基于FDTD的刚性路面脱空探地雷达电磁波数值模拟.pdf

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1、AThesisSubmiaedtoZhengzhouUniversityfortheDegreeofMasterNumericalSimulationofGroundPenetratingRadarElectromagneticWavePropagationinRigidPavementwithVoidsBasedonFDTDByXiaoliXieSupervisor：Prof．BeiZhangRoadandRailwayEngineeringSchoolofWaterConservancy&EnvironmentMay2011原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下

2、，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。⋯⋯：潜蝴嗍>屿岁胂目学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或

3、与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者．婚屯笨＼嗍沙、年岁月；口日摘要脱空是刚性路面常见的病害之一。如何准确判断脱空的位置及大小，并及时采取有效的修复措施，对提高刚性路面的使用性能，延长路面结构的使用寿命具有重要意义。探地雷达(GPR)以其快速、无损、连续的优点在刚性路面脱空检测领域显示出了良好的应用前景，但是由于目前在利用探地雷达检测脱空时，对雷达图像解释的自动化程度较低，评价时人为因素较多，导致解释结果往往带有一定的主观性，并且对于刚性路面板下的脱空较难实现定量识别的效果，使得探地雷达在刚性路面脱空检测领域的应用存

4、在一定的局限性。时域有限差分(FiniteDiff删ceinTimeDomfin，FDTD)法是近几年发展起来的一种高频电磁场数值计算方法，它以物理光学原理为基础且具有运算快、存储量小、程序通用以及适于并行计算等优点，现已在电磁模拟仿真领域得到了广泛的应用。本文将基于FDTD开展刚性路面板下脱空的雷达电磁波数值模拟。主要研究内容和结论如下：1．基于电磁波的基本理论，由微分形式的麦克斯韦旋度方程出发进行差分离散，推导了二维时域有限差分修正方程，通过利用CPML方法施加PML吸收边界，建立了基于二维时域有限差分法的探地雷达电磁波正演模拟方法，并编制了相应的模拟程序；2．建立了气充及水充脱空刚性

5、路面结构探地雷达电磁波传播模型。通过设置不同的脱空参数，并进行程序模拟，得到了不同水平及竖向尺寸下的二维雷达反射图像，并在此基础上研究了板下脱空特性对雷达反射信号的影响；3．建立了探地雷达电磁波在圆形、V形脱空刚性路面结构中的传播模型，研究了板下脱空区域为圆形和V形时雷达反射图像的特征，并得出了相应的结论；4．基于探地雷达电磁波在不同脱空路面结构中的传播模型进行了相应试验设计，将实测的探地雷达图谱与对应的模拟雷达图像进行对比分析，检验了本文数值模拟方法的可行性和有效性。结果表明：基于2D．FDTD方法模拟探地雷达电磁波在脱空刚性路面结构中的传播，所得到的二维雷达反射图像与实测雷达图谱较为接

6、近，能够识别不同工况下的脱空病害。本文研究成果为探地雷达图像的解释提供了依据，为进一摘要步开展探地雷达检测刚性路面板下脱空的反演研究奠定了理论基础。关键词：探地雷达FDTD刚性路面脱空数值模拟llAbstractVoidisacommondiseaseinrigidpavement．Identifyingthelocationsandsizesofvoids，andtakingeffectiverepairmeasuresareofgreatimportancetoenhancetheserviceability,elongatethelifespanofrigidpavements．Th

7、eGroundPenetratingRadar(GPR)hasbeenwidelyused，duetoitsspeed，nondestructive，successiveinthefiddofroaddetecting．However,becausetheautomateddegreeoftheGPRimageinterpretationisverylow,andtherearemanymail—madefactorsw