NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Quảng Dương Đại Vương NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử (hướng kỹ thuật) Mã số chuyên ngành: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (HƯỚNG KỸ THUẬT) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI HỮU PHÚ Tp Hồ Chí Minh, Năm 2012 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  MỤC LỤC MỤC LỤC 1  CÁC TỪ VIẾT TẮT 4  MỤC LỤC HÌNH ẢNH 5  LỜI MỞ ĐẦU 6  Chương 1.  TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT 13  1.1  Lịch sử phát triển  13  1.2  Giới thiệu chung về radar xuyên đất  . 15  1.3  Nguyên lý hoạt động   16  Chương 2.  CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA RADAR XUYÊN ĐẤT 19  2.1  Sóng điện từ - Phương trình Maxwell  . 19  2.2  Tính chất của vật liệu  . 21  2.3  Sự truyền sóng của trường điện từ   22  2.4  Tính chất của sóng  25  2.5  Phản xạ, tán xạ và truyền dẫn tại bề mặt   26  2.6  Độ phân giải và vùng tác động  . 28  2.7  Sự suy hao tán xạ   30  2.8  Vận tốc truyền   31  2.9  Tiêu chuẩn lấy mẫu   32  Chương 3.  CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR 34    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  3.1  Các định nghĩa và các đặc điểm tần số vô tuyến  . 35  3.1.1  Dynamic range   35  3.1.2  Băng thông   35  3.1.3  Range resolution   36  3.1.4  Unambiguous range   36  3.1.5  Tiêu chuẩn thiết kế cho GPR  37  3.2  Pulse GPR   38  3.2.1  Tổng quan   38  3.2.2  Chu kỳ, độ rộng xung và băng thông   40  3.2.3  Các thông số thiết kế hệ thống   41  3.2.4  Ưu nhược điểm   43  3.3  FMCW GPR   43  3.3.1  Tổng quan   43  3.3.2  Băng thông, chu kỳ   45  3.3.3  Time-of-fly, tần số fB  . 46  3.3.4  Phổ tín hiệu IF   47  3.3.5  So sánh FMCW radar và Pulse radar   49  3.4  SFCW GPR   52  3.4.1  Tổng quan   52  3.4.2  Pha tần số   54  3.4.3  Băng thông   56  3.4.4  Bước tần số   56  3.4.5  So sánh SFCW radar với FMCW radar và Pulse radar  . 57    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Chương 4.  CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THỰC HIỆN TRÊN MATLAB 60  4.1  FMCW GPR   61  4.1.1  Cơ sở lý thuyết  61  4.1.2  Sơ đồ khối FMCW radar   62  4.1.3  Chương trình mô phỏng matlab  . 63  4.2  SFCW GPR   66  4.2.1  Cơ sở lý thuyết  66  4.2.2  Sơ đồ khối  . 68  4.2.3  Chương trình mô phỏng matlab  . 68  4.3  Khảo sát SFCW GPR khi thay đổi các thông số khác nhau  . 71  4.3.1  Độ sâu  . 71  4.3.2  Công suất-độ sâu  . 75  4.3.3  Công suất-tần số   76  4.3.4  Bước tần số   77  81  KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 82           HVTH: Quảng Dương Đại Vương  CÁC TỪ VIẾT TẮT   RADAR  Radio Detection and Ranging  GPR   Ground Penetrating Radar  FMCW  Frequency Modulated Continuous Wave  SFCW  Stepped Frequency Continuous Wave  EM  Electromagnetic  PRI  Pulse Repetition Interval  PRF  Pulse Repetition Frequency  ADC  Analog Digital Converter  EST  Equivalent Time Sampling  LPF  Low Pass Filter  B  Bandwith  FFT  Fast Fourier Transform  IFFT  Inverse Fast Fourier Transform            HVTH: Quảng Dương Đại Vương  MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Sơ đồ hoạt động tổng quát Radar xuyên đất Hình 1-2: Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất   Hình 1-3: Đường cong thời gian truyền của mỗi dạng sóng Hình 2-1: Hướng truyền sóng EM trong không gian Hình 2-2: Phương truyền của sóng Hình 2-3: Quá trình truyền sóng EM tại một vận tốc xác định và có biên độ giảm dần Hình 2-4: Hướng truyền sóng của trường EM Hình 2-5: Độ Phân giải của GPR Hình 2-6: Độ rộng xung tại một nữa biên độ Hình 2-7: Tín hiệu bị tán xạ trong vật liệu truyền Hình 3-1: Sơ đồ khối Pulse GPR Hình 3-2: Chuỗi xung của Pulse GPR Hình 3-3: Chuỗi xung truyền và nhận của Pulse GPR Hình 3-4: Sơ đồ khối của FMCW GPR Hình 3-5: Tín hiệu FMCW Hình 3-6: Khoảng cách từ bộ phát và thu tới mục tiêu Hình 3-7: Tín hiệu truyền và nhận FMCW GPR Hình 3-8: Tín hiệu truyền và nhận trong Pulse GPR Hình 3-9: Tín hiệu truyền và nhận trong FMCW GPR Hình 3-10: Sơ đồ khối của SFCW GPR Hình 3-11: Tín hiệu SFCW GPR Hình 3-12: Bộ Quadrature Mixer Hình 4-1: Truyền và nhận tín hiệu tại các vị trí quan sát Hình 4-2: Hình ảnh biểu diễn tín hiệu thu được Hình 4-3: Sơ đồ khối hoạt động của FMCW GPR Hình 4-4: Giao diện chính chương trình mô phỏng Hình 4-5: Giao diện mô phỏng FMCW GPR Hình 4-6: Tín hiệu nhận được ở độ sâu 5m Hình 4-7: Biên độ tín hiệu ở offset 30 Hình 4-8: Sơ đồ khối hoạt động bộ phát SFCW GPR Hình 4-9: Sơ đồ khối hoạt động bộ thu SFCW GPR Hình 4-10: Giao diện chương trình mô phỏng SFCW GPR Hình 4-11: Tín hiệu thu được ở độ sâu 5m bằng mô phỏng SFCW GPR Hình 4-12: Biên độ tín hiệu ở offset 30 Hình 4-13: Giao diện chương trình mô phỏng SFCW GPR theo độ sâu Hình 4-14: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m Hình 4-15: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5.5m Hình 4-16: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m và 5.5m Hình 4-17: Sự phụ thuộc công suất nhận theo độ sâu Hình 4-18: Mối quan hệ giữa công suất nhận theo tần số Hình 4-19: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=1MHz Hình 4-20: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=4MHz Hình 4-21: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=8MHz   Hình 4-22: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=15MHz Hình 4-23: Đáp ứng  xung của SFCW GPR tại Δf=15MHz   HVTH: Quảng Dương Đại Vương    LỜI MỞ ĐẦU Khả năng quan sát, nắm bắt được các tầng địa chất dưới mặt đất là một đề tài  thú vị thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Có rất nhiều phương pháp thăm dò  dưới   mặt  đất  khác  nhau  được  đưa  ra  như  là  phương  pháp  địa  chấn,  điện  trở  suất,  khảo sát trọng lực, khảo sát từ, bức xạ, … mỗi kỹ thuật có mặt mạnh cũng như mặt    hạn  chế  riêng  tùy  vào  từng  ứng  dụng  của  nó.  Phương  pháp  radar  xuyên  đất  GPR    (Ground penetrating radar) được đưa ra cho mục tiêu  khảo sát các tầng địa chất là  một giải pháp có rất nhiều ưu điểm nổi trội.    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. Nó có nhiều  thuận lợi như dễ di chuyển, không phá hủy, tốc độ xử lý nhanh, độ phân giải cao, …  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    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  đòi hỏi đập phá lấy mẫu, đo đạc, …gây hư hỏng cho các công trình đặc biệt là các  công trình xây dựng và khảo cổ.  Những năm gần đây trong nước ta xảy ra rất nhiều hiện tượng địa chất, gọi là  tai biến địa chất như sụp lún, vết nứt địa chất, sạt lở ở các bờ sông…, ảnh hưởng rất  nhiều đến đời sống xã hội. Thực tế đã xảy ra nhiều vụ sụp lún trong một số khu dân  cư như vụ sụp lún ở phường Phước Long A, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh năm  2005 làm 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  gọi  là  “hố  tử  thần”, đã gây ra những vụ tai nạn đáng tiếc cho người đi đường và người dân sống  quanh đó. Các hố tử thần này vẫn xuất hiện ngày một nhiều hơn ở một số nơi ở Hà  Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh với mật độ dày hơn và nguy hiểm hơn. Biện pháp duy  nhất  để  hạn  chế  sự xuất  hiện  của  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 hay  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 trong long đất, chỉ ra những dị thường trong lòng đất.  Trên lãnh thổ Việt Nam, kể từ sau chiến tranh kết thúc tới nay, bom mìn vẫn  còn chôn vùi trong lòng đất khá nhiều rải rác từ Nam ra Bắc, gây ra những tai nạn  cho  người  dân  vô  tình  đạp  phải.  Để  giảm  mức  nguy  hại  do  bom  mìn  gây  ra  cho  người dân trong thời bình này, các nhà khoa học đã tiến hành đề xuất các robot dò  bom  mìn để phát hiện và gỡ 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 bom mìn.  Tình hình chung ở Việt Nam hiện nay 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    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  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 kỹ thuật radar  xuyên đất giá thành thấp hơn phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam, học viên đã bắt tay  vào  tìm  hiểu  hệ  thống  radar  xuyên  đất  và  đặc  biệt  là  các  kỹ  thuật  điều  chế  dùng  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  chương trình  mô phỏng các  kỹ thuật  điều chế thường hay sử dụng trong radar xuyên đất bằng Matlab. Những nghiên cứ  trong luận văn này góp phần đưa ra một cái nhìn tổng quan hơn về các kỹ thuật điều  chế  trong  GPR  và  bước  đầu  thiết  kế  một  bộ  truyền  phát  tín  hiệu  dùng  cho  GPR  trong những nghiên cứu sau này.   GPR (Ground Penetrating Radar) - Radar xuyên đất là một phương pháp địa  lý ứng dụng các nguyên lý của sóng điện từ ở dải tần số rất cao (1-1000MHz) phát  vào bên dưới mặt đất  và thu lại sóng phản hồi, từ đó ta phân tích các đặc tính vật  chất  bên  dưới  lòng  đất.  Có  nhiều  kỹ  thuật  điều  chế  khác  nhau  dùng  trong  radar  xuyên đất như kỹ thuật radar xung, kỹ thuật FMCW, SFCW …Tác  giả sẽ lần lượt  giới thiệu từng loại kỹ thuật điều chế, các đặc tính của mỗi kỹ thuật, các ưu, nhược  điểm  và  so  sánh  các  kỹ  thuật  điều  chế  này  với  nhau,  cuối  cùng  tác  giả  mô  phỏng  bằng  chương  trình  matlab  trong  một  ứng  dụng  quan  sát  vật  chôn  dưới  mặt  đất  cụ  thể.  Để thực hiện đề tài 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 điều chế thường được sử dụng trong Radar xuyên đất trên thế giới hiện có. Để  có được những kiến thức này, tác giả tham gia hội nghị về Radar xuyên đất do Cty  Mala  tổ  chức  ở  trường  ĐHKHTN  TPHCM  nhằm  có  cái  nhìn  tổng  quan  hơn  về  Radar xuyên đất, bên cạnh đó tác giả tham gia cùng đi đo đạc thực tế cùng nhóm đo    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  đạc  dùng  máy  GPR  khảo  sát  mặt  đường  trong  TPHCM  của  Khoa  Vật  Lý  Địa  cầu  trường ĐHKHTN TPHCM. Ngoài ra tác giả là một thành  viên trong nhóm nghiên  cứu về radar xuyên đất do Tiến Sĩ Bùi Hữu Phú lập ra. Sau đó, tác giả tiếp tục tìm  tòi tài liệu, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và đặc điểm của từng  phương pháp như thế nào   Cuối cùng là tiến hành xây dựng thuật toán thực hiện  và chương trình Matlab mô phỏng các phương pháp điều chế đó.    Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn này sẽ bao gồm  những phần sau :  Chương 1: Tổng quan GPR Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất GPR, 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  kỹ  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.    Chương 2: Cơ sở lý thuyết GPR 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 độ phân  giải, vận tốc truyền dưới môi trường điện môi.     Chương 3: Các kỹ thuật điều chế dùng GPR Chương này đi vào phân tích khái quát ba loại kỹ thuật điều chế thường được  dùng  trong  radar  xuyên  đất  hiện  nay  bao  gồm  các  kỹ  thuật:  radar  xung,  FMCW,    HVTH: Quảng Dương Đại Vương  xung chính lớn nhất, còn có nhiều biên độ của các xung phụ nhỏ hơn rất nhiều xung  quanh. Điều này là do khi biến đổi từ miền tần số sang miền thời gian, tín hiệu có  dạng là sinx/x, bên cạnh họa tần chính thì còn có các họa tần phụ, do vậy tín hiệu ta  thu được sẽ có nhiều biên độ khác nhau.  Tin hieu nhan duoc sau phan xa nguoc tro lai 100 200 mau quet (pr ength) 300 l 400 500 600 700 800 900 1000 20 40 60 offset quet 80 100 120   Hình 4-11: Tín hiệu thu được ở độ sâu 5m bằng mô phỏng SFCW GPR  -9 x 10 -1 -2 200 -9 400 600 800 1000 1200 1000 1200 Dang tin hieu tai offset thu 30 x 10 amplitude 1.5 0.5 0 200 400 600 800 mau quet (prlength)   Hình 4-12: Biên độ tín hiệu ở offset 30  Chương  trình  mô  phỏng  SFCW  GPR  ở  trên  giúp  ta  hiểu  hơn  về  cách  hoạt  động của SFCW radar. Vậy tín hiệu của radar SFCW sẽ bị ảnh hưởng như thế nào ở    70 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  các độ sâu khác nhau? Có sự khác nhau giữa các độ sâu khác nhau không hay giống  nhau ở các độ sâu? Và khi tần số bước thay đổi thì ảnh hưởng như thế nào đến tín  hiệu? Để trả lời những câu hỏi này, ta lần lượt đi vào khảo sát từng phần để có câu  trả lời.  4.3 Khảo sát SFCW GPR thay đổi thông số khác 4.3.1 Độ sâu Nguyên tắc hoạt động của SFCW GPR là phát đi một chuỗi tín hiệu có tần số  thay  đổi  tuyến  tính  vào  môi  trường,  khi  gặp  vật  dị  thường  thì  tín  hiệu  sẽ  phản  xạ  ngược trở lại. Ở phía thu ta thu được các tín hiệu ở miền tần số, bằng biến đổi IFFT  ta chuyển từ miền tần số sang miền thời gian.  Khi một tín hiệu phát ra, nó bao gồm các thông số tần số fi, biên độ A và công  suất thu PR. PR được tính theo biểu thức sau:  PR  PT GT GR  2 T (4 )3 R L Với:  PR: công suất nhận  PT: công suất truyền  GT: độ lợi anten truyền  GR: độ lợi anten nhận  σT: hệ số tán xạ  R: khoảng cách tới tán xạ  L: hệ số tổn hao công suất hấp thụ    71 (4.16) HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Trong đó:  - Hệ  số tán xạ mục tiêu σT có thể được tính xấp xỉ bằng  2 (m )   4 - Độ  lợi  antenna  được  tính  xấp  xỉ  (Cosθ)10.  Dùng  hệ  thức  lượng  trong  tam  giác, cosθ bằng  với Z/R, với Z là độ sâu mục tiêu, R là khoảng cách tới mục tiêu.  Do đó độ lợi antenna được xấp xỉ (Z/R)10.  - Hệ số tổn hao công suất hấp thụ có thể được thay thế bằng hệ số tổn hao suy  giảm của đất  L  e4 R , trong đó α là độ suy hao (đơn vị Nepper/m) và R là khoảng  cách tới mục tiêu.  Biểu thức tính PR được viết lại:  PR  PT G ( ) c 2 T e 4 R 64( )3 R f (4.17) Ta nhận thấy rằng công suất phát PT, hệ số tán xạ σT, tần số f là không đổi, do  đó  PR  phụ  thuộc  vào  các  thông  số  độ  lợi  antenna  G(θ)2,  độ  tổn  hao  công  suất  hấp  thụ  L  e4 R  và R. Hay tổng quan lại PR phụ thuộc trực tiếp vào R, mà R phụ thuộc  vào độ sâu Z. Do vậy biên độ A phụ thuộc vào độ sâu Z, khi R tăng hay Z tăng thì  biểu thức PR sẽ giảm theo dẫn theo biên độ A cũng giảm theo.   Trong  giao  diện  chương  trình  hình 4-10,  chọn  mục  DO  SAU  để  mô  phỏng,  chương trình hiện ra một cửa sổ mới như trong hình 4-13. Nhập vào hai độ sâu cần  khảo sát để so sánh, ở trong ví dụ này ta chọn hai độ sâu 5m và 5.5m để kết quả so  sánh rõ hơn.  Hình 4-14 và hình 4-15 lần lượt là kết quả ta thu được ở độ sâu 5m và 5.5m,  để so sánh rõ hơn ta hiển thị kết quả hai độ sâu trên cùng một hình ảnh như trong  hình 4-16. Khi độ sâu lớn thì số mẫu quét sẽ nhiều hơn so với độ sâu nhỏ, do độ sâu  lớn ta cần nhiều mẫu quét hơn.     72 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Tín  hiệu  ở  độ  sâu  nhỏ  rõ  hơn  so  với  ở  sâu  lớn.  Do ở  độ  sâu  nhỏ  biên  độ  tín  hiệu nhận được lớn hơn so với ở độ sâu lớn, vì vậy hình ảnh nhận được sẽ rõ hơn.    Hình 4-13: Giao diện chương trình mô phỏng SFCW GPR theo độ sâu  Tin hieu thu duoc sau phan xa tro ve 100 200 400 l mau quet (pr ength) 300 500 600 700 800 900 1000 20 40 60 offset quet 80 100 120   Hình 4-14: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m    73 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Tin hieu thu duoc sau phan xa tro ve 100 200 400 l mau quet (pr ength) 300 500 600 700 800 900 1000 20 40 60 offset quet 80 100 120   Hình 4-15: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5.5m  Tin hieu thu duoc o sau khac 100 200 400 l mau quet (pr ength) 300 500 600 700 800 900 1000 20 40 60 offset quet 80 100 120   Hình 4-16: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m và 5.5m  Tín hiệu nhận được của các độ sâu được hiển thị dưới dạng hình ảnh riêng lẻ  khác nhau thì hình ảnh thu được rõ hơn so với hình ảnh khi biểu diễn hai độ sâu trên  cùng  một  hình  ảnh.  Điều  này  là  do  hàm  imagesc,  hàm  này  sẽ  lấy  giá  trị  tỷ  lệ  khi  biễu diễn, do vậy ta thu được hình ảnh khá rõ khi ở các độ sâu riêng lẻ. Nhưng khi  so sánh 2 độ sâu trên cùng 1 hình và cùng hàm imagesc thì hình ảnh ở độ sâu nhỏ    74 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  hơn sẽ rõ hơn ở độ sâu lớn hơn. Điều này là do biên độ ở độ sâu nhỏ hơn lớn hơn so  với ở độ sâu lớn, phù hợp với lý thuyết khi độ sâu càng lớn thì biên độ càng giảm.  4.3.2 Công suất-độ sâu Công suất nhận của tín hiệu được tính theo biểu thức sau:  PR  PT GT GR   T (4 )3 R L (4.18) Với:  PR: công suất nhận  PT: công suất truyền  GT: độ lợi anten truyền  GR: độ lợi anten nhận  σT: hệ số tán xạ  R: khoảng cách tới tán xạ  L: hệ số tổn hao công suất hấp thụ  Hay được viết lại:  PR  PT G ( ) c  T e 4 R 64( )3 R f (4.19) Các  thông  số  công  suất  truyền  PT,  độ  lợi  antenna  G(θ),  hệ  số  tán  xạ  σT  được  xác  định,  khi  độ  sâu  thay  đổi  thì  khoảng  cách  tới  mục  tiêu  R  thay  đổi  dẫn  tới  PR  cũng thay đổi theo.   Dựa vào biểu thức trên ta thấy rằng khi R tăng lên thì PR giảm theo một hàm  mũ 4 của R.    75 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Ở hình 4-10, chọn mục CONG SUAT – DO SAU để khảo sát. Hình 4-17 thể  hiện kết quả sự phụ thuộc của công suất nhận khi thay đổi độ sâu từ 1m tới 5m.  Cong suat cua tin hieu tong hop theo sau -50 -60 r Cong suat nhan duoc P (dBm) -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 -140 1.5 2.5 Do sau (m) 3.5 4.5   Hình 4-17: Sự phụ thuộc công suất nhận theo độ sâu  Khi  độ  sâu  tăng  lên  thì  công  suất  nhận  PR  sẽ  giảm  dần  theo  một  đường  hyperbol. Kết quả của chương trình phù hợp với lý thuyết ta đưa ra ở trên.  4.3.3 Công suất-tần số Công suất nhận tín hiệu được xác định bằng biểu thức:  PR  PT G ( )2 c  T e4 R 64( )3 R f (4.20) Khi các thông số PT, G(θ), σT, R được xác định và cố định, tần số f thay đổi từ  thấp  đến  cao  thì  dựa  vào  biểu  thức  ở  trên  ta  thấy  PR  giảm  theo  tỷ  lệ  nghịch  bình  phương tần số.  Hình 4-10,  chọn  mục  CONG  SUAT-TAN  SO  để  mô  phỏng.  Kết  quả  của  chương  trình  mô  phỏng  khi  khảo  sát  sự thay đổi  tần  số  ở  5  độ  sâu  khác  nhau  1m,  2m, 3m, 4m và 5m như ở hình 4-18.     76 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Moi quan he giua cong suat nhan va tan so -20 -30 r Cong suat nhan duoc P (dBm) -25 -35 -40 -45 -50 -55 0.4 0.6 0.8 tan so (Hz) 1.2 1.4 1.6 x 10   Hình 4-18: Mối quan hệ giữa công suất nhận theo tần số  Từ kết quả hình trên, ta thấy rằng ở các độ sâu khác nhau, khi tần số càng tăng  thì công suất nhận giảm dần. Kết quả này phù hợp với lý thuyết đưa ra.  4.3.4 Bước tần số Trong SFCW GPR thì tần số tăng tuyến tính một lượng Δf nào đó.   fi  =  f0  + if (4.21) Nếu Δf nhỏ thì tần số quét fi sẽ thay đổi chậm, ngược  lại tần số quét fi sẽ thay  đổi nhanh. Khi chọn Δf phải thỏa điều kiện sau:   2 max f (4.22) Vậy khi thay đổi Δf thì nó sẽ ảnh hưởng như thế nào lên tín hiệu thu được?   Bảng sau biểu hiện mối liên hệ giữa số bước quét và khoảng cách xa nhất GPR  có thể quan sát được  khi bước tần số thay đổi.    77 HVTH: Quảng Dương Đại Vương    Δf  Unambiguous range  Number of step  Runam  c Btol  1MHz  1000  61m  4MHz  250  15m  8MHz  125  7.6m  15Mhz  66  4m  (n  1)     Ở giao diện chương trình hình 4-10, chọn mục DO SAU để mô phỏng, kết quả  nhận được như sau.    Hình 4-19: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=1MHz  Hình 4-19, khi Δf=1MHz, kết quả tín hiệu nhận được là hình hyperbol tương  đối mờ. Đó là bởi vì mục tiêu ta cần quan sát ở độ sâu 5m, nhỏ hơn rất nhiều so với  unambiguous range. Ngoài tín hiệu từ khoảng độ sâu 5m ra, còn có nhiều tín hiệu ở  các khoảng độ sâu khác them vào. Bộ lọc anti-aliasing của radar không thể loại bỏ  hết các tín hiệu bên ngoài khoảng cần quan sát. Bên cạnh đó, băng thông càng nhỏ    78 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  thì  ảnh  hưởng  của  khối  IFFT  gây  ra  nhiễu  giữa  hai  khoảng  băng  thông  gần  nhau  càng lớn.   Các kết quả đưa ra sau đây chỉ ra mối liên hệ giữa bước tần số và tín hiệu nhận  được rõ hơn.    Hình 4-20: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=4MHz    Hình 4-21: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=8MHz    79 HVTH: Quảng Dương Đại Vương    Hình 4-22: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=15MHz  Ở hình 4-21 và hình 4-22 khi Δf=8MHz và Δf=15MHz, xuất hiện nhiều đường  đáp ứng tín hiệu phụ bên cạnh đường đáp ứng chính. Điều này là do khi biến đổi từ  miền tần số sang miền thời gian, tín hiệu có dạng là sinx/x, bên cạnh họa tần chính  thì các họa tần phụ chồng chập lên nhau do vậy tín hiệu ta thu được sẽ có nhiều biên  độ khác nhau. Kết quả ta thu được là có nhiều đường đáp ứng tín hiệu bên cạnh tín  hiệu chính.  Ta có thể nhận thấy rõ hơn từ đáp ứng xung của bước tần số tại 15MHz như  trong hình 2-23.    Hình 4-23: Đáp ứng  xung của SFCW GPR tại Δf=15MHz  Bên cạnh các đáp ứng chính, ta có thể thấy các đáp ứng phụ, và khi tín hiệu  nhận phản xạ tới bộ thu, các đáp ứng phụ phụ này là các đường tín hiệu bên cạnh tín  hiệu chính.    80 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  KẾT LUẬN Đề  tài  đã  nghiên  cứu  được  một  số  phương  pháp  điều  chế  trong  GPR  như  là  điều  chế  xung  (Pulse  GPR),  và  điều  chế  sóng  liên  tục  (FMCW  và  SFCW  GPR).  Điều chế xung là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, tuy nhiên phương pháp này  cho hiệu quả thấp. Phương pháp FMCW GPR khắc phục được những nhược điểm  của Pulse GPR, có năng lượng trung bình cao, nhiễu thấp, dạng sóng dễ dàng điều  chế và băng thông lớn. FMCW GPR rất thích hợp cho việc xử dụng xác định mục  tiêu  ở  khoảng  cách  cực  ngắn  nhưng  cho  độ  phân  giải  cao  hơn  so  với  Pulse  GPR.  SFCW GPR là một cải tiến so với FMCW GPR, ưu điểm của phương pháp này so  với phương pháp FMCW GPR là thiết kế đơn giản, chi phí thấp, có thể điều khiển  được tần số truyền.   Đề  tài  đã  thực  hiện  được  một  số  chương  trình  Matlab  để  mô  phỏng  cho  hai  phương  pháp  là  FMCW  GPR  và  SFCW  GPR.  Kết  quả  bước  đầu  cho  hình  ảnh  tín  hiệu thu được của hai phương pháp là tương đối tốt, trong đó phương pháp SFCW  cho hiển thị ra hình ảnh độ phân giải tốt và rõ hơn. Chương trình mô phỏng khảo sát  các thông số  khác nhau của  SFCW GPR  giúp ta có những so sánh  và lựa chọn để  thiết kế hệ thống SFCW GPR tốt hơn.    Bên cạnh những  kết quả đạt được, đề tài còn một số hạn chế cần  khắc phục.  Trong  kết quả hình ảnh chưa hiển thị theo thang thời  gian, mà chỉ hiện thị trên số  mẫu quét. Ngoài ra chưa có một giá trị nào được đưa ra để so sánh độ phân giải mà  chỉ  dựa  trên  kết  quả  hình  ảnh  đạt  được  cho  nên  độ  chính  xác  không  cao.  Đây  là  những điểm mà đề tài sẽ hướng đến sau này để cho kết quả chính xác hơn.   Vì giới hạn về thời gian, thiết bị nghiên cứu cho nên đề tài chỉ dừng lại ở mức  độ nghiên cứu tìm hiểu. Mục tiêu sau này của đề tài là phát triển hơn nữa và tạo ra  một hệ thống phần cứng trong thu phát tín hiệu cho hệ thống GPR ứng dụng cho các  mục đích thực tiễn.    81 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  TÀI LIỆU THAM KHẢO   [1]  Turley, M.D.E., FMCW Radar Waveform in the HF Band. 2006.  [2]  Stove, A., Linear FMCW Radar Techniques. IEEE proceedings on Radar and  Signal Processing1992.  [3]  Skolnik, M.I., Radar Handbook, ed. T. Edition2008.  [4]  S. -E. Harman, D.T.G., J. Hjelmstad, E. Aarholt, Ground Penetrating  synthetic pulse radar: dynamic range and modes of operation. Environmental  Surveillance Technology Programme, 1995. 33.  [5]  Ruthenberg, I.A., Curve Fitting and Migration of GPR Data for the  Detection os Pipe and Cables, 1998, University of Queensland.  [6]  Nigel, J.C., In Ground Penetrating Radar: Theory and Applications2009:  Elsevier publisher.  [7]  Nagarajan, B., Time Frequency Analysis - an application to FMCW radar,  2001, Hindustan College of Engineering, University of Madrars: Chennai, India.  [8]  Mngadi, A., Design of a SystemView Simulation of s Step Frequency  Continuous Wave Ground Penetrating Radar, 2004, University of Cape Town.  [9]  Mahafza, B.R., Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB2000:  Chapman & Hall/CRC.  [10]  Langman, A., The Design of Hardware and Signal Processing for a Stepped  Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar, 2002, University of Cape  Town.  [11]  Krishnan, S., Modeling and Simulation Analysis of an FMCW Radar for  Measuring Snow Thickness, 2000, University of Madras: India.  [12]  Jol, H.M., Ground penetrating Radar: Theory and Applications, ed. F.  edition2009: Elsevier.  [13]  Irving, J.D.a.K., R. J, Removed of wavelet dispersion from ground -  penetrating radar data. Geophysics, 2003. 68: p. 960-970.    82 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  [14]  David, W., FMCW MMW Radar for Automotive Longitudinal Control, 1997:  USA.  [15]  Daniels, J.J., Ground Penetrating Radar Fundamentals, The Ohio State  University: Department of Geological Sciences.  [16]  Daniels, D.J., Ground Penetrating Radar, ed. n. Edition2004, The Institution  of Electrical Engineers.  [17]  C. S. Bristow, B., University of London, UK, H. M. Jol, University of  Wisconsin, USA, Ground Penetrating Radar in Sediments 2003, The Geological  Society London.  [18]  Abujarad, F., Ground Penetrating Radar Signal Processing for Landmine  Detection 2007, University of Magdeburg.  [19]   ; Available from: http://www.mathworks.com/matlabcentral/answers/3175fmcw-radar-range-doppler-info-of-the-target.  [20]  Annan, A.P., Radio interferometery depth sounding: Part I - Theoretical  discussion. Geophysics, 1973. 38: p. 557 -580  [21]  Annan, A.P., Ground penetrating radar: principles, procedures &  applications. Sensor & Software. Technical Paper  2003.  [22]  Annan, A.P., Ground Penetrating Radar: Workshop Notes, ed. J. 19991999,  Canada  [23]  Balanis, C.A., Advanced Engineering Electromagnetics1989, New York  [24]  Daniels, D.J., Surface Penetrating Radar, Radar  Radar, Sonar, Navigation and Avionics, ed. 61996, London, UK: The Institute of  Electrical Engineers.  [25]  Skolnik, M.I., Introduction to Radar Systems1980, New York: McGraw-Hill  Book Company.    83 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  [26]  Daniels, D.J., Resolution of UWB signals. IEEE Proc, 1999. Radar Sonar Navig: p. 189-194.  [27]  Bernfeld, C.a., Radar sinals, an introduction to theory and application.  [28]  Ji - Chang, F., A new method of signal processing with hight range  resolution and reduced wide - bandwidth for linear FMCW radar. 1990: p. 59-63.        84 [...]... 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, tác giả 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... 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.                             18 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA 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, ... cụ  thể  của  công  nghệ  radar ultra  wideband impulse.   Thuật ngữ  “Ground  Penetrating  Radar (GPR) ”,  hay  “Groud  Probing  Radar ,  hay  “sub  –  surface  radar   hoặc  “surface-penetrating  radar (SPR)”  đều  đề  cập  cho một loạt các kỹ thuật điện từ trường được thiết kế chủ yếu cho xác định  vị trí của  đối tượng hoặc các vật được chôn bên dưới bề mặt của trái đất hoặc nằm trong một ... 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.  Thiết  bị  Radar xuyên đất sử  dụng  các sóng  vô  tuyến  tần  số  cao  để  thu  thập  thông tin phản hồi từ dưới lòng đất.  Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền ... khoảng một thập kỷ qua (1994). Bên cạnh đó còn có các kỹ thuật cải tiến khác như  Ultra  Wideband  (UWB),  synthetic  aperture  radar (SAR),  noise  source  …được  áp  dụng  vào  GPR.   Ở  đây  ta  chỉ  tập  trung  vào  kỹ thuật radar xung  và  radar sóng  liên  tục.  Radar xuyên đất sử dụng  các sóng  vô  tuyến  tần  số  cao  để  thu  thập  thông  tin  phản hồi từ dưới lòng đất.  Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền vào trong ... được  cũng  như  các yếu  tố  trong  một  phương  pháp  ảnh  hưởng đến khả năng hoạt động của hệ thống.  Tác giả sẽ tập trung vào hai kỹ thuật thường  hay  dùng  trong  radar xuyên đất,   đó  là  phương  pháp  FMCW,  SFCW  GPR.   Tùy  vào  loại  dữ  liệu  thu  được  trong  miền  thời  gian  hay  miền  tần  số  mà  ta  có  thể  phân ra thành hai loại là điều chế trong miền thời gian và điều chế trong miền tần ... hơn  lịch  sử  của  Radar xuyên đất GPR (Ground  Penetrating  Radar)   và  sự  phát  triển  của  nó  cho đến  giữa  thập niên 1970 được đưa ra bởi Nilsson.  Sự quan tâm đổi mới trong các chủ đề được đưa ra trong đầu những năm 1970  khi nghiên cứu mặt trăng và đổ bộ lên mặt trăng đã được tiến hành. Đối với các ứng  dụng  này,  một  trong  những  lợi  thế  của  GPR hơn  kỹ thuật địa  chấn  đã ... đích xây dựng thiết bị cho mỗi các ứng dụng này đang được phát triển và người sử  dụng hiện nay có một lựa chọn tốt hơn các thiết bị và kỹ thuật.     14 HVTH: Quảng Dương Đại Vương  1.2 Giới thiệu chung về radar xuyên đất Khả năng phát hiện ra các đối tượng được chôn dưới đất từ lâu đã được quan  tâm  qua  nhiều  thế  kỷ.  Một  kỹ thuật mà  có  thể  làm  sáng  tỏ  vật  dưới  bề  mặt  đất là  một thử thách đáng kể hấp dẫn các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu các kỹ thuật để ... khi sự thay đổi của μ đôi khi được quan tâm. GPR rất hữu ích trong các vật  liệu có độ tổn thất điện thấp. Nếu σ = 0, GPR quan sát được rất rộng do các tín hiệu  sẽ thâm nhập vào độ sâu lớn. Trong thực tế, điều kiện độ tổn thất điện thấp là không  phổ biến. Các môi  trường  giàu đất sét hay các khu  vực nước ngầm nhiễm  mặn có  thể tạo điều kiện cho tín hiệu GPR thâm nhập rất hạn chế.   Các vật  liệu  trái  đất là  các tổng  hợp  không  thay  đổi  của  nhiều  vật ... Penetrating  Radar)   dùng  để  thăm dò lớp dưới bề mặt trái đất là một lựa chọn đặc biệt thu hút đối với các kỹ sư  và các nhà khoa học ứng dụng ở điểm nó bao trùm một loạt các chuyên ngành như  truyền  sóng  điện  từ,  điện  suy  hao  trong  truyền  thông,  công  nghệ  anten  ultra  wideband và thiết kế các hệ thống radar,  xử lý tín hiệu dạng sóng và xử lý hình ảnh  biệt  thức.  Hầu  hết  các GPR là  ... Có  nhiều  kỹ thuật điều chế khác  nhau  dùng  trong  radar  xuyên đất như kỹ thuật radar xung, kỹ thuật FMCW, SFCW …Tác  giả sẽ lần lượt  giới thiệu từng loại kỹ thuật điều chế, các đặc tính của mỗi kỹ thuật, các ưu, nhược ... Chương 3: Các kỹ thuật điều chế dùng GPR Chương này đi vào phân tích khái quát ba loại kỹ thuật điều chế thường được  dùng  trong  radar  xuyên  đất  hiện  nay  bao  gồm  các kỹ thuật:   radar ... tìm  hiểu  hệ thống  radar  xuyên  đất  và  đặc  biệt  là  các kỹ thuật điều chế dùng  trong radar xuyên  đất.  Trong  khuôn  khổ  luận  văn  tốt  nghiệp,  học  viên  đã  nghiên cứu,   tìm