一种不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法

1.本发明属于路面结构损伤无损检测领域，具体涉及一种不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法。


背景技术：

2.探地雷达利用电磁波遇到介电特性存在差异的地下介质时会产生反射，对路面内部结构层的厚度进行探测。面层与基层分界面的回波信号被天线接收的时间与反射能力的稳定性，是提升路面结构厚度判定精度的重要因素。依据探地雷达单道波数据可知，层位分界面回波间存在多处不规则波动，这些由于路面材料非均匀特性造成的散射扰动会造成层位分界面回波的能量衰减与特征不明。不同天线频率激发的雷达波受非均质材料的扰动程度不同，导致回波信号中获取的层位分界面位置信息与路面真实结构层厚度信息之间存在偏差。目前，依据探地雷达系统功率确定的不同检测深度的探地雷达天线频率选择方法中，不同天线频率的适用检测深度范围存在重叠。在满足探地雷达有效检测深度的前提下，减小路面材料非均匀特性造成的扰动，需要对检测深度重叠范围的雷达天线频率进行优选。


技术实现要素：

3.针对上述所提到的技术问题，本发明提供了一种不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法，解决了在实际路面探地雷达检测过程中材料非均匀特性造成的扰动与不同天线频率检测深度范围重叠的技术问题。
4.为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下：
5.本发明所述的不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法，包括如下步骤：
6.步骤1、选用ids型号探地雷达，探地雷达选用500mhz、600mhz、800mhz、900mhz四种中频天线；探地雷达选用1.0ghz、1.2ghz、1.5ghz、2.0ghz四种高频天线；用于采集实测路面的雷达信号数据；
7.步骤2：通过中频天线及高频天线所获取的雷达信号数据提取不同测线雷达信号的单道波数据，通过下式计算得到雷达波s：
8.s＝s
t
+su+n
9.式中，s
t
表示目标回波，su表示不相关回波，n表示随机噪声；
10.步骤3：提取步骤2计算得到的雷达波s中完整波动在波峰与波谷处的雷达波s的电场强度，计算出多个波动信号幅值的平均值；
11.步骤4：提取四种中频天线及四种高频天线中每道测线下的面层与基层分界面回波信号在波峰与波谷处的电场强度，计算层位分界面回波信号的幅值大小；
12.步骤5：采用电磁仿真软件gprmax构建检测路段匀质模型，提取该匀质模型中面层与基层分界面回波信号在波峰与波谷处的电场强度，计算匀质模型中层位分界面回波信号的幅值大小；
13.步骤6：依据步骤2的雷达波s、步骤3的多个波动信号幅值平均值、步骤4额层位分
界面回波信号幅值、步骤5通过模型计算所得到的层位分界面回波信号幅值；通过如下公式评估路面材料非均匀特性对目标回波信号造成的扰动程度：
[0014][0015]
式中，a
heei
表示第i条测线处层位上下界面间从左到右的第i个回波幅值，表示匀质模型中下界面反射波幅值，表示非均质模型中第i条测线处下界面反射波幅值，n为上下界面间非均质产生的波动数，m为测线数；
[0016]
步骤7：通过步骤6所计算得到的结果，采用500mhz、600mhz、800mhz、900mhz四种中频天线及1.0ghz、1.2ghz、1.5ghz、2.0ghz四种高频天线有效检测深度范围有重叠时，为了减小路面材料非均匀特性的影响，应尽量选择频率较低的雷达天线进行检测。
[0017]
有益效果
[0018]
本发明提供的不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法，通过对比实测道面受材料非均质扰动的层位界面雷达波形与匀质模型中的层位界面雷达波形，提出非均质材料对层位界面雷达波的扰动指标，定量评估不同天线频率激发的雷达波受非均质扰动的影响程度，从而细分不同天线频率下雷达检测深度中的重叠范围，可以为探地雷达现场测试中最优天线频率的选择提供数据支撑和先验知识。
附图说明
[0019]
图1是本发明的组合式探地雷达检测系统图；
[0020]
图2是本发明的探地雷达检测不同测线布设示意图；
[0021]
图3是本发明的实测路面层位界面回波示意图；
[0022]
图4是本发明的优选天线后目标回波信号示意图；
[0023]
其中(a)为2.5ghz频率下的雷达实测图谱；
[0024]
(b)为2.0ghz频率下的雷达实测图谱。
具体实施方式
[0025]
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
本发明通过对比实测道面受材料非均质扰动的层位界面雷达波形与匀质模型中的层位界面雷达波形，提出非均质材料对层位界面雷达波的扰动指标，定量评估不同天线频率激发的雷达波受非均质扰动的影响程度，从而细分不同天线频率下雷达检测深度中的重叠范围，可以为探地雷达现场测试中最优天线频率的选择提供数据支撑和先验知识。
[0027]
如附图1所示：不同检测深度的探地雷达天线频率优选方法，如下步骤：
[0028]
步骤1、探地雷达选用500mhz、600mhz、800mhz、900mhz四种中频天线；探地雷达选用1.0ghz、1.2ghz、1.5ghz、2.0ghz四种高频天线；用于采集实测路面的雷达信号数据；
[0029]
步骤2：通过中频天线及高频天线所获取的雷达信号数据提取不同测线雷达信号的单道波数据，通过下式计算得到雷达波s：
[0030]
s＝s
t
+su+n (1)
[0031]
式中，s
t
表示目标回波，su表示不相关回波，n表示随机噪声；
[0032]
步骤3：提取步骤2计算得到的雷达波s中完整波动在波峰与波谷处的雷达波s的电场强度，计算出多个波动信号幅值的平均值；
[0033]
步骤4：提取四种中频天线及四种高频天线中每道测线下的面层与基层分界面回波信号在波峰与波谷处的电场强度，计算层位分界面回波信号的幅值大小；
[0034]
该步骤中：路面面层是位于整个路面结构的最上层，直接与通行车辆和大气相接触的层位；路面基层是位于面层之下，用高质量材料铺筑成的承重结构层。
[0035]
步骤5：采用电磁仿真软件gprmax构建检测路段匀质模型，提取该匀质模型中面层与基层分界面回波信号在波峰与波谷处的电场强度，计算匀质模型中层位分界面回波信号的幅值大小；
[0036]
步骤6：依据步骤2的雷达波s、步骤3的多个波动信号幅值平均值、步骤4额层位分界面回波信号幅值、步骤5通过模型计算所得到的层位分界面回波信号幅值；通过如下公式评估路面材料非均匀特性对目标回波信号造成的扰动程度：
[0037][0038]
式中，a
heei
表示第i条测线处层位上下界面间从左到右的第i个回波幅值，表示匀质模型中下界面反射波幅值，表示非均质模型中第i条测线处下界面反射波幅值，n为上下界面间非均质产生的波动数，m为测线数；
[0039]
步骤7：通过步骤6所计算得到的结果，采用500mhz、600mhz、800mhz、900mhz四种中频天线及1.0ghz、1.2ghz、1.5ghz、2.0ghz四种高频天线有效检测深度范围有重叠时，为了减小路面材料非均匀特性的影响，应尽量选择频率较低的雷达天线进行检测。如表1可见，天线频率越高，雷达波在结构层中传播时受非均质扰动的影响程度越大。
[0040]
表1非均质扰动度指标hi值
[0041][0042]
探地雷达的最大检测深度主要取决于雷达系统的性能、、地下介质的衰减与界面的反射特性等因素，可由式(3)表示：
[0043][0044]
式中，pr表示接收功率，p9表示发射功率，g表示天线增益，λm表示雷达波的波长，σc表示目标的散射界面面积，》r表示介质的相对介电常数，d表示最大检测深度，l
p
表示雷达波的衰减系数。
[0045]
现有探地雷达不同天线频率的检测深度根据式(3)进行划分，如表(2)所示。可见，对于不同天线频率，检测深度范围有所重叠。由非均质扰动指标得出的结论，对深度检测重叠范围进行细分，如表3所示。
[0046]
表2不同天线频率的检测深度
[0047][0048]
表3修正后不同天线频率的优选检测深度
[0049][0050]
组合式探地雷达检测系统对某机场水泥道面进行检测，调研后可知机场刚性道面中水泥面板厚0.4m，厚水泥水稳碎石上基层0.2m。检测层位界面反射的有效深度至少需满足0.4m。参照未修正不同天线频率的检测深度表2可知，可选择的天线频率为2.0ghz和2.5ghz；参照修正后不同天线频率的检测深度表3可知，天线频率优选2.0ghz。采用两种天线频率分别对机场道面试验段进行雷达信号采集，如附图4所示。附图4(a)为2.5ghz频率下的雷达实测图谱，附图4(b)为2.0ghz频率下的雷达实测图谱。从附图4可知，2.5ghz频率下的雷达图谱中层位界面反射频繁波动，测算厚度误差较大；2.0ghz频率下的雷达图谱中层位界面反射均匀，起伏较小，测算厚度误差较小。因此，参照修正后不同天线频率的检测深度优选出的天线频率，检测精度与准确性较好，宜选择2.0ghz。
[0051]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。