Phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho ra đa xuyên đất

Phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho ra đa xuyên đất . Nonlinear coupling Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KHCN quân sự, Số 82, 10 2022 167 Phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho ra đa xuyên đất Võ Xung Hà, Phương Văn Quang , Vũ.

Thơng tin khoa học cơng nghệ Phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho đa xuyên đất Võ Xung Hà, Phương Văn Quang*, Vũ Đình Tuấn Viện Ra đa/Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: phuongquangmta@gmail.com Nhận bài: 02/6/2022; Hoàn thiện: 29/7/2022; Chấp nhận đăng: 09/8/2022; Xuất bản: 28/10/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.82.2022.167-170 TÓM TẮT Ra đa xuyên đất nghiên cứu, ứng dụng phát vật thể kim loại nhiều dải độ sâu khác Để đảm bảo khả đó, loại đa xuyên đất cần tối ưu cấu trúc tín hiệu phát cho dải độ sâu khác Bài báo trình bày nguyên tắc phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho hệ thống đa xuyên đất dải tần 100 ÷ 1000 MHz Kết phân tích nguyên lý hoạt động, tính tốn, thử nghiệm thực tế cho thấy việc lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát định đến độ sâu phát hiện, độ phân giải theo yêu cầu thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu hoạt động đa xun đất Từ khóa: Ra đa GPR; Tín hiệu; Cấu trúc tín hiệu MỞ ĐẦU Ra đa xuyên đất (viết tắt đa GPR – Ground Penetrating Radar) thiết bị cảm biến theo nguyên lý đa nghiên cứu phát triển mạnh mẽ từ năm 1980 [1] Ra đa GPR sử dụng sóng vơ tuyến để thăm dị địa chất mơi trường có tổn hao điện mơi Trên giới, đa GPR thường thiết kế để hoạt động dải tần cực rộng từ 100 MHz đến 3000 MHz có tính lưỡng dụng nghiên cứu mơi trường, xây dựng, khảo cổ dị tìm bom mìn lĩnh vực quân [2] Trong đó, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát công nghệ then chốt đảm bảo khả làm việc hiệu đa GPR Trong báo này, chúng tơi trình bày giải pháp phân tích, tính tốn, lựa chọn dạng tín hiệu phát, độ rộng xung phát tần số làm việc trung tâm nhằm đáp ứng yêu cầu cấu trúc tín hiệu phát cho hệ thống đa GPR dải tần 100 ÷ 1000 MHz PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC TÍN HIỆU PHÁT CHO RA ĐA XUYÊN ĐẤT 2.1 Nguyên lý hoạt động chung đa xuyên đất Hình Sơ đồ chức đa GPR Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 167 Thông tin khoa học công nghệ Ra đa GPR hoạt động theo nguyên tắc sau: Sóng điện từ phát từ anten phát dạng xung, lan truyền vật chất với vận tốc chủ yếu định tính chất vật liệu Khi sóng lan truyền lịng đất, gặp bất đồng mặt ranh giới môi trường có tính chất điện khác nhau, phần lượng sóng phản xạ tán xạ trở lại mặt đất phần lượng lại tiếp tục di chuyển xuống phía [3] Sóng phản xạ lại ghi nhận anten thu [4] lưu trữ nhớ thiết bị để sử dụng cho xử lý phân tích sau Sơ đồ chức đa GPR thể hình phân thành tuyến sau: - Tuyến phát; - Tuyến thu; - Tuyến xử lý tín hiệu hiển thị; - Tuyến điều khiển đảm bảo 2.2 Phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho đa GPR 2.2.1 Ảnh hưởng cấu trúc tín hiệu đến tham số kỹ thuật đa GPR Xuất phát từ nhiệm vụ chức đa GPR, độ sâu phát độ phân giải yêu cầu kỹ thuật lựa chọn thiết kế đa GPR Tất tiêu kỹ thuật giải pháp kỹ thuật lựa chọn, thực đa GPR nhằm mục đích đảm bảo yêu cầu Ảnh hưởng việc lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát đến yêu cầu kỹ thuật đa GPR cụ thể sau: Dải tần làm việc, độ sâu phát hiện, độ phân giải, mức độ phức tạp hệ thống 2.2.2 Mối quan hệ dạng tín hiệu phát, độ rộng xung yêu cầu thiết kế Tuỳ thuộc vào cách thức thu thập liệu, đa GPR bao gồm loại: đa GPR làm việc miền thời gian, sử dụng tín hiệu phát dạng xung (ra đa GPR xung) đa GPR làm việc miền tần số, sử dụng tín hiệu phát liên tục (ra đa GPR liên tục) Ra đa GPR xung có ưu điểm cấu trúc đơn giản, khả đảm bảo thông tin cao, giá thành sản xuất thấp nhược điểm độ phân giải bị giới hạn độ rộng xung Để đảm bảo độ phân giải cao yêu cầu độ rộng xung hẹp (cỡ ns) 2.2.3 Mối quan hệ tần số trung tâm tín hiệu phát yêu cầu thiết kế Tần số làm việc đa GPR liên quan chặt chẽ với yêu cầu kỹ thuật độ sâu phát mục tiêu độ phân giải mục tiêu Tần số làm việc cao độ sâu phát mục tiêu giảm, độ phân giải mục tiêu tăng (và ngược lại) Độ sâu phát tính theo cơng thức [5]: 1200 K  (1) D tần số làm việc trung tâm (MHz), D độ sâu làm việc (m), K số f cD  Trong đó, điện mơi Độ phân giải theo cự ly tính theo cơng thức [6]: f cR  Trong đó, 75 z K (2) tần số làm việc trung tâm (MHz), Δz độ phân giải (m), K số điện mơi TÍNH TỐN, THỬ NGHIỆM, THẢO LUẬN 3.1 Tham số kỹ thuật đa GPR cần thiết kế Phân tích, tính tốn, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho đa GPR có tham số kỹ thuật trình bày bảng 168 V X Hà, P V Quang, V Đ Tuấn, “Phân tích, lựa chọn cấu trúc … đa xuyên đất.” Thông tin khoa học công nghệ Bảng Các tham số kỹ thuật đa GPR cần thiết kế STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị Dải tần làm việc MHz 100 ÷ 1000 Độ sâu phát m 0.1 ÷ 15 Độ phân giải (phụ thuộc vào anten chọn) m 0.1 ÷ Cấu trúc hệ thống Đơn giản 3.2 Phân tích, tính tốn, lựa chọn tham số cấu trúc tín hiệu phát đa GPR 3.2.1 Phân tích, lựa chọn dạng tín hiệu phát độ rộng xung đáp ứng yêu cầu thiết kế Phù hợp với quan điểm thiết kế nêu bảng 1, ta lựa chọn phương án đa GPR xung với ưu điểm: Cấu trúc đơn giản giá thành sản xuất thấp Để hạn chế ảnh hưởng nhiễu đa đường nâng cao khả chống nhiễu cho đa GPR, ta sử dụng loại đa GPR xung với tín hiệu phát xung thị tần khơng sóng mang tương tự đa GPR UWB Giải pháp cho phép đơn giản cấu trúc máy thu phát đa GPR Với tần số làm việc trung tâm dự kiến lựa chọn 100 MHz, 500 MHz, 1000 MHz (Phân tích mục 3.2.2), độ rộng xung hẹp tương ứng 10 ns, ns, ns 3.2.2 Phân tích, tính tốn, lựa chọn tần số trung tâm tín hiệu phát đáp ứng yêu cầu thiết kế Để dung hoà yêu cầu kỹ thuật độ sâu phát độ phân giải, việc phát tín hiệu dải tần hẹp không đáp ứng yêu cầu thiết kế Giải pháp kỹ thuật để khắc phục điều sử dụng chế chuyển tần số dải tần rộng kết hợp với việc lựa chọn tần số làm việc trung tâm hợp lý Sử dụng công thức (1) (2) điều kiện số điện môi K = 5, kết hợp phân tích, lựa chọn cho thấy dải tần làm việc (100 ÷ 1000) MHz tần số làm việc trung tâm 100 MHz, 500 MHz, 1000 MHz đáp ứng cầu thiết kế thuận lợi cho việc tạo xung hẹp tương ứng 10 ns, ns, ns thể bảng Bảng Độ sâu phát hiện, độ phân giải dải tần (100 ÷ 1000) MHz Tần số làm việc Độ rộng xung phát Độ sâu phát Độ phân giải hiệu STT trung tâm [MHz] [ns] hiệu [m] [m] 100 10 ≤ 15 ≤1 500 ≤ 2.5 ≤ 0.2 1000 ≤ 1.0 ≤ 0.1 3.3 Kết thử nghiệm thực tế đa GPR bình luận a) Thử nghiệm đa GPR thực địa b) Kết hình hiển thị phát mục tiêu giả định đa GPR Hình Dùng đa GPR đo phát mục tiêu giả định chôn nhiều độ sâu khác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 169 Thông tin khoa học công nghệ Thử nghiệm sử dụng cấu trúc tín hiệu phát đa GPR điều kiện thực tế để phát mục tiêu giả định chôn cách mặt đất nhiều dải độ sâu khác hình Kết thử nghiệm thực tế thể bảng Bảng Kết thử nghiệm đa GPR STT Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị Giá trị Độ sâu phát m 0.1 ÷ 15 Độ phân giải m 0.1 ÷ Kết thử nghiệm thực tế cho thấy đa GPR sử dụng tín hiệu phát dạng xung hẹp với tần số làm việc trung tâm 100 MHz, 500 MHz, 1000 MHz đáp ứng yêu cầu độ sâu phát (0.1 ÷ 15) m độ phân giải (0.1 ÷ 1) m phù hợp tính tốn lý thuyết KẾT LUẬN Dựa yêu cầu thiết kế đa GPR: Dải tần làm việc (100 ÷ 1000) MHz, độ sâu phát (0.1 - 15) m, độ phân giải (0.1 - 1) m, cấu trúc hệ thống đơn giản,… Nhóm tác giả tiến hành phân tích, tính tốn, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát đa GPR Kết phân tích, tính tốn, lựa chọn cho thấy: Trong dải tần làm việc (100 ÷ 1000) MHz, tín hiệu phát dạng xung hẹp 10ns, 2ns, 1ns tương ứng với tần số làm việc trung tâm 100 MHz, 500 MHz, 1000 MHz đáp ứng yêu cầu thiết kế Kết thử nghiệm thực tế thực địa cho kết tương ứng chứng tỏ phù hợp sở lý thuyết thực tế thiết kế, chế tạo Giải pháp phân tích, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát có ý nghĩa quan trọng khơng áp dụng đa GPR mà cịn có tính ứng dụng cao tính tốn thiết kế loại đa khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Harry M JOL, “Ground Penetrating Radar Theory and Applications,” Elsevier Science, pp 4-5, (2009) [2] Davis J L, & Annan A P, “Ground‐ penetrating radar for high‐ resolution mapping of soil and rock stratigraphy 1” Geophysical prospecting, pp 37, 531-551, (1989) [3] Nurul Jihan Farhah Bostanudin, “Computational Methods for Processing Ground Penetrating Radar Data”, University of Portsmouth, pp 58, (2013) [4] Richard C Johnson, “Antenna engineering handbook”, Georgia Institute of Technology, pp 682749, (1993) [5] Annan, A P, “Ground Penetrating Radar: Principles, Procedures & Applications”, Sensors & Software Inc Mississauga, pp 146-147, (2004) ABSTRACT Analysis and selection of signal structure for ground-penetrating radar Ground-penetrating radar has been studied and applied in detecting metal objects at various depths To ensure that, ground-penetrating radars need to be optimized for the signal structure for each different depth range This paper presents the principles of analysis and selection of signal structure for ground-penetrating radar systems in the frequency range of 100-1000 MHz The results of the analysis of the operating principles, calculations, and practical tests show that the selection of the transmitter signal structure determines the detection depth, resolution, etc., according to the design requirements to meet the requirements operate on ground-penetrating radar Keywords: Radar GPR; Signal; Signal structure 170 V X Hà, P V Quang, V Đ Tuấn, “Phân tích, lựa chọn cấu trúc … đa xuyên đất.” ... thuật đa GPR cần thiết kế Phân tích, tính tốn, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát cho đa GPR có tham số kỹ thuật trình bày bảng 168 V X Hà, P V Quang, V Đ Tuấn, ? ?Phân tích, lựa chọn cấu trúc … đa xuyên. .. (phụ thuộc vào anten chọn) m 0.1 ÷ Cấu trúc hệ thống Đơn giản 3.2 Phân tích, tính tốn, lựa chọn tham số cấu trúc tín hiệu phát đa GPR 3.2.1 Phân tích, lựa chọn dạng tín hiệu phát độ rộng xung đáp... phân giải (0.1 - 1) m, cấu trúc hệ thống đơn giản,… Nhóm tác giả tiến hành phân tích, tính tốn, lựa chọn cấu trúc tín hiệu phát đa GPR Kết phân tích, tính tốn, lựa chọn cho thấy: Trong dải tần