CN111965711B - 一种gpr图像正演技术路面反射裂缝深度发展模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，包括如下步骤：(1)现场钻芯取样；(2)获取路面各个结构层的厚度及相对介电常数的数据；(3)基于芯样品的测量数据构建真实路面三维模型；(4)在模型底部构建并插入不同损伤程度的反射裂缝模型；(5)设定电磁波的参数，将反射裂缝模型导入GPR图像三维正演软件中，模拟计算出多道单道反射波，再将波形图像化处理即得该模型的雷达检测剖面；(6)构建反射缝深度反算公式，评价路面结构整体性能。本发明提供的方法可模拟电磁波在不同损伤程度反射裂缝模型中的传播过程，更具理论性，评价结果更准确，为路面雷达检测图像解译、分析，路面结构性能评价奠定研究基础。

Description

一种GPR图像正演技术路面反射裂缝深度发展模拟方法
技术领域
本发明属于道路工程领域，涉及一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法。
背景技术
沥青路面内部反射裂缝检测与评价逐渐成为道路工程安全营运和养护的关键性和基础性技术，是决定路网维护决策是否科学及资金分配是否合理的关键参考因素。
反射裂缝是在营运期间半刚性基层的裂缝，在荷载和环境的作用之下裂缝向上扩展到沥青路面，从而在路面形成裂缝。路面反射裂缝是道路结构损伤的重要表现，由于道路内部结构损伤具有隐蔽性特点，无法如道路表面病害一样通过视觉觉察。探地雷达(GPR)检测是一项用于浅层地质探测的新技术，其工作原理是通过地质雷达的发射天线向地面发射高频电磁波(1MHz-5GHz)，由于高频电磁波的反射强度、波形受道路路面内部结构几何形态影响，因此电磁波在向下传播过程中遇到存在相对介电常数差异的道路路面结构层以及内部反射裂缝会发生反射，反射回的电磁波由接收天线接收，通过后台管理系统构建道路内部结构二维剖面图像。
在实际应用过程中，解译人员依靠现场经验对路面反射裂缝雷达检测图像进行分析、评价，由于人为解译过程中的主观性导致相同的异常图像得出不同的解释结果，存在较大的解译误差，因此探地雷达技术在道路浅层结构探测中的应用难以获得理想效果。
GPR图像正演技术是一种通过数值计算的形式模拟电磁波在介质中传播的方法，通过对典型病害模型正演，精确模拟电磁波在模型中的每一时间步的传播形态，进而确定路面结构典型病害与探地雷达异常图像的对应关系。为实现对雷达检测数据的精确解释，解译人员必须事先了解路面结构反射裂缝病害的雷达检测特征图像。
基于现有的道路路面反射裂缝雷达检测图像解译过程中存在上述缺陷，亟需一种精确度高，且可用于评价路面质量的检测计算方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法。该方法能精确模拟路面反射裂缝向上发展过程，进而模拟电磁波在不同损伤程度的路面反射裂缝中的传播规律，为明确典型裂缝病害的雷达检测特征图像、推导出路面裂缝深度的反算公式、智能识别反射裂缝雷达检测图像等技术的发展奠定基础。
本发明提供的方法以路面真实材料介电常数为基础，提出一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，明确反射裂缝雷达检测图像的特征，为今后研究智能识别雷达检测图像中反射裂缝区域奠定研究基础，同时也为探地雷达快速、全面检测路面质量提供相应的参考。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，包括以下步骤：
(1)对高速公路路面现场钻芯取样；
(2)通过测量芯样品各结构层的厚度及相对介电常数，获取路面各个结构层的厚度及相对介电常数的数据；
(3)基于芯样品的测量数据，使用MATLAB构建真实路面三维模型；
(4)基于三维模型，在模型底部构建并插入不同损伤程度的反射裂缝模型；
(5)设定电磁波的各项参数，将反射裂缝模型导入GPR图像三维正演软件中，模拟计算出多道单道反射波，再通过对上述波形图像化处理即得该模型的雷达检测剖面；
(6)构建反射缝深度反算公式，计算反射裂缝发展深度，评价路面结构整体性能。
进一步，所述步骤(1)中钻芯取样的样品的厚度需大于上、中、下三层结构的厚度之和。
进一步，所述步骤(2)中结构层包括上、中、下三层结构层。
进一步，所述步骤(2)中芯样品的相对介电常数的测量方法如下：将芯样品各结构层分离，切割出多块圆片，使用介电常数测试仪多次测试获取结构层的介电常数数据。优选的，圆片的直径为30mm，厚度为10mm，每层切割4片。
进一步，所述步骤(4)中在模型底部构建并插入不同损伤程度的反射裂缝模型方法如下：通过MATLAB在真实路面三维模型的底部插入长方体模型模拟小裂缝。
进一步，所述步骤(4)中，通过改变小裂缝的长方体模型顶面的Z坐标，以模拟不同损伤程度的反射裂缝。
进一步，所述步骤(4)中反射裂缝模型的相对介电常数为1。
本发明提供的方法在下面层插入反射裂缝模型，并通过不断改变裂缝深度即可达到模拟反射缝向上发展的过程。裂缝中充满空气，由于空气的相对介电常数为1，与沥青混合料的相对电常数存在明显差异，因此可通过改变真实路面三维模型内部部分区域的相对介电常数模拟反射裂缝。
进一步，所述步骤(5)中电磁波的参数包括频率和间距，电磁波中心频率为1Ghz，反射间距为0.5m。优选的，雷达腔体中的发射天线根据GPS定位系统每0.5m向道路方向发射一道电磁波，中心频率为1Ghz，雷达接收天线与发射天线相距3cm。
进一步，所述步骤(5)中利用MATLAB对波形图像化处理。
进一步，所述步骤(6)中所述的反射缝深度的反算方法为将假定裂缝深度和正演得到电压峰值经过拟合得到电压峰值为因变量，裂缝深度为自变量的反算公式。
本发明的有益效果：
本发明通过准确测量高速公路路面上、中、下面层沥青混合料的相对介电常数、厚度等数据，构建真实路面三维模型以及路面反射裂缝三维模型，并将以上模型导入至GPR图像三维正演计算软件中，模拟电磁波在不同深度条件下的传播规律，获取典型反射裂缝模型的雷达检测特征图像，进而精确识别现场雷达检测剖面图中反射裂缝，计算反射裂缝发展深度，评价路面结构整体性能。该方法无论从模型构建、应用场景和潜力，较常规模型构造、反射裂缝雷达检测图像解译和分析方法有着本质的区别及显著优势。除此以外，本发明提供的方法也为雷达检测图像智能识别发展、拓展解译内容的研究奠定基础，提供有价值的参考。具体如下：
(1)可实现室内条件下明确反射裂缝雷达检测特征图像
该模拟方法通过精确模拟电磁波在沥青混合料路面的传播过程，构建路面反射裂缝与病害雷达检测特征图像的关系，通过模拟所得的雷达检测图像分析现场雷达检测数据，无需依据人工积累的经验分析、解译雷达检测剖面图，较以往的雷达检测分析方法更具有理论依据，本方法可以在准确模拟电磁波在沥青混合料的传播过程之后进一步对获取的反射裂缝雷达检测特征图像分析，为今后实现智能识别现场雷达检测图像中的路面反射裂缝奠定研究基础。
(2)可用于构建路面反射裂缝深度模型，拓展现场雷达检测数据分析解译内容
通过该方法可构建反射裂缝深度反算公式，在实际道路雷达检测应用中，准确计算路面内部反射裂缝深度，扩展雷达检测数据分析内容，快速、无损的评价路面内部隐藏裂缝的发展状况。另外，通过反算反射裂缝发展深度，评价路面结构整体性能，为高速公路预防性养护提供专业性的参考依据。
附图说明
图1为现场钻芯取样图；
图2为芯样结构厚度测量图；
图3为切割的圆片试样图；
图4为相对介电常数测量图，1-电脑，内置成套的测量与数据处理软件，包括MATLAB、Pavecheck软件等；2-仪器主机；3-测量控温腔体；
图5为真实路面三维模型图；
图6为30mm反射裂缝三维模型图；
图7为30mm反射裂缝模型的雷达检测剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例
为了明确一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，以下用一个典型的测试为例，进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本实施例所使用的测试设备为4308HTFP型同轴四探针介电常数测试仪。
(1)现场钻芯取样
本次试验选取汉十高速孝襄段作为芯样采集地点，湖北省汉十高速公路是福州-银川高速公路(G70)的孝感至十堰段，其路面结构如表1所示。
表1汉十高速公路孝襄段路面结构
Figure GDA0003314707420000041
汉十高速公路孝襄段路面上、中、下面层级配分别为SUP-12.5、AC-20C、AC-25C。孝襄段路面为双向四车道，路面包括路肩、慢车道和快车道。由于高速公路路面现场取芯需要对取芯路段封闭交通，同时考虑汉十高速公路车流量较大，封闭快车道对高速公路正常运营不利，因此本次取芯选择慢车道进行取芯，钻取三个高180mm×直径150mm的圆柱体芯样，钻芯取样如图1所示。
(2)芯样上、中、下面层厚度测量
由于路面各个结构层的油石比、集料不尽相同，因此可通过视觉划分上、中、下面层，并使用直尺测量芯样的上、中、下面层厚度，如图2所示。取三个芯样上、中、下面层厚度的平均值作为汉十高速路面结构层厚度，测量精度为0.1cm。表2为汉十高速路面结构厚度测量结果。
表2汉十高速芯样结构层厚度
Figure GDA0003314707420000051
(3)试样制备
由于采用的4308HTFP型同轴四探针介电常数测试仪测量沥青混合料相对介电常数，本次试验主要采用的是小尺寸的沥青混合料样品。此样品为圆盘形状，其厚度大约为10mm，直径为30mm，如图3所示。圆盘上下两面需为平整的测量面，因此使用切割机、钻芯机等设备对汉十路面芯样进行再加工处理，制备圆柱体试样。试样的厚度和直径是使用4308HTFP型同轴四探针介电常数测试仪测量材料相对介电常数所需考虑的重要参数。因此在开展测量前，需使用卡尺测量3组(每组12个圆柱体)试样的厚度和直径。
(4)沥青混合料相对介电常数测量
开启4308HTFP型同轴四探针介电常数测试仪，预热五至十分钟，将圆柱体试样放入夹具中，输入当前圆柱体试样的厚度和直径，即可测量试样的相对介电常数，取三组试样的平均值作为汉十高速路面结构层相对介电常数值，表3为上中下面层相对介电常数测量结果。测试设备如图4所示。
表3汉十高速芯样结构层相对介电常数
Figure GDA0003314707420000052
Figure GDA0003314707420000061
(5)沥青混合料路面三维模型构建
通过MATLAB构建长10m×宽1m×高20cm矩形网格，沿厚度方向被分为四层。上部为空气层，厚度为3.3cm，相对介电常数为1；第一层介质为上面层，厚度为3.6cm，相对介电常数为11.04；第二介质为中面层，厚度为5.3cm，相对介电常数8.07；第三层介质为下面层，厚度为7.8cm，相对介电常数为6.57。整个区域被单元1cm×0.1cm×1cm的矩形单元剖分为1000×200×100的网格空间，如图5。
(6)路面反射裂缝模型构建
由于路面反射裂缝中充满空气介质，且相对介电常数为1，因此通过改变模型中部分区域的相对介电常数即可模拟反射裂缝的效果。在真实路面三维模型中插入不同深度的反射裂缝模型，基于反射裂缝从基层向上延伸的特征，保持裂缝下部起点位置不变，裂缝深度分别为1mm、3mm、6mm、10mm、15mm、30mm、40mm、60mm、100mm、140mm裂缝宽度和长度分别为0.5mm、1.5m，如图6。
(7)模拟计算
由于实际检测过程中，电磁波的发射间距以及频率等参数对雷达检测特征图像的构成有重要影响，不同的发射间距条件下的雷达检测图像不同。本次实例将选取0.5m作为本次电磁波的发射间距，因此本次获得的雷达检测特征图像仅可应用于0.5m发射间距的雷达检测剖面图。完成电磁波各项参数的设置后，即可将反射裂缝模型导入GPR图像三维正演程序中。每个深度反射裂缝模型可模拟计算得20道单道反射波，通过对上述波形图像化处理即可得该模型的雷达检测剖面，如图7。
(8)构建反射缝深度反算公式
在正常道路三维模型中插入不同程度的三维纵向反射裂缝，裂缝深度分别为1mm、3mm、6mm、10mm、15mm、30mm，裂缝宽度和长度分别为0.5mm、1.5m，并对这些模型进行正演计算，得到雷达检测二维剖面图和反射电压波形图，根据裂缝深度以及A4的峰值可建立如下关系，X表示裂缝深度，单位为mm，Y表示该处峰值，拟合公式下式，相应R2＝0.9978。
y＝14.753x+59.418
该式可基本反映A4波峰随下面层反射裂缝深度变化的数学关系，因此可通过该式反算下面层反射裂缝深度。
(9)评价路面结构整体性能
根据雷达车检测得到的雷达实际检测剖面图和实际反射波形图以及病害现场图，通过Pavecheck软件计算分析可知电磁波从发射腔体传至路表的走时以及反射电压，将反射电压带入上述公式可得反射裂缝在下面层发展的深度，进而评价路面结构整体性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，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所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对高速公路路面现场钻芯取样；
（2）通过测量芯样品各结构层的厚度及相对介电常数，获取路面各个结构层的厚度及相对介电常数的数据；
（3）基于芯样品的测量数据，使用MATLAB构建真实路面三维模型；
（4）基于三维模型，在模型底部构建并插入不同损伤程度的反射裂缝模型；
（5）设定检测雷达电磁波的各项参数，将反射裂缝模型导入GPR图像三维正演软件中，模拟计算出多道单道反射波，再通过对波形图像化处理即得该模型的雷达检测剖面；
（6）构建反射缝深度反算公式，计算反射裂缝发展深度，评价路面结构整体性能；所述反射缝深度的反算方法为将假定裂缝深度和正演得到电压峰值经过拟合得到电压峰值为因变量，裂缝深度为自变量的反算公式；根据雷达车检测得到的雷达实际检测剖面图和实际反射波形图以及病害现场图，通过Pavecheck软件计算分析可知电磁波从发射腔体传至路表的走时以及反射电压，将反射电压带入上述公式可得反射裂缝在下面层发展的深度，进而评价路面结构整体性能。
2.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于：所述步骤（1）中钻芯取样的样品的厚度需大于上、中、下三层结构的厚度之和。
3.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于：所述步骤（2）中结构层包括上、中、下三层结构层。
4.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（2）中芯样品的相对介电常数的测量方法如下：将芯样品各结构层分离，切割出多块圆片，使用介电常数测试仪多次测试获取结构层的介电常数数据。
5.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（4）中在模型底部构建并插入不同损伤程度的反射裂缝模型方法如下：通过MATLAB在真实路面三维模型的底部插入长方体模型模拟小裂缝。
6.根据权利要求5所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（4）中，通过改变小裂缝的长方体模型顶面的Z坐标，以模拟不同损伤程度的反射裂缝。
7.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（4）中反射裂缝模型的相对介电常数为1。
8.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（5）中检测雷达电磁波的参数包括频率和间距，电磁波中心频率为1Ghz，反射间距为0.5m。
9.根据权利要求1所述的基于GPR图像正演技术的道路路面反射裂缝深度发展模拟方法，其特征在于，所述步骤（5）中利用MATLAB对波形图像化处理。
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