本發(fā)明屬于地球物理仿真測量，具體涉及一種用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、由于高速公路結(jié)構(gòu)內(nèi)部環(huán)境較為復雜，電磁波在地下不同介質(zhì)中的反射規(guī)律不明。因此，檢測高速公路結(jié)構(gòu)病害需要預(yù)先通過正演模擬來明確不同病害類型在雷達圖譜上的波形特征與傳播規(guī)律，為辨識雷達圖譜異常區(qū)域提供先驗知識?，F(xiàn)有研究多將路面結(jié)構(gòu)材料等效為層狀均勻介質(zhì)，即假設(shè)組成各結(jié)構(gòu)層的材料均勻分布，采用等效介電常數(shù)來表征整個結(jié)構(gòu)層位的介電常數(shù)，但真實路面材料是由集料顆粒、瀝青膠漿、水泥砂漿與內(nèi)部孔隙等組成的多相非均勻混合物，具有體積含量不等、幾何形狀各異、空間位置隨機、介電特性不同的典型非均質(zhì)特性。勻質(zhì)模型無法反映路面非均質(zhì)材料在不同位置處的電磁特性差異，亦無法表征電磁波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部受非均質(zhì)隨機擾動的衰減程度，導致正演模擬的結(jié)果過于理想化，與現(xiàn)場實測結(jié)果差異顯著。為了規(guī)避上述問題，現(xiàn)有研究又開發(fā)了隨機介質(zhì)模型以表征各相材料的介電常數(shù)分布，即采用介電常數(shù)測試儀掃描各相材料在剖面上的介電常數(shù)分布，再將掃描獲取的分布特性投放入電磁差分模型中以表征材料非均勻特性，但仍存在諸多問題，如介電常數(shù)為二維隨機分布無法表征路面材料在三維空間下的非均勻分布，忽略了具有典型形態(tài)特征的集料形狀異性，難以反映電磁波傳播的真實路徑。

2、因此，亟需一種全面度量路面材料非均質(zhì)特性的探地雷達正演模型構(gòu)建方法，以提升正演圖譜的真實性與準確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對以上問題，提出了一種用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法，基于離散元重建瀝青路面各層位的粗集料形態(tài)，基于隨機介質(zhì)理論實現(xiàn)瀝青、細集料、孔隙三相介質(zhì)的介電特性隨機分布，有利于提高探地雷達正演模擬的準確性。

2、為了解決上述技術(shù)問題至少之一，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法，包括如下步驟：

3、依據(jù)高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)組成，即面層由s層組成，每層鋪筑材料為ms1、ms2、ms3，面層各層位厚度為hs1、hs2、hs3，基層由b層組成，每層鋪筑材料為bs1、bs2，面層各層位厚度為hs1、hs2；

4、依據(jù)高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)組成，確定模型尺寸為xyz，依據(jù)當前三維探地雷達檢測精度，設(shè)定模型網(wǎng)格尺寸為dxdydz；?計算瀝青面層各層鋪筑材料ms1、ms2、ms3的級配曲線，瀝青混合料以粒徑2.36mm劃分粗細集料，依據(jù)粗細集料的級配占比，確定面層各層鋪筑材料粗集料的級配曲線；計算基層各層鋪筑材料bs1、bs2的級配曲線，水泥混合料以粒徑4.75mm劃分粗細集料，依據(jù)粗細集料的級配占比，確定基層各層鋪筑材料粗集料的級配曲線；

5、依據(jù)各層位粗集料的級配曲線，在pfc?3d軟件中生成粗集料重構(gòu)模型，并導出組成粗集料的小球坐標與半徑；

6、設(shè)定面層各層位孔隙率為φs1、φs2、φs3，各層位油石比為δs1、δs2、δs3。

7、設(shè)定瀝青混合料中集料質(zhì)量恒定，計算細集料相、孔隙相與瀝青相的體積分數(shù)；設(shè)定基層各層位孔隙率為φb1、φb2，各層位水灰比為ηb1、ηb2。設(shè)定水泥混合料中集料質(zhì)量恒定，計算細集料相、孔隙相與水泥相的體積分數(shù)；

8、?在matlab軟件中定義面層孔隙為0，細集料為1，瀝青相為2，基層細集料為3，水泥相為4，每層位各相材料的體積分數(shù)可由式（1-1）進行定義：

9、（1-1）

10、式中，為孔隙體積分數(shù)，為瀝青相體積分數(shù)，為水泥相體積分數(shù)。

11、運行matlab軟件按體積分數(shù)隨機分布并存儲0、1、2、3、4數(shù)組的hdf5文件，創(chuàng)建對應(yīng)各相材料的介電特性txt文件；

12、導出的小球坐標與半徑在gprmax軟件中采用對象構(gòu)造命令#sphere進行粗集料二次重構(gòu)，采用材料命令#materials定義粗集料的介電特性；

13、?#sphere:?f1?f2?f3?f4?str1

14、?f1、f2、f3表示各個小球的x、y、z坐標，f4表示各個小球的半徑，str1表示粗集料的名稱。

15、#material:?f1?f2?f3?f4?str1

16、?f1、f2、f3、f4分別表示粗集料的介電常數(shù)、電導率、磁導率與磁損耗，str1表示粗集料的名稱。

17、采用復寫代碼#geometry_objects_write將二次重構(gòu)的粗集料信息轉(zhuǎn)化為hdf5文件，以提高電磁模型讀取海量小球的效率；

18、采用讀取代碼#geometry_objects_read將粗集料相與隨機介質(zhì)相的hdf5文件寫入gprmax軟件中；

19、設(shè)定時間窗、天線頻率、移動步長等參數(shù)，建立三維多相非均質(zhì)電磁差分模型；模型格式為in文件，在gprmax軟件中運行文件可獲取三維多相非均質(zhì)模型下的回波響應(yīng)。

20、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)本發(fā)明的用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法中的步驟。

21、根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種計算機設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)本發(fā)明的用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法中的步驟。

22、與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，本發(fā)明的上述方法的有益效果為：

23、1、本發(fā)明基于離散元理論重構(gòu)路面材料粗集料的真實形態(tài)，基于隨機介質(zhì)理論分布孔隙、膠漿等不規(guī)則形體的介電特性，模型結(jié)算結(jié)果更具真實性；

24、2、本發(fā)明是一種三維、多相、非均質(zhì)的電磁差分模型，可以獲取高速公路結(jié)構(gòu)病害回波在非均質(zhì)干擾下的全剖面圖譜特征。

技術(shù)特征：

1.用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)研高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)具體為：依據(jù)高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)組成，即面層由s層組成，每層鋪筑材料為ms1、ms2、ms3，面層各層位厚度為hs1、hs2、hs3，基層由b層組成，每層鋪筑材料為bs1、bs2，面層各層位厚度為hs1、hs2。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，設(shè)定多相非均質(zhì)模型尺寸與網(wǎng)絡(luò)具體為：依據(jù)高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)組成，確定模型尺寸，依據(jù)當前三維探地雷達檢測精度，設(shè)定模型網(wǎng)格尺寸。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，計算面層與基層粗急料級配曲線具體為：計算瀝青面層各層鋪筑材料ms1、ms2、ms3的級配曲線，瀝青混合料以粒徑2.36mm劃分粗細集料，依據(jù)粗細集料的級配占比，確定面層各層鋪筑材料粗集料的級配曲線；計算基層各層鋪筑材料bs1、bs2的級配曲線，水泥混合料以粒徑4.75mm劃分粗細集料，依據(jù)粗細集料的級配占比，確定基層各層鋪筑材料粗集料的級配曲線。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，重構(gòu)粗集料形態(tài)并導出小球坐標與半徑具體為：?依據(jù)各層位粗集料的級配曲線，在pfc?3d軟件中生成粗集料重構(gòu)模型，并導出組成粗集料的小球坐標與半徑。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，建立三維多相非均質(zhì)電磁查分模型具體為：設(shè)定參數(shù)，建立三維多相非均質(zhì)電磁差分模型；模型格式為in文件，在gprmax軟件中運行文件獲取三維多相非均質(zhì)模型下的回波響應(yīng)。

7.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其特征在于：該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1~6中任一項所述的用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法中的步驟。

8.一種計算機設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如權(quán)利要求1~6中任一項所述的用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法中的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于三維探地雷達正演的多相非均質(zhì)模型構(gòu)建方法，包括：調(diào)研高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)；設(shè)定多相非均質(zhì)模型尺寸與網(wǎng)絡(luò)；計算面層與基層粗急料級配曲線；重構(gòu)粗集料形態(tài)并導出小球坐標與半徑計算細集料、孔隙與瀝青的體積分數(shù)；創(chuàng)建隨機相的hdf5數(shù)組與介電特性文件；在gprmax中二次重構(gòu)粗急料；創(chuàng)建粗集料的hdf5數(shù)組與介電特性文件；建立三維多相非均質(zhì)電磁查分模型。本發(fā)明能夠獲取高速公路結(jié)構(gòu)病害回波在非均質(zhì)干擾下的全剖面圖譜特征。

技術(shù)研發(fā)人員：胡釗光,張一鳴,張偉光,申熙遠
受保護的技術(shù)使用者：東南大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19