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1 绪论1

1.1 引言1

1.2 国内外研究现状2

1.2.1 路面结构层材料介电特性的研究现状2

1.2.2 随机介质模型的研究现状3

1.2.3 探地雷达蝶形天线FDTD建模与模拟的研究现状3

1.2.4 探地雷达三维数值模拟的研究现状4

1.2.5 存在的问题5

1.3 主要内容概括5

2 探地雷达的理论基础与数值模拟7

2.1 探地雷达的理论基础7

2.1.1 探地雷达系统组成及工作原理7

2.1.2 麦克斯韦方程组与本构关系8

2.1.3 电磁场波动方程8

2.1.4 电磁波的辐射9

2.1.5 电磁波的散射10

2.2 探地雷达波场的数值模拟11

2.2.1 麦克斯韦方程的FDTD格式11

2.2.2 数值稳定性与数值色散14

2.2.3 UPML吸收边界条件14

3 探地雷达蝶形天线的数值模拟23

3.1 探地雷达蝶形天线23

3.1.1 商用探地雷达天线23

3.1.2 商用探地雷达蝶形天线的基本特征23

3.2 探地雷达蝶形天线的FDTD建模24

3.2.1 商用探地雷达蝶形天线的基本结构24

3.2.2 脉冲激励源25

3.2.3 天线金属斜边的处理27

3.2.4 天线加载电阻28

3.2.5 屏蔽腔和吸波材料31

3.3 影响蝶形天线辐射特性的因素32

3.3.1 蝶形天线的几何学特征32

3.3.2 加载电阻及屏蔽腔的影响35

3.3.3 天线离地高度的影响37

3.3.4 地下介质介电常数的影响37

3.3.5 地下介质电导率的影响40

3.4 小结41

4 沥青混凝土介质类型与特征42

4.1 高速公路沥青混凝土路面概述42

4.2 沥青混凝土组成材料及其介电常数42

4.2.1 豫西某高速公路沥青混凝土路面及其组成材料42

4.2.2 材料介电常数的测量与估算45

4.2.3 沥青混凝土芯样及切片46

4.2.4 沥青混凝土介电常数的分布特征48

4.3 沥青混凝土介质类型的估算与建模52

4.3.1 估算自相关函数的特征参数52

4.3.2 多相离散随机介质模型的建模方法60

4.3.3 自相关函数类型的拟合与随机介质建模62

4.3.4 模型参数对多相离散随机介质模型的影响69

4.3.5 多相离散随机介质模型的二维正演模拟73

4.4 小结76

5 多相离散随机介质探地雷达三维正演模拟及分析78

5.1 空隙率对探地雷达波场的影响78

5.1.1 不同空隙率的多相离散随机介质三维模型78

5.1.2 多相离散随机介质探地雷达三维正演模拟82

5.1.3 多相离散随机介质与均匀介质的波场对比84

5.1.4 空隙率对探地雷达波场的影响90

5.1.5 不同空隙率层状多相离散随机介质的波场特征97

5.1.6 自相关长度对探地雷达波场的影响101

5.2 公路工程典型缺陷的探地雷达波场特征102

5.2.1 裂缝的探地雷达波场特征105

5.2.2 层间脱空的探地雷达波场特征106

5.2.3 空洞的探地雷达波场特征109

5.3 小结111

6 结论与建议113

6.1 主要工作113

6.2 存在的问题及今后研究方向114

参考文献116