基于探地雷达资料的混凝土无损检测反演成像方法

Constructing an accurate and intuitive interpretation method for ground penetrating radar data is the bottleneck and difficulty to solve the concrete nondestructive testing in current engineering construction. At present, the ground penetrating radar data interpretation technique is still established on the experience for radar image identification and manual delineated radar abnormal body, obviously has strong subjectivity. According to the defects, the project is based on electromagnetic wave propagation theory, sets up the mathematical model according with concrete structure and observation system. And quantizing the concrete electromagnetic properties by forward modeling provides better prior information for inversion. On this basis, we design widely convergence and high resolution inversion imaging method according to coefficient of concrete structure（for example permittivity)by total variation regularization method and self-adaptive homotopy algorithm. Furthermore, with the actual testing data for construction member, we realize the preliminary application for theory and method. This project provides a well physical interpretation for radar data in concrete nondestructive testing, results can be used for intelligent explanation for position, scale and property of target in concrete.

构建一种准确、直观的探地雷达数据解释方法是解决当前工程建筑中混凝土无损检测的瓶颈与难点。目前，探地雷达数据的解释技术仍然建立在凭经验对雷达图像的识别和手工圈定雷达异常体的基础上，明显存在很强的主观性。针对此缺陷，本项目以电磁波传播原理为理论依据，建立符合混凝土结构和观测系统的数学模型，通过正演模拟量化混凝土内不同参数的电磁属性，为反演提供较好的先验信息。在此基础上，利用全变分正则化方法和自适应同伦算法，针对混凝土结构的参数（例如介电常数），构造大范围收敛的、高分辨率的反演成像方法。进而结合实际的构件试验资料，实现理论和方法的初步应用。本项目为混凝土无损检测中的雷达资料提供了良好的物理解释，成果可用于对混凝土中目的体位置、尺度及属性的智能化解释。

本项目从时域Maxwell方程出发, 考虑二维空间中的TM(横磁波)模型, 利用基于时间域有限差分法（FDTD）和Yee网格剖分，进行探地雷达反射特征模拟，通过模拟的探地雷达剖面图观察电磁波在不同介质处的反射特征, 判断缺陷的位置。通过对钢筋、空洞和水三个混凝土构件中最常见的缺陷的数值分析，得到了不同介质分界面处的电磁反射特征，并对这三种介质在不同深度的反射强度进行比较，得到了不同介质关于深度及反射强度的具体函数关系，此外还对不同频率的雷克（Ricker）子波在这三种介质中可以探测的深度及分辨率进行了分析，得到了不同深度及不同性质的缺陷所需要的比较理想的中心发射频率。针对水利水电工程中的混凝土构件无损探测问题，提出了一种新的反演成像方法。传统方法主要依赖人工经验观察偏移探测数据，精度无法保证。这种方法以Maxwell方程的TM问题为数学模型，在混凝土的表面放置发射源与接收器，根据探地雷达的接收数据，采用同伦优化方法结合收敛速度较快的阻尼高斯牛顿方法作为反演算法，其成像结果更具定量化和可视性。该成像方法克服了传统雷达剖面图只能近似地反映混凝土中埋藏物及缺陷的深度、大小等缺点，不仅能够探测混凝土内部异物的位置，而且能够比较准确地确定异物的大小及属性。通过计算机模拟以及对实际资料的处理，验证了该反演成像结果直观、可靠、实用性较大。