)雷达波谱主要介质元素频域分布图
1.2.4完成了病害数据库设计
A.在需求分析基础上,对病害数据库中的数据字典进行设计;
B.设计并开发了病害数据库迁移系统
C.设计并开发了病害数据库管理系统
数据库结构及界面:
1.2.5实现了三维模型算法研究
A.研究了三种网格化算法,并开发相应模块;
B.设计:
三维平面系统、三维等高模型系统和三维立体模型系统相应数据结构,并开发相应模块。
1.2.6开发了雷达处理分析系统
完成了项目管理、输入输出、标记管理、里程管理、处理系统、数据分析、资料解释系统、数据编辑八大功能。
2.主要技术成果
2.1攻克的关键技术
本任务研究过程中解决如下关键技术:
1.通过物理模型和数值模型研究,提取了路基病害的时间响应和频率响应特征。
通过模型研究及实验,路基对电磁波的相位、频率和反射能量进行研究,尤其对路基病害的时域和频率特征进行总结分析,为后期工作顺利进行提供重要依据。
2.针对探地雷达探测过程中存在的不同干扰源,研究了噪声处理算法,并开发了相应的处理模块。
针对垂向干扰信号,研究了一维滤波、小波变换、反褶积、子波相干加强等算法;针对横向干扰信号,研究了水平预测滤波和滑动水平滤波;针对视速度变化的干扰信号,研究的二维滤波。
通过资料处理,增强了路基响应信号,为资料的解释提供技术保障。
3.基于ARMA谱、功率谱和支持向量机技术,建立了探地雷达探测路基病害的识别算法。
通过对比探地雷达探测时间剖面和谱值剖面特征,减小了人为判度病害存在的不确定性,提高了病害的识别效率。
4.建立了病害含水和空隙率计算的模型,实现了探地雷达从运动学分析到物性分析的转换。
5.设计了三维模型结构,建立了三维模型显示控制模式。
2.2取得的主要成果
本研究任务开发了探地雷达处理分析及病害数据库软件系统,拥有全部自主知识产权。
取得1项核心研究成果,建立了探地雷达探测路基病害的理论体系。
本研究任务采用模型研究与现场应用相结合路线,通过理论分析、算法研究、软件开发和示范应用等技术手段,对探地雷达探测中的路基电磁波响应特征、弱信号提取和分析算法、病害识别算法、路基含水率和空隙率模型、三维显示技术和病害数据库等关键内容进行了综合细致的研究。
因此该项核心成果包括了上述众多子项成果的内容。
2.3创新点
1.将PML和Mur吸收边界条件相结合,在PML介质吸收层的外侧增加了Mur吸收边界条件,与传统单一的PML边界条件相比,提高了模型数值模拟的计算速度和边界吸收效果。
2.在模型计算的基础上,提出了短时滚动现代功率谱剖面的解释策略,并建立了完整的ARMA滚动谱快速计算方法,为道路病害雷达探测提出了一种新的解释方法,并提高了解释精度。
3.提出了路基物性解释模型。
4.在处理上提出了水平预测滤波算法。
5.将支持向量机方法引入GPR信号处理领域,分析了探地雷达回波信号特征和特征提取算法,提出了单一特征和复合特征的基于支持向量机探地雷达回波信号识别算法。
2.4论文发表情况
主要作者
论文/专著题目
期刊名称
出版年月
杨峰、张全升、王鹏越
地质雷达探测路基理论与应用
中国交通出版社
2009.6
杨峰
雷达探测桥头搭板脱空解释方法研究
公路交通科技
2009.4
杨峰
衬砌脱空雷达波数字模拟与定量解释
铁道学报
2008.10
杨峰
地质雷达探测空洞解释方法研究
中国地球物理
(第二十四届年会)论文集
2008.10
杨峰、王鹏越
地质雷达检测路基注浆效果
技术方法研究
公路交通科技
(应用技术版)
2006.12
杨峰、张全升
地质雷达拾取路基异常编辑
系统软件的设计
公路交通科技
(应用技术版)
2006.9
张全升、谷乾龙、王鹏越
基于三位一体化公路病害检测方法的病害决策支持系统研究
公路交通科技
(应用技术版)
2006.9
杨峰
基于谱剖面技术的路基病害
地质雷达探测方法研究
公路交通科技
2006.5
2.5研究生培养情况
序号
学生
姓名
论文名称
所属单位
学位
名称
学生
状态
毕业日期
1
翟波
道路病害探地雷达解释方法研究
中国矿业大学
(北京)
博士
研究生
毕业
2008.03
2
邹华胜
基于支持向量机的道路病害解释
中国矿业大学
(北京)
博士
研究生
毕业
2008.12
3
杨敏
基于小波包的雷达图像局部奇异信号提取
中国矿业大学
(北京)
硕士
研究生
毕业
2008.07
4
尚高峰
基于雷达射线的计算机层析成像算法研究
中国矿业大学
(北京)
硕士
研究生
毕业
2008.07
5
闫春平
高速雷达解释软件模型研究与开发
中国矿业大学
(北京)
硕士
研究生
毕业
2009.07
2.6.依托工程及其与科研结合情况
序号
依托工程
时间
检测里程(Km)
工程内容
1
湖北楚天高速
2004年
99×6
路基病害检测
2
甘肃柳忠高速
2005年
35×4
路基病害检测
3
甘肃徐树路改建
2005年
32×2
路基病害检测
4
长安街
2006年
10×4
路基病害检测
5
首都机场东跑道
2006年
4×12
道基病害检测
6
河南京珠高速
2006年
18×4
路基病害检测
7
北京首发高速
2006年
174×4
路基病害检测
9
山东京福高速
2007年
12×4
路基病害检测
10
山西祁临高速
2007年
32
路基病害检测
11
江苏京沪高速
2008年
48
路基病害检测
2.7专利及软件著作权授权
授权情况
专利/软件名称
授权编号
GR地质雷达处理分析系统3.0
2008SR25477
2.8业务培训与技术交流情况
时间
地点
主题
性质注
2009.3
厦门
劳雷工业公司
第三届探地雷达应用技术研讨会
技术交流
2008.10
昌平
第二十四届中国地球物理年会
水资源、环境、工程地质与质量检测地球物理
技术交流
2007.12
三亚
工程地球物理专业委员会
第三届地质雷达骨干培训班
技术交流
2005.10
杭州
工程地球物理专业委员会
第二届地质雷达骨干培训班
技术交流
注:
性质一栏填写“业务培训”或者“技术交流”。
- 配套讲稿:
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