Tài liệu NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DÙNG TRONG HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT PDF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ ANH ĐÀO NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DÙNG TRONG HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (HƢỚNG KĨ THUẬT) Mã số: 66 44 032 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI HỮU PHÚ Thành phố Hồ Chí Minh – 2011 LÔØI CAÛM ÔN Đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: TS. Bùi Hữu Phú, là giảng viên trực tiếp hướng dẫn, Thầy đã tạo điều kiện và hỗ trợ tôi hết mức trong quá trình làm luận văn. Dù rất bận rộn nhưng Thầy luôn sắp xếp và dành nhiều thời gian để gặp gỡ tôi hàng tuần. Thầy đã tận tình xem xét tình hình, hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức và phương pháp nghiên cứu, cung cấp nhiều tài liệu rất hữu ích cho tôi. Những lời động viên và nhắc nhở thường xuyên của Thầy đã giúp cho tôi rất nhiều trong quá trình hoàn tất luận văn. Quý Thầy Cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm, đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn tất luận văn. Xin chân thành cảm ơn, Phạm Thị Anh Đào Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR MỤC LỤC Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT .....................................1 1.1 Lịch sử phát triển .............................................................................................1 1.2 Giới Thiệu Chung Về Radar Xuyên Đất ..........................................................2 1.3 Nguyên Lý Hoạt Động .....................................................................................3 Chƣơng 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC DÙNG TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT .....7 2.1 Sóng điện từ .....................................................................................................7 2.2 Sự tổn thất và suy giảm của sóng điện từ ......................................................11 2.3 Một Số Phương Pháp Thu Thập Dữ Liệu ......................................................17 2.3.1 Phương pháp mặt cắt phản xạ ......................................................................17 2.3.2 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng (WARR) .........................................18 2.3.3 Phương pháp chiếu sóng ..............................................................................19 2.4 Đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến tính toán độ sâu ..........................................20 Chƣơng 3 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU RADAR XUYÊN ĐẤT ..22 3.1 HIệu Chỉnh Thời Gian 0 (Time Zero Adjust) ................................................22 3.2 Trừ Trace Trung Bình (Subtract Mean Trace) ...............................................23 3.3 Loại Bỏ DC (DC Removal) ...........................................................................24 3.4 Xóa Bỏ Nền (Background Removal) .............................................................25 3.5 Lọc Dewow ....................................................................................................27 3.6 Khuếch Đại AGC ...........................................................................................28 3.7 Giải Chập (Deconvolution) ............................................................................29 3.7.1 Lọc Nghịch Đảo (Inverse Filtering) .............................................................31 v Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR 3.7.2 Lọc Wiener Tối Ưu (Optimal Wiener Filter) ...............................................32 3.7.2.1 Giải Chập Nhọn (Spiking) .....................................................................34 3.7.2.2 Giải Chập Dự Đoán (Predictive Deconvolution) ...................................35 3.7.3 Các tham số dùng trong bộ lọc Wiener ........................................................37 3.7.4 Kĩ Thuật Di Trú (Migration) ........................................................................38 3.7.4.1 Di trú tổng tán xạ và di trú Kirchoff ......................................................40 3.7.4.2 Di Trú Tần Số - Số Sóng (FK) ...............................................................43 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ TRÊN MATLAB ....................46 4.1 Mô Tả Tín Hiệu Thu Phát ..............................................................................47 4.2 Các Phương Pháp Xử Lý Cơ Bản ..................................................................50 4.2.1 Điều Chỉnh Vị Trí Tín Hiệu (Adjust Signal Position) .................................50 4.2.2 Xóa Bỏ Trace Xấu ........................................................................................53 4.2.3 Xóa Bỏ Background .....................................................................................56 4.2.4 Lọc Dewow ..................................................................................................57 4.2.5 Khuếch Đại AGC Biên Độ Hiệu Dụng (RMS) ............................................60 4.3 Các Phương Pháp Xử Lý Cấp Cao ................................................................63 4.3.1 Giải Chập Dự Đoán ......................................................................................63 4.3.1.1 Thiết Kế Bộ Lọc Dự Đoán .....................................................................64 4.3.1.2 Chọn Khoảng Cách Dự Đoán ................................................................68 4.3.2 Kĩ Thuật Xử Lý Di Trú (Migration) .............................................................74 4.3.2.1 Di Trú Dựa Trên Nguyên Lý Tổng Tán Xạ ...........................................76 4.3.2.2 Ngoại suy trường sóng và di trú tần số - số sóng (FK) ..........................78 vi Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống Radar xuyên đất ......................4 Hình 1-2 Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất ...................5 Hình 1-3 Đường cong chỉ thời gian truyền của mỗi dạng sóng ...............................5 Hình 2-1 Môi trường điện môi đa lớp ....................................................................16 Hình 2-2 Phương pháp mặt cắt phản xạ .................................................................18 Hình 2-3 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng WARR ......................................18 Hình 2-4 Phương pháp điểm sâu chung (CMP) .....................................................18 Hình 2-5 Phương pháp chiếu sóng .........................................................................19 Hình 3-1 Ví dụ về sự dịch chuyển vị trí điểm thời gian 0 .....................................23 Hình 3-2 Hình (a) dữ liệu thô và hình (b) dữ liệu sau khi đã qua xử lý trừ trace trung bình ..................................................................................................................24 Hình 3-3 Minh họa cho xử lý xóa DC, hình được tham khảo từ [15] ...................25 Hình 3-4 Trước khi áp dụng xóa bỏ Background ..................................................26 Hình 3-5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background ......................................................26 Hình 3-6 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11] ............27 Hình 3-7 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11] ............28 Hình 3-8 (a) Phản xạ đều của các trái đất (b) Sự thay đổi biên độ theo thời gian tương ứng với mỗi phản xạ .......................................................................................28 Hình 3-9 Khái niệm khuếch đại tín hiệu (a) Dữ liệu gốc (b) Hàm khuếch đại (c) Tín hiệu sau khi khuếch đại, tham khảo [11] ............................................................29 Hình 3-10 Sơ đồ của tích chập xung đầu vào với hàm phản xạ .............................31 Hình 3-11 Sơ đồ của lọc nghịch đảo ......................................................................32 Hình 3-12 Sơ đồ của bộ lọc tối ưu Wiener ............................................................33 Hình 3-13 Minh họa cho kết quả thu được sau khi giải chập spiking ...................35 Hình 3-14 Sơ đồ giải mã chập dự đoán sử dụng bộ lọc dự đoán ...........................37 Hình 3-15 Nguyên lý di trú dựa trên ngoại suy và tính tổng .................................39 Hình 3-16 Ngoại suy từ p (x, z, t) với việc tăng dần độ trễ p (x, z, t - n z/c) ......40 viii Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Hình 3-17 Cấu hình và hệ tọa độ cho di trú Kirchoff ............................................41 Hình 3-18 Sơ đồ xử lý di trú Kirchoff ...................................................................42 Hình 3-19 Ánh xạ sóng từ miền thời gian sang tần số ...........................................43 Hình 3-20 Sơ đồ xử lý di trú F-K ...........................................................................44 Hình 4-1 Tín hiệu xung truyền từ nguồn phát Radar xuyên đất ...........................47 Hình 4-2 Tín hiệu nhận được sau khi phản xạ chỉ trên một trace .........................48 Hình 4-3 Ảnh gốc thu được từ hệ thống GSSI ......................................................49 Hình 4-4 Lưu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí 0 ......................................................51 Hình 4-5 Dữ liệu trước khi xử lý ..........................................................................52 Hình 4-6 Dữ liệu sau khi xử lý ..............................................................................53 Hình 4-7 Lưu đồ thực hiện xóa bỏ Bad Traces .....................................................54 Hình 4-8 Ảnh gốc trước khi xử lý loại bỏ trace xấu .............................................55 Hình 4-9 Kết quả sau khi thực hiện xóa bỏ trace xấu ...........................................55 Hình 4-10 Ảnh chưa qua xử lý xóa bỏ background ................................................56 Hình 4-11 Ảnh đã qua xử lý xóa bỏ background ....................................................57 Hình 4-12 Lưu đồ thực hiện quá trình Dewow .......................................................58 Hình 4-13 Ảnh gốc sau khi thực hiện xóa DC, trace xấu chưa xử lý dewow .........59 Hình 4-14 Ảnh sau khi thực hiện xử lý dewow và background .............................59 Hình 4-15 Lưu đồ thực hiện khuếch đại AGC ........................................................61 Hình 4-16 Dữ liệu gốc ban đầu trước khi xử lý AGC............................................62 Hình 4-17 Hình ảnh sau khi được khuếch đại AGC ..............................................62 Hình 4-18 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 20 ............................................66 Hình 4-19 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 50 ............................................67 Hình 4-20 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 50 ............................................67 Hình 4-21 Tỉ số của năng lượng trước và sau khi giải chập dự đoán ....................68 Hình 4-22 Giải mã chập dự đoán với các khoảng cách dự đoán khác nhau ..........70 Hình 4-23 Kết quả của giải chập dự đoán với = 1..............................................71 Hình 4-24 Kết quả của giải chập dự đoán với = 5..............................................71 Hình 4-25 Kết quả của giải chập dự đoán với = 10 ...........................................72 ix Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Hình 4-26 Sơ đồ thực hiện giải mã chập dự đoán ..................................................73 Hình 4-27 Năng lượng của một điểm nguồn bị phân tán trên các bộ nhận ...........74 Hình 4-28 Dạng sóng thu tương đương trong miền thời gian ................................74 Hình 4-29 Biểu diễn hình học của mô hình nguồn phát ........................................75 Hình 4-30 Di trú dựa trên nguyên lý tính tổng tán xạ (a) Một hyperbol tán xạ (b) Sau khi di trú .............................................................................................................76 Hình 4-31 Hiển thị hình ảnh B-scan chưa xử lý di trú (hình hyperbolic) ..............77 Hình 4-32 Hình ảnh B-Scan qua xử lý di trú tổng tán xạ ......................................78 Hình 4-33 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 1 ........................81 Hình 4-34 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 1 .............................82 Hình 4-35 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 2 ........................82 Hình 4-36 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 2 .............................83 Hình 4-37 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 3 ........................84 Hình 4-38 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 3 .............................84 Hình 4-40 (a) Thuật toán di trú Stolt (b) Thuật toán di trú Gazdag ......................86 x Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây trên một số vùng lãnh thổ của cả nước đã xảy ra những hiện tượng địa chất, gọi là tai biến địa chất, đe dọa rất nhiều đến tính mạng của con người, các công trình giao thông đô thị, các công trình xây dựng cao ốc, các tuyến đường bờ sông, … gây hoang mang cho người dân trong khu vực và chính quyền địa phương. Có 2 nhóm yếu tố liên quan mật thiết đến các tai biến trên. Một là nhóm yếu tố thuộc về môi trường địa chất, môi trường đất – đá đặc trưng cho khu vực lãnh thổ đó. Hai là nhóm yếu tố thuộc về các hoạt động kinh tế - xã hội đang diễn ra rầm rộ như xây dựng các khu công nghiệp, cao ốc, … Thực tế đã gây ra các vụ lún sụp trong một số khu dân cư như ở phường Phước Long A, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh năm 2005, hàng chục nhà cửa và đất vườn bị sụp lún nghiêm trọng. Kế đến là hiện tượng sụp lún các công trình giao thông đô thị mà gần đây báo chí hay gọi là ―hố tử thần‖, đã gây những vụ tai nạn đáng tiếc cho người đi đường, và người dân sống xung quanh đó. Ngày qua ngày, các hố tử thần vẫn liên tục xuất hiện một số nơi ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh với mật độ dày hơn và nguy hiểm hơn đã gây ra bao thiệt hại kèm theo. Điều này đã dấy lên hồi chuông cảnh báo về một sự thay đổi rất lớn về địa chất trong lòng đất. Biện pháp duy nhất để hạn chế sự xuất hiện của các hố tử thần là phải rà soát, kiểm tra trên bề mặt, khảo sát các tuyến đường xem có vết nứt hay không, nước có ngấm xuống dưới không, ... Radar xuyên đất được xem là một giải pháp tối ưu được sử dụng để khảo sát. Về lâu dài cần tìm được nguyên nhân và xác định được vị trí chính xác của các tai biến địa chất này, trước hết phải hiểu rõ các đặc tính môi trường địa chất, địa tầng, tính chất cơ, hóa, ... Radar xuyên đất cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc thăm dò khảo sát địa chất trong lòng đất, chỉ ra những dị thường trong lòng đất. Trên vùng lãnh thổ Việt Nam, kể từ sau chiến tranh kết thúc đến nay, bom mìn vẫn còn chôn vùi trong lòng đất khá nhiều rải rác từ nam ra bắc, hàng ngày nó đã gây ra những tai nạn thương tâm cho những người dân vô tình đạp phải nó. Để giảm mức nguy hại do bom mìn gây ra cho người dân trong thời bình, các nhà khoa i Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR học đã tiến hành đề xuất và nghiên cứu các robot dò bom mìn để phát hiện và gỡ bỏ bom mìn. Công nghệ Radar xuyên đất một lần nữa lại khẳng định được vai trò và vị trí của nó trong việc dò tìm và phát hiện. Một ưu điểm nổi trội nữa của Radar xuyên đất khiến nó trở thành tâm điểm của mọi sự lựa chọn đó là khảo sát, dò tìm nhưng không phá hủy và thâm nhập vào công trình, khác với các phương pháp truyền thống. Các phương pháp truyền thống đòi hỏi phải đập phá, lấy mẫu, đo đạc, ... gây hư hỏng cho các công trình đặc biệt là các công trình xây dựng và các đồ vật khảo cổ, ... Phương pháp Radar xuyên đất là một phương pháp địa vật lý thông dụng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực địa kỹ thuật, khảo cổ. Radar xuyên đất có nhiều thuận lợi như dễ di chuyển, không phá hủy, tốc độ xử lý nhanh, độ phân giải cao, … nhưng ở Việt Nam hầu hết các thiết bị máy móc đều được mua từ nước ngoài với giá thành khá cao hoặc mượn máy móc từ các tổ chức nước ngoài về kiểm tra, khảo sát. Điều này gây rất nhiều trở ngại về thời gian, tiền bạc cũng như tính chủ động trong công việc hay nghiên cứu. Nhằm mục đích góp phần vào nghiên cứu tính khả thi của việc chế tạo một máy dò tìm sử dụng kĩ thuật radar xuyên đất giá thành thấp hơn phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam, học viên đã bắt tay đi vào tìm hiểu hệ thống Radar xuyên đất và đặc biệt là các phương pháp xử lý tín hiệu cần thiết sử dụng trong Radar xuyên đất. Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp, học viên đã nghiên cứu, tìm tòi, tham khảo các tài liệu khác nhau và xây dựng nên một chương trình xử lý tín hiệu Radar xuyên đất bằng Matlab. Thông thường, dữ liệu phản xạ Radar xuyên đất thu được trong trường có nhiễu, clutter, đa phản xạ, … và thường chứa các phản xạ lạ như sóng không khí, đa phản xạ và các hyperbol nguồn điểm làm khó khăn cho tiến trình biên dịch. Ngoài ra, các dữ liệu phản xạ thu về thường không được thu thập đúng độ sâu hoặc đúng tỉ lệ, … Do đó, dữ liệu phản xạ gốc cần được ―làm sạch‖ và điều chỉnh bằng một số phương pháp xử lý trước khi đi vào biên dịch và minh giải. ii Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Để thực hiện các phương pháp xử lý này, bước đầu tác giả đã nghiên cứu một cách toàn diện và chi tiết về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động của hệ thống Radar xuyên đất cũng như các ưu, khuyết điểm của phương pháp. Tiếp đến, tác giả đi tìm hiểu các phương pháp xử lý thường được sử dụng trong Radar xuyên đất đặc biệt trong các thiết bị hay phần mềm hiện có trên thị trường của các nhà sản xuất như Mala (Ground Vision), GSSI (RADAN), Pulse Ekko (Ekko View), ... Sau đó, tác giả tiếp tục tìm tòi tài liệu, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và tác dụng thật sự của từng phương pháp lên tín hiệu như thế nào ... Cuối cùng, tác giả tiến hành xây dựng thuật toán thực hiện và chương trình Matlab mô phỏng các phương pháp xử lý đó. Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn này sẽ bao gồm những phần sau : Chƣơng 1: Tổng quan về Radar xuyên đất Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất, về lịch sử phát triển, cho người đọc có cái nhìn tổng quan về Radar xuyên đất. Ngoài ra, chương này cũng đưa ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống Radar, các bộ phận cấu thành hệ thống. Sau đó, sẽ trình bày sơ lược về kĩ thuật Radar xuyên đất, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất nằm dưới bề mặt trái đất. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp Radar xuyên đất Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản xạ, khúc xạ, tán xạ, suy hao, hấp thụ, … của các vật cản hay nguồn điện trường khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và vận tốc truyền dưới môi trường điện môi. Cuối cùng là giới thiệu các phương pháp thu thập số liệu để ước lượng quá trình tính vận tốc. iii Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Chƣơng 3: Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu Radar xuyên đất Đây là phần tương đối quan trọng của luận văn, khái quát các phương pháp từ xử lý cơ bản đến xử lý phức tạp bao gồm: điều chỉnh vị trí 0, xóa bỏ DC, xóa bỏ Background, khuếch đại AGC, giải chập hay di trú. Chương này chủ yếu trình bày về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động, các phép toán thực hiện hoặc sơ đồ tổng quan của các phương pháp xử lý, kết quả có được nếu sử dụng phương pháp, mục đích của chương là chuẩn bị tiền đề cho việc thực hiện các phương pháp xử lý thực tế ở chương sau. Chƣơng 4: Mô phỏng kết quả thực hiện trên Matlab Xử lý tín hiệu trên dữ liệu gốc của hệ thống Radar xuyên đất có 2 mục tiêu chính. Mục tiêu đầu tiên là làm suy giảm clutter, clutter là những tín hiệu tán xạ ngược có thể không xuất phát từ mục tiêu nhưng xảy ra cùng cửa sổ thời gian và có đặc tính phổ tương tự như tín hiệu thật. Một số nguồn tạo clutter như bề mặt không khí – mặt đất, đa phản xạ giữa ăngten và mặt đất, phản xạ do sự không đồng nhất của các lớp đất đá, … Mục tiêu thứ hai là cải thiện chất lượng hình ảnh để dễ dàng hơn và chính xác hơn cho quá trình minh giải. Các kĩ thuật tăng độ hội tụ của hình ảnh làm giảm ảnh hưởng của độ rộng chùm tia của ăngten được gọi là kĩ thuật di trú cũng được giới thiệu trong phần này. Chương này là phần chính của luận văn, phần này được chia thành hai nhóm là nhóm xử lý căn bản và nhóm xử lý cấp cao. Mỗi một phương pháp xử lý đều được tiến hành thiết kế, thực hiện chương trình xử lý trên Matlab. Chương trình xử lý Matlab có khả năng đọc các định dạng khác nhau của dữ liệu đầu vào như tập tin có đuôi .DZT, .RD3, .DT1. Sau mỗi phương pháp xử lý, là hiển thị các kết quả hình ảnh đạt được cùng những so sánh và nhận xét so vói ảnh gốc. Trọng tâm chính của chương là hai phương pháp giải chập dự đoán và di trú. Hai phương pháp này cải thiện tốt độ phân giải của hình ảnh, tuy nhiên thuật toán thực hiện tương đối khó và phức tạp đặc biệt ở phép xử lý di trú. iv Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất, về lịch sử phát triển, cho người đọc có cái nhìn tổng quan về Radar xuyên đất. Ngoài ra, chương này cũng đưa ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống Radar, các bộ phận cấu thành hệ thống. Sau đó, sẽ trình bày sơ lược về kĩ thuật Radar xuyên đất, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất nằm dưới bề mặt trái đất. 1.1 Lịch sử phát triển Năm 1904, Hulsmeyer đã sử dụng các tín hiệu điện từ lần đầu tiên để xác định sự hiện diện của những vật thể bằng kim loại từ xa trên đất liền. Sáu năm sau đó, những mô tả đầu tiên về sử dụng sóng điện từ xác định vị trí của các vật thể chôn dưới đất xuất hiện trong một bằng sáng chế của Leimbach và Lowy, người Đức. Kỹ thuật của họ bao gồm chôn những ăngten lưỡng cực trong một dãy các lỗ khoan thẳng đứng và so sánh cường độ tín hiệu thu được khi các cặp ăngten lần lượt được sử dụng để phát và thu. Bằng cách này, một ảnh thô có thể được tạo cho bất kỳ vùng nào trong dãy đó, nhờ vào độ dẫn suất của nó cao hơn môi trường xung quanh. Các tác giả này đã vạch ra một kỹ thuật khác, hoạt động tách rời nhau, anten được đặt trên bề mặt để dò các phản xạ từ một bề mặt dưới đất hình thành bởi nước ngầm hoặc từ một lớp trầm tích. Một sự mở rộng kỹ thuật này đã dẫn đến phương pháp biểu thị độ sâu của một bề mặt phân cách chôn dưới đất, bằng cách kiểm tra sự giao thoa giữa sóng phản xạ và khảo sát rò rỉ trực tiếp giữa các anten trên mặt đất. Công trình nghiên cứu của Hiilsenbeck năm 1926 sử dụng lần đầu tiên các kỹ thuật dùng xung để xác định các đặc điểm của công trình ngầm. Ông nhận thấy rằng bất kỳ sự thay đổi chất điện môi, không nhất thiết liên quan đến độ dẫn suất, cũng sẽ tạo ra các phản xạ. Kỹ thuật này có lợi thế hơn các phương pháp địa chấn, vì sự thực hiện các nguồn định hướng dễ dàng hơn. 1 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Những kỹ thuật dùng xung được phát triển từ những năm 1930 trở đi chỉ như là một phương pháp thăm dò, dùng để thăm dò độ sâu của băng, nước ngọt, mỏ muối, hình dạng cát sa mạc và đá. Thăm dò đá và than đá cũng đã được nghiên cứu bởi Cook, Roe và Ellerbruch, mặc dù độ suy giảm cao hơn trong vật liệu sau, có nghĩa là có độ sâu lớn hơn vài mét là không thực tế. Mãi đến năm 1970, GPR mới được quan tâm trở lại khi những nghiên cứu về việc đổ bộ lên mặt trăng được tiến hành. Đối với các ứng dụng này, một trong những ưu điểm của GPR hơn kỹ thuật địa chấn đã được khai thác, cụ thể là khả năng sử dụng từ xa, bộ chuyển đổi năng lượng bức xạ không tiếp xúc, thay vì các kiểu hoạt động tiếp xúc với mặt đất trong những khảo sát địa chấn. Bộ chuyển đổi từ xa có khả năng chấp nhận được, bởi vì tỷ lệ trở kháng điện môi giữa không gian tự do và vật liệu đất, thường từ 2-4, rất nhỏ so với tỷ lệ tương ứng cho trở kháng âm thanh có hệ số thường vào khoảng 100. Từ những năm 1970 cho đến ngày nay, phạm vi của các ứng dụng GPR được mở rộng đều đặn, và hiện nay bao gồm các lĩnh vực như kiểm tra không phá hủy cấu trúc xây dựng và cao ốc, khảo cổ học, đánh giá chất lượng đường bộ và đường hầm, xác định vị trí của những lỗ trống và các vật chứa, đường hầm và giếng mỏ, phát hiện đường ống và dây cáp, cũng như viễn thám bằng vệ tinh. Thiết bị được thiết kế theo mục đích sử dụng của mỗi ứng dụng này và người sử dụng hiện nay có một lựa chọn tốt hơn các thiết bị và kỹ thuật. 1.2 Giới Thiệu Chung Về Radar Xuyên Đất Khả năng phát hiện từ xa các vật thể chôn dưới đất đã cuốn hút nhân loại qua nhiều thế kỷ. Một kỹ thuật có thể mô tả mặt đất và hiển thị rõ ràng những thứ chứa trong nó đó là radar thăm dò xuyên đất (GPR), đây được xem là một sự lựa chọn đặc biệt hấp dẫn. Kĩ thuật này liên quan đến truyền sóng điện từ trong môi trường suy hao mạnh, công nghệ ăngten và thiết kế các hệ thống radar băng thông cực rộng, xử lý tín hiệu dạng sóng và xử lý hình ảnh. Hầu hết các Radar xuyên đất là một ứng dụng cụ thể của công nghệ radar xung băng thông cực rộng. 2 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Thuật ngữ ―Ground Penetrating Radar (Radar xuyên đất)‖, ―Groud Probing Radar‖, ―sub – surface radar‖ hoặc ―Surface-penetrating radar (SPR)‖ nói đến một loạt các kỹ thuật điện từ. Những kỹ thuật này được thiết kế chủ yếu để định vị của các vật thể hoặc các bề mặt phân cách chôn dưới mặt đất, ... Công nghệ Radar xuyên đất có những ứng dụng phong phú, việc định hướng và quan điểm thiết kế, cũng như phần cứng, thường phụ thuộc vào loại mục tiêu và vật liệu của mục tiêu và môi trường xung quanh nó. Khi công nghệ ngày càng hoàn thiện, phạm vi ứng dụng của phương pháp Radar xuyên đất rộng và sự phức tạp của các kỹ thuật phục hồi tín hiệu, các thiết kế phần cứng và điều khiển ngày càng tăng. Radar xuyên đất cung cấp một phương pháp an toàn không cần phá vỡ và đào bới công trình. Radar xuyên đất cải thiện đáng kể hiệu quả công tác thăm dò từ lĩnh vực cơ bản cho tới công trình xây dựng, cảnh sát và tư pháp, lực lượng an ninh, tình báo và khảo cổ. Radar xuyên đất thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Để tìm kiếm (dò tìm): Dò tìm khoáng sản, các lỗ khoan hay khoan giếng, dò tìm bom mìn, dò tìm các hệ thống trong công trình ngầm. Để khảo sát: Khảo sát khảo cổ, khảo sát tư pháp, khảo sát đất bị ô nhiễm, khảo sát điều kiện đường xá. Để kiểm tra và đánh giá không phá huỷ: Chất lượng các công trình xây dựng, công trình ngầm, cầu đường, giao thông. Ngoài ra nó còn được sủ dụng trong lĩnh vực viễn thám máy bay và vệ tinh cũng như giám sát và điều khiển các thiết bị tàu ngầm dưới nước hay trên các hành tinh. 1.3 Nguyên Lý Hoạt Động Radar xuyên đất - GPR là một phương pháp địa lý ứng dụng các nguyên lý của sóng điện từ ở dải tần số rất cao (1-1000MHz) để nghiên cứu cấu trúc và các đặc tính của vật chất bên dưới lòng đất mà không phải đào bới, phá hủy cấu trúc của nó. 3 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Thiết bị Radar xuyên đất sử dụng các sóng vô tuyến tần số cao để thu thông tin từ dưới lòng đất. Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trường, khi gặp dị thường sẽ tạo ra các sóng phản xạ và được ăngten thu, ghi lại các tín hiệu phản xạ này một cách liên tục, xử lý và tái tạo thành một hình ảnh. Bộ phát Bộ nhận Bộ xử lý Hiển thị Hình 1-1 Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống Radar xuyên đất Do các sóng phản xạ này được tạo ra từ những mặt ranh giới trung gian môi trường địa chất, nên các sóng phản xạ thường liên quan đến những điều kiện tạo thành tự nhiên trong cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính vật lý khác nhau, nồng độ sét, những khuyết tật, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực cũng như các vật liệu bị chôn vùi do nhân tạo hoặc các khối bê tông, các vật thể không đồng nhất liên quan tới vị trí hang hốc, hàm ếch, tổ mối,… Một trong những vấn đề lớn nhất của Radar xuyên đất là phản xạ mặt đất quá lớn, với hằng số điện môi cao giữa mặt đất và không khí chỉ cho phép một lượng nhỏ năng lượng truyền qua mặt phân cách, phản xạ vào mục tiêu và đi qua mặt phân cách đến Ăngten nhận. Độ sâu thẩm thấu của các phương pháp phụ thuộc vào tần số của Ăngten phátthu tín hiệu và phụ thuộc vào tính chất của đất đá trong môi trường địa chất. Các 4 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR loại Ăngten thông thường được sử dụng để khảo sát cấu trúc địa chất có tần số là 12,5: 25; 100; 200;400 MHz và độ sâu khảo sát 40- 0,1 m. Sau đây là hình ảnh minh họa cho quá trình truyền, bị phản xạ, khúc xạ của sóng điện từ khi đi vào trong lòng đất: Sóng khúc xạ Sóng đến trực tiếp S chỉ nguồn phát Sóng khúc xạ R chỉ bộ thu OFFSET chỉ khoảng cách giữa nguồn phát và thu Hình 1-2 Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất Hình dưới đây là đường cong chỉ thời gian truyền từ bộ phát đến bộ nhận của mỗi dạng sóng ở trên. Thời gian (s) Sóng đến trực tiếp Sóng phản xạ Sóng khúc xạ OFFSET Hình 1-3 Đƣờng cong chỉ thời gian truyền của mỗi dạng sóng 5 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Khi sóng được phát từ nguồn phát đi đến các mục tiêu trong lòng đất thì bộ thu sẽ nhận các sóng đến gồm các loại khác nhau như sau: sóng đến trực tiếp từ trong không khí và trong lòng đất, sóng phản xạ và sóng khúc xạ. Đường đi của sóng khúc xạ là xa nhất, và gần nhất là sóng đến trực tiếp. Tóm lại, chương này đã cho người đọc thấy được cái nhìn tổng quan như thế nào về Radar xuyên đất, về cơ sở hình thành phát triển của nó cũng như những hiệu quả mà nó mang lại cho công tác nghiên cứu, khảo sát trên thực tế. Do đó, để bắt tay vào việc nghiên cứu và phát triển, trước hết ta cần nắm các cơ sở lý thuyết mấu chốt của sóng điện từ, là tín hiệu truyền và phát trong các hệ thống Radar xuyên đất. 6 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Chƣơng 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC DÙNG TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản xạ, khúc xạ, tán xạ, suy hao, hấp thụ, … của các vật cản hay nguồn điện trường khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và vận tốc truyền dưới môi trường điện môi. Cuối cùng là giới thiệu các phương pháp thu thập số liệu để ước lượng quá trình tính vận tốc. 2.1 Sóng điện từ Radar xuyên đất (Ground Penetrating Radar – Radar xuyên đất) là phương pháp thăm dò điện từ dựa vào phép đo trường thứ cấp tạo bởi trường sơ cấp gây ra do hiện tượng cảm ứng điện từ, khi trường sơ cấp truyền qua một dị vật hay mặt phân cách nằm bên dưới mặt đất. Phương pháp radar xuyên đất sử dụng sóng radar là các sóng điện từ tần số cao (1-1000MHz). Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính, chúng tuân theo hệ phương trình Maxwell: B t E H D t J D B v 0 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) Trong đó, các vectơ trường thỏa quan hệ: D E (2.5) B H (2.6) 7 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR J (2.7) E Phương trình Maxwell là nền tảng cho việc xem xét sự lan truyền của sóng điện từ. Trong chân không, độ từ cảm μ và hằng số điện môi ε không đổi, đó là vì chúng độc lập với tần số và môi trường không tán sắc. Trong môi trường điện môi hoàn hảo không gặp sự tổn thất do lan truyền sóng và do đó không xét tới sự suy giảm, chỉ xảy ra trong môi trường điện môi thực. Giả sử rằng mật độ phân bố điện tích khối trong môi trường bằng không (ρ υ = 0). Khi đó, thay (2.6) vào (2.1) và lấy curl của phương trình vừa tính được, ta có: H t E H t (2.8) Thay (2.7) và (2.5) vào (2.2) ta được : H E t E (2.9) Thay phương trình trên vào (2.8): 2 E t E E t2 (2.10) Tương tự, lấy curl hai vế của (2.9), rồi thay (2.1) và (2.6) vào ta có : 2 H t H H t2 (2.11) Ta lại có : A 2 A A Đây là đẳng thức luôn luôn đúng với mọi trường A. Trong đó (2.12) 2 A là laplacian của vectơ A, xác định trong hệ tọa độ vuông góc bởi : 2 A 2 2 Ax ax 8 Ay ay 2 Az az (2.13) Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Ở đây, mỗi thành phần của 2 A chính là Laplacian của thành phần tương ứng của A, chẳng hạn như : 2 2 2 Ax x2 Ax 2 Ax y2 Ax z2 (2.14) Thay (2.10) và (2.11) vào (2.12) ta được : 2 E E t 2 H H t 2 2 E t2 H t2 (2.15) (2.16) Các phương trình đạo hàm riêng (2.15) và (2.16) được gọi là phương trình sóng, hay phương trình Helmholtz. Bây giờ, ta xét sự truyền sóng dọc theo trục z, với trường từ (H) vuông góc trường điện (E) : 2 2 E z2 E t2 (2.17) m/s (2.18) Ở đây vận tốc lan truyền sóng là: 1 vp Vận tốc ánh sáng trong chân không : c 1 3 108 m / s 0 0 Trong đó Độ từ thẩm tuyệt đối trong chân không μ0 = 1.26 x 10-6 H/m Hằng số điện môi tuyệt đối trong chân không ε0 = 8.84 x 10-12 F/m Độ từ thẩm tuyệt đối trong môi trường μ = μ0μr Hằng số điện môi tuyệt đối trong môi trường ε = ε0εr 9 (2.19)