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

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 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. 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.

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 v 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR vi 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR viii 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR ix 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR x 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR i 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 Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR ii 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. Các Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR iii 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. [...]... 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... 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. .. R1 R2 Mặt phân cách Hình 2-4 Phƣơng pháp điểm sâu chung (CMP) 18 R3 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR 2.3.3 Phƣơng pháp chiếu sóng Trong phương pháp này, người ta bố trí các ăngten phát và thu đối diện nhau thông qua môi trường cần nghiên cứu Vì vậy, phương pháp chiếu sóng thường được thực hiện trong các hầm lò đang khai thác, hay trong các lỗ khoang Chúng phù hợp trong việc nghiên cứu các cấu trúc hoặc... tả, tính toán khá chi tiết và cụ thể Kế đến là trình bày các cách thu thập dữ liệu và ước lượng vận tốc hay tính toán độ sâu trong môi trường điện môi 21 Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR Chƣơng 3 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU RADAR XUYÊN ĐẤT Đây là phần tương đối quan trọng của luận văn, chương này 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... 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... 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. .. 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... 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.. .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... 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- . 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. 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. 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