CN107894219B - 一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，根据电磁波的叠加原理更正了在地耦合天线测厚过程中介电常数的计算公式，从而能更准确地计算出路面厚度。该方法主要是通过用雷达对不同厚度组合的沥青混凝土板进行测试，将从图像中得到的振幅换算成介电常数后，用天线自身末端反射波叠加在地面反射波上的振幅A1进行修正，当随着A1不断变化，测厚误差达到最小值时，此A1即为最佳修正值，在实验中便可通过进行修正得到最接近真实厚度的值。

Description

一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法
技术领域
本发明涉及一种道路无损检测技术，具体涉及一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，属于交通运输学科技术领域。
背景技术
探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一项基于电磁波传播原理的无损检测技术。在路面检测方面，同其他的诸如钻芯、核子密度仪等传统检测技术相比，探地雷达具有检测迅速、无损的特点，代表了路面性能无损检测新的发展方向。而天线作为探地雷达中的关键部件之一，其性能优劣会直接影响雷达对路面的探测深度和分辨率。目前的商用探地雷达天线按照耦合介质的不同可以分为地面耦合天线和空气耦合天线两类。探地雷达系统一般使用超宽带短脉冲信号，因而天线也应具有一定的带宽和方向性。一般带宽天线在其末端处由于阻抗不连续，往往会形成一定的反射从而引起波形的失真，这正是地耦合雷达系统测厚误差的问题所在。
发明内容
本发明正是为解决地耦合天线测厚存在较大误差的不足，提供一种基于电磁波叠加原理的地耦合雷达测厚误差的矫正方法，该方案为公路无损检测提供重要依据。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)明确地耦合天线末端反射波，推导天线末端导致的误差矫正公式；
(2)用地耦合天线进行不同厚度沥青混凝土板组合测厚；
(3)对地耦合雷达测厚误差进行计算与修正。
作为优选，所述地耦合天线末端反射波为由于天线自身带宽所产生的反射波。
作为优选，所述天线自身带宽所产生的反射波是由于带宽天线在其末端处因其阻抗不连续，会形成一定的反射从而引起波形的失真。
作为优选，所述误差矫正公式是基于电磁波的叠加原理，以天线末端反射波叠加了一个假设的固定振幅A1于地面反射波得到，通过不断改变A1的值，当雷达测量厚度与实际厚度相差误差最小时，此时的A1即为最佳修正系数。
作为优选，所述步骤(1)中，确定地耦合天线末端反射波，其过程如下：
(1.1)实验尽量选择空旷的场地以避免周围金属等物质对雷达测量的干扰；
(1.2)将雷达主机连上电脑，并将天线与主机相连；
(1.3)准备40cm*40cm的钢板以及厚度为5cm的AC-13级配的沥青混凝土板；
(1.4)将地耦合天线分别置于钢板与沥青混凝土板组合上方5cm以及8.5cm处进行检测；
(1.5)将所得图像结果进行分析处理。
作为优选，所述步骤(2)中，用地耦合天线进行不同厚度沥青混凝土板组合测厚，其测试过程如下：
(2.1)实验尽量选择空旷的场地以避免周围金属等物质对雷达测量的干扰；
(2.2)准备40cm*40cm的钢板以及厚度为3cm、5cm、7cm的AC-13级配的沥青混凝土板，其中40cm的边长能有效地减少雷达测试时产生的边缘效应，增加所得图像数据的可靠性，3cm、5cm、7cm厚度的沥青混凝土板则能够通过不同组合得到不同厚度，通过测量不同厚度的沥青混凝土板，得到的数据会减少偶然误差，增加真实性；
(2.3)将沥青混凝土板进行如下厚度组合：3cm、5cm、7cm、5cm+7cm、3cm+7cm、3cm+5cm、5cm+5cm、5cm+3cm+7cm；
(2.4)将不同组合的沥青混凝土板分别放在钢板上以使沥青混凝土板下方界面反射更明显；
(2.5)将天线紧贴着试件放置，打开雷达测试界面，新建测区，进行增益，选择按时间进行测量，然后进行数据采集，数据采集完成后保存文件进行下一步测量。
作为优选，误差修正公式为：其中，H为沥青混凝土板厚度，v为电磁波在沥青混凝土板中传播的速度，C为光在真空中传播的速度，t为电磁波在沥青混凝土板中传播的时间，ε为介电常数，A0为电磁波在空气与路面层间反射时的振幅，Am为全反射振幅，A1为修正系数。
作为优选，将不同的A1值代入误差修正公式最终可以得到最接近真实厚度的H值，此时的A1即为最佳修正系数。
有益效果：本发明提出的地耦合雷达测厚误差的矫正方法简单易行，以电磁波的矢量叠加理论为基础，以实际测试得到的厚度进行修正，进而根据公式计算得出最佳修正系数A1。该方法可以解决使用地耦合天线时无法准确测量厚度的问题，为雷达进行路面无损检测的准确性提供理论依据。
附图说明
图1为不同A1取值下雷达测厚误差平均值与标准差图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
为了减小地耦合雷达在路面测厚中产生的误差，本发明实施例公开的一种基于电磁波叠加原理的地耦合雷达测厚误差的矫正方法，将雷达测得的振幅转化为介电常数。然后，以电磁波的叠加原理为基础，假设地耦合天线末端反射波叠加在地面反射波波峰上的振幅为固定值A1，推导出地耦合雷达测厚误差修正公式。然后，用雷达对不同厚度组合的沥青混凝土板进行测试。最后，将不同A1值代入误差修正公式，最终可以得到最接近沥青混凝土板实际厚度的H值，此时的A1即为最佳修正值。
由于地耦合天线紧贴地面进行厚度测量，导致天线末端自身反射波与地面反射波重合，这也是地耦合雷达路面测厚误差的原因所在。基于电磁波的叠加原理，假设天线末端自身反射波叠加在地面反射波上的振幅为A1，则可以基本消除因为波的重合而导致的误差。
地耦合雷达分别在高度5cm和8.5cm处对沥青混凝土板和钢板进行测试，目的就是明确天线自身反射波的存在性。
探地雷达系统一般使用超宽带天线，其末端由于阻抗不连续会形成波的失真。为了明确地耦合天线末端确实存在反射波，分别将5cm*40cm*40cm的沥青混凝土板和钢板作为测试对象，并将地耦合天线置于其上方5cm与8.5cm处进行检测，根据实验所得曲线，明确了天线自身反射波与地面反射波的叠加方式属于矢量相加。在雷达测试中，原先计算介电常数的公式如下：
其中，ε为介电常数，A0为电磁波在空气与路面层间反射时的振幅；Am为全反射振幅。
现假设天线自身反射波有振幅A1叠加在了地面反射波的波峰上，则可以基于波的叠加原理推导得到如下公式：
通过该公式，即可得到更接近于实际路面的介电常数值
用地耦合天线进行不同厚度沥青混凝土板组合测厚，实验步骤如下：
①.实验尽量选择空旷的场地以避免周围金属等物质对雷达测量的干扰；
②.准备40cm*40cm的钢板以及厚度为3cm、5cm、7cm的AC-13级配的沥青混凝土板；
③.将沥青混凝土板进行如下厚度组合：3cm、5cm、7cm、5cm+7cm、3cm+7cm、3cm+5cm、5cm+5cm、5cm+3cm+7cm；
④.将不同组合的沥青混凝土板分别放在钢板上以使沥青混凝土板下方界面反射更明显；
⑤.将天线紧贴着试件放置，打开雷达测试界面，新建测区，进行增益，选择按时间进行测量，然后进行数据采集，数据采集完成后保存文件进行下一步测量。
将使用雷达测得的沥青混凝土板厚度与板的实际厚度相比较得到雷达的测厚误差值，然后用公式(3)进行误差修正。
其中：H为沥青混凝土板厚度；C为光在真空中传播的速度；t为电磁波在沥青混凝土板中传播的时间。
这里令H等于所测沥青混凝土板的厚度，然后反算得到A1的值，通过把所有厚度都进行计算后，我们将得到A1的一个预估范围(-2.4至-1.45)。然后将A1的预估值代入公式计算H，求所计算的H值与实际厚度的误差，并计算其平均值与标准差，当误差平均值最小时，所得的A1即为最佳修正系数。
下面以不同厚度组合的沥青混凝土板为例，具体说明本发明实施例中A1的计算。
示例：
使用IDS-RIS雷达以及TR-HF地耦合天线进行测试，测试结果如下表：
表1 IDS-RIS雷达测试结果
从表中我们可以看到，测量所得结果与真实值的误差非常大，最高达到了27.14％，所以如果想要用该地耦合天线进行路面厚度的测量，就需要用下面公式(3)对其进行误差修正。
令H等于所测沥青混凝土板的厚度，然后反算得到A1的值，通过把所有厚度都进行计算后，我们将得到A1的一个预估范围(-1.45至-2.4)。然后将A1在-1.45至-2.4的值代入公式计算H，求所计算的H值与实际厚度的平均值和标准差，结果如下表所示。
表2误差分析表
A<sub>1</sub> 误差平均值 误差标准差
-1.45 0.071663 0.050356
-1.50 0.067349 0.049446
-1.55 0.063588 0.047794
-1.60 0.059785 0.046386
-1.65 0.056135 0.044979
-1.70 0.053664 0.042187
-1.75 0.051166 0.03983
-1.80 0.048639 0.038014
-1.85 0.046084 0.036843
-1.90 0.0444 0.035141
-1.95 0.043251 0.033518
-2.00 0.042089 0.032906
-2.05 0.042155 0.031588
-2.10 0.042459 0.031108
-2.15 0.042767 0.031901
-2.20 0.044516 0.031732
-2.25 0.04634 0.032681
-2.30 0.048214 0.034724
-2.35 0.051595 0.035402
-2.40 0.055019 0.036958
从图1可以看出，当A1＝-2时，用公式计算得到的厚度值与实际厚度值相比误差最小。且在用A1进行修正后，误差绝对值的平均值由原来的19.95％降到了4.21％，大大提高了检测的精度。

Claims (3)

1.一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)确定地耦合天线末端反射波，根据该反射波推导天线末端导致的误差矫正公式；
(2)用地耦合天线进行不同厚度沥青混凝土板组合测厚；
(3)对地耦合雷达测厚误差进行计算与修正；
所述地耦合天线末端反射波为由于天线自身带宽所产生的反射波；
所述天线自身带宽所产生的反射波是由于带宽天线在其末端处因其阻抗不连续，会形成一定的反射从而引起波形的失真；
所述步骤(3)中的误差矫正公式为其中，H为沥青混凝土板厚度，v为电磁波在沥青混凝土板中传播的速度，C为光在真空中传播的速度，t为电磁波在沥青混凝土板中传播的时间，ε为介电常数，A0为电磁波在空气与路面层间反射时的振幅，Am为全反射振幅，A1为修正系数；
步骤(1)中，所述误差矫正公式是基于电磁波的叠加原理，以天线末端反射波叠加了一个假设的固定振幅A1于地面反射波得到，
将不同的值代入误差矫正公式的A1中，最终可以得到最接近真实厚度的H值，此时的A1即为最佳修正系数。
2.根据权利要求1所述的一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定地耦合天线末端反射波，其过程如下：
(1.1)实验选择空旷的场地以避免周围金属物质对雷达测量的干扰；
(1.2)将雷达主机连上电脑，并将天线与主机相连；
(1.3)准备40cm*40cm的钢板以及厚度为5cm的AC-13级配的沥青混凝土板；
(1.4)将地耦合天线分别置于钢板与沥青混凝土板组合上方5cm以及8.5cm处进行检测；
(1.5)将所得图像结果进行分析处理。
3.根据权利要求1所述的一种地耦合雷达测厚误差的矫正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用地耦合天线进行不同厚度沥青混凝土板组合测厚，其测试过程如下：
(2.1)实验选择空旷的场地以避免周围金属物质对雷达测量的干扰；
(2.2)准备40cm*40cm的钢板以及厚度为3cm、5cm、7cm的AC-13级配的沥青混凝土板；
(2.3)将沥青混凝土板进行如下厚度组合：3cm、5cm、7cm、5cm+7cm、3cm+7cm、3cm+5cm、5cm+5cm、5cm+3cm+7cm；
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