近十几年，一场大规模的公路建设热潮正在全国各地蓬勃兴起，公路检测和评价将面临日益繁重的任务。原有的钻芯取样或开挖抽样的厚度质量检查方法不仅效率低，代表性差，精度不高，而且对已建成的公路有损坏，已经满足不了发展的需要，为此极需发展快速、简便、高精度、高效率的公路无损检测技术。近二十年发展起来的路用探地雷达就是这样一种公路质量检测设备。 路用探地雷达是一种工作于近地面状态下利用超宽带脉冲电磁波进行路面结构层探测的仪器，其工作原理类似于探空雷达：当雷达发射天线发射的电磁波在路面结构层中传播时会在介质电性性质突变处产生反射和透射，反射回来的波经由接收天线接收并转化为数字信号储存起来，通过分析探地雷达回波信号来估计路面结构层的性质、状态和位置等特征。作为一种非接触、非破损的路面检测技术，它不仅检测精度高、费用低、检测内容丰富，而且检测速度快，能在高速公路时速下，实时连续收集公路信息，经由相应的计算机软件处理，在很短的时间内，可得出有关现测路面使用状况的资料，为道路使用状况评价和维护提供必要的依据和资料。 但是，目前GPR图像解释的自动化程度还比较低。为此，急需开发系统的自动分析软件。开发系统软件，首先必须建立其正演计算模型，即建立电磁波在路面介质中传播的数学模型。模型建立的是否正确，用正演模拟进行检验，因为正演模拟是研究高频电磁波在地下介质中传播规律的有效途径，具体做法为：利用已建好的模型模拟计算雷达回波，将模拟的波形与实测波形进行对比以检验模型建立的是否正确、是否满足精度要求，从而达到检验已建模型的目的。虽然曾有不少学者对此进行过大量研究，然而结论并不完全统一，存在一定分歧。针对目前这种模型多样化的情况，有必要研究、对比各种模型或重新建立一种模型，通过正演模拟分析，找出最精确、最适合我国公路情况的模型，为软件开发提供理论依据和计算模型。这也是本文进行电磁场有限元计算的主要目的。 有限元法在电磁学中的应用已有30年的历史了。有限元法电磁计算的广泛应用及广阔的发展前景，首先来自于工程应用发展的压力，如产品制造规模的不断扩大，即设备的大型化；产品设计制造的复杂性和难度的不断增加，即设备的集成性；对产品性能指标要求的不断提高，即设备的高技术含量；以及产品应用范围的不断扩充，即产品种类的多样化。这些都要求对电气设备或其部件进行高精度的定量计算和优化设计。对于路用探地雷达，就需要研究电磁场在雷达天线及层状路面中的分布问题。 由于电磁信号在路面介质中的传播过程非常复杂，所以通过雷达信号反演路郑州大学硕士学位论文摘要面各层参数的方法还处于探索阶段。国外，探地雷达正演计算主要集中在三维模型的研究上。1993年，中国地质大学应用地球物理系的邓世坤教授曾作过这方面的工作。中国电波传播研究所，西安交通大学、西安电子大学和煤炭部煤科院等单位也曾针对正演模拟过程中出现的各种问题进行过研究，但有关道路正演模拟方面的文献较少。河南省道路检测技术研究中心也曾用快速傅立叶变换法做过正演模拟尝试。近几年来，有人提出在反演计算的基础上进行正演模拟，大大提高了正演模拟计算的精度和实用性，但目前，因模型的多样性和复杂性，计算结果千差万别，很难统一，适合于我国道路状况的模型还有待进一步研究。 针对上述情况，本文系统阐述了电磁场有限单元法的基本原理，然后采用二十节点、四节点等参单元分别对Pulse雷达实体及三层路面系统进行了静态场和时变场的有限元分析，初步建立了电磁波在三层路面中传播的正演模型，同实测波形相比，模拟效果较好，并用Fortran90语言编制了相应的三维、二维有限元程序，具有较好的可读性和可移植性。