多相离散随机介质探地雷达波场特征研究

Bituminous concrete and cement concrete are a typical multiphase discrete random medium. It is a key problem to improve the precision of engineering quality detection with ground penetrating radar and give quantitative interpretation to GPR data by studying the propagation law of high-frequency electromagnetic waves in this medium. This application will be based on random medium theory, (1) measure the electromagnetic parameters of concrete, and compute the statistical characteristics of spatial random distribution of electromagnetic parameters, and determine its type and estimate its parameters; (2) research the modeling algorithm of multiphase discrete random medium under quantization constrain, and construct multiphase discrete random medium model according to characteristics of dielectric spatial distribution of practical concrete and its typical engineering defects; (3) according to the electromagnetic properties of multiphase discrete random medium and its electromagnetic wave propagation equation, design a three-dimensional numerical simulation algorithm for simulating multiphase discrete random medium model, research the propagation law of high-frequency electromagnetic waves in multiphase discrete random medium, and study the relationship among the electromagnetic parameters, model parameters of multiphase discrete random medium model and transmission characteristics, wave field characteristics of electromagnetic waves. The research results will reveal the transmission mechanism of high frequency electromagnetic waves in multiphase discrete random medium, and develop the new theory for improving the precision of engineering quality detection with ground penetrating radar and the level of quantitative interpretation to GPR data.

沥青混凝土、水泥混凝土是典型的多相离散随机介质，研究高频电磁波在其中的传播规律是提高探地雷达工程质量检测精度，进行定量解释的关键问题。本申请拟基于随机介质理论，（1）测量与统计电磁参数在混凝土空间上的随机分布统计特征，确定其随机介质类型并估算其模型参数；（2）研究量化约束多相离散随机介质建模算法，构建准确描述混凝土的多相离散随机介质模型；（3）依据多相离散随机介质的电磁性质及其电磁波波动传播方程，设计适用于多相离散随机介质的探地雷达三维数值模拟算法，研究多相离散随机介质中高频电磁波的传播规律，系统分析多相离散随机介质的电磁参数、模型参数与电磁波传输特性、波场特征之间的函数关系。研究结果将揭示高频电磁波在多相离散随机介质中的传播机理，为提高探地雷达工程质量检测精度和定量解释水平提供理论基础和科学依据。

混凝土是工程领域最主要的人工合成建筑材料，其质量直接关乎工程安全。混凝土各组分体积含量不等、粒径多尺度、几何形状各异、电磁性质不同，位置随机分布，属于典型的多相离散随机介质。本项目基于随机介质模型理论，测量与统计了混凝土电磁参数的空间随机分布统计特征，估算了其自相关函数及其特征参数（自相关长度、自相关角度等），提出了量化约束多相离散随机介质建模算法，构建了更符合混凝土实际情况的多相离散随机介质模型。采用探地雷达数值模拟方法，系统研究了多相离散随机介质的电磁参数、模型参数与电磁波传输特性、探地雷达波场特征之间的关系，定量分析了典型工程缺陷（如疏松、裂缝、脱空、空洞）的探地雷达波场特征。研究结果表明：多相离散随机介质模型不仅描述了混凝土的多相、离散与空间随机分布统计特征，而且进一步描述了其各组分体积百分比，能更全面、准确的描述混凝土的介质特征。探地雷达波在多相离散随机介质中存在强烈散射，随机传播的散射波相互干涉叠加，降低探地雷达的成像精度。多相离散随机介质的自相关长度越大，则其骨料粒径越大，散射越强烈，波前扭曲变形越剧烈。多相离散随机介质的空隙率越大，则其越疏松，等效介电常数越小，介质非均匀性越强，电磁波波速越快，散射越强烈。道路各结构层空隙率与其探地雷达波场特征之间的函数关系，为实现定量估算道路各结构层空隙率提供了科学依据。在层状多相离散随机介质模型中，研究了裂缝宽度、倾斜角度和裂缝底端位置与其探地雷达波场特征之间的对应关系，可以用于准确定位裂缝实际位置和定量估算裂缝宽度。层间脱空厚度越大，其反射波振幅越强，可以用于估算层间脱空厚度。多相离散随机介质及其典型工程缺陷的正演剖面与实测剖面更相符，更有利于指导探地雷达实测剖面的数据解译。研究成果对进一步深刻理解和认识复杂介质中探地雷达波场特征有重要意义，研究成果已应用于道路深层病害和城市道路塌陷隐患的资料解译，具有广阔的应用前景。