Phương pháp GPR và ứng dụng

CHƯƠNG TỔNG QUAN Trong chương giới thiệu nguyên lý hoạt động phương pháp GPR khảo sát Địa vật lý để hiểu phản ánh cấu trúc tầng nơng Bên cạnh đó, chúng tơi trình bày vị trí tiến hành tuyến đo thực tế 1.1 Nguyên lý hoạt động phương pháp GPR 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 lòng 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 xng phía Sóng phản xạ lại ghi nhận anten thu lưu trữ nhớ thiết bị để sử dụng cho việc xử lý phân tích sau Hệ thống GPR gồm có: máy phát điện, máy thu-phát tín hiệu, anten phát, anten thu, thiết bị hiển thị, thiết bị ghi cổng ghép với máy tính Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống GPR Màn hình hiển thị liệu hiển thị tín hiệu số thơng qua biên độ gọi đường ghi Một đường ghi gồm có lượng xung phát, theo sau lượng xung thu ghi nhận từ phản xạ vật thể mặt ranh giới Khi anten dọc theo tuyến khảo sát, loạt đường ghi tập hợp thời điểm rời rạc xếp cạnh để hình thành mặt cắt hình Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động phương pháp GPR 1.2 Các khu vực khảo sát thực tế Chúng sử dụng số liệu (có từ lần đo đạc thực tế với nhiều hệ thống thiết bị phát – thu khác nhau) cho để tiến hành xử lý minh giải Sau so sánh kết thu với kết trước để kiểm chứng lại rút “kinh nghiệm” cho nhóm chúng tơi Các tuyến đo cụ thể tiến hành vị trí sau: - Tại cung đường Lạc Long Quân ngã tư Bảy Hiền (TP.HCM) với hệ thống thiết bị - phát – thu RAMAC Tuyến đo mà xử lý tuyến số Tại Nghĩa trang Liệt sĩ thành phố Hồ Chí Minh với hệ thống thiết bị phát – thu RAMAC Tuyến đo mà xử lý tuyến số số Cũng địa điểm này, công việc khảo sát tiến hành với hệ thống thiết bị phát – thu Pulse Ekko Tuyến đo - mà xử lý tuyến số Tại khu vực đê Phan Rang (bờ phải cửa sông qua thị xã Phan Rang) với hệ thống thiết bị - phát – thu RAMAC Tuyến đo mà xử lý tuyến số Tại Tam Điệp với hệ thống thiết bị phát – thu RAMAC Tuyến đo mà xử lý - tuyến số Tại ngã tư giao đường Thành Thái – Tô Hiến Thành với hệ thống thiết bị phát – thu RAMAC Tuyến đo mà xử lý tuyến số 2 Ngoài số liệu cho trước, đo thực tế đường Phan Văn Hớn (quận 12, TP.HCM) tiến hành xử lý, minh giải dựa thông tin tiên nghiệm kiến thức học Hệ thống thiết bị phát – thu áp dụng IDS Tuyến đo mà đo đạc xử lý tuyến số 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11.123 Quy trình xử lý minh giải tuyến đo tiến hành sau: - Đầu tiên, vẽ mặt cắt GPR REFLEX từ số liệu thơ Sau bước xử lý, chúng tơi có mặt cắt GPR “đẹp” để tiến hành minh giải mặt cắt - Tiếp đến, dựa vào thông tin tiên nghiệm, minh giải từ tín hiệu dị thường thấy mặt cắt GPR xử lý - Để kiểm chứng lại phần minh giải trên, chúng tơi tạo mơ hình giả lập thực tế phần mềm “matGPR” (được viết Matlab) Sau đó, chúng tơi “chạy” mơ hình giả lập với tần số phát với tần số máy phát thực tế - Từ mặt cắt giả lập mặt cắt Reflex, tiến hành so sánh để kiểm chứng lại phần minh giải làm Vậy bước đầu khái quát nguyên lý hoạt động phương pháp GPR khảo sát Địa vật lý để hiểu phản ánh cấu trúc tầng nơng Bên cạnh đó, chúng tơi mơ tả sơ lược vị trí tiến hành tuyến đo thực tế bước thực Công tác xử lý, minh giải thể chương cuối Trong chương hai, chúng tơi trình bày sở lý thuyết phương pháp GPR CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như nói chương trước, phương pháp GPR dựa sở phản xạ sóng điện từ gặp dị vật ranh giới môi trường Do đó, chương này, chúng tơi trình bày số lý thuyết trường sóng điện từ để từ thơng số giúp giải đốn mơi trường “tiết lộ” 2.1 Trường điện từ GPR phương pháp địa vật lý đại dựa sở lý thuyết sóng điện từ dải tần số từ 1-3000MHz Phương pháp dùng để nghiên cứu cấu trúc đặc tính vật chất tầng nông bên mặt đất Trong môi trường đồng đẳng hướng, sóng GPR tn theo hệ phương trình Maxwell (2.1.1) (2.1.2) (2.1.3) (2.1.4) Trong -E: Cường độ trường từ -H : Cường độ trường từ Trong chân không, độ từ thẩm độ điện thẩm không đổi chúng độc lập với tần số mơi trường khơng phân tán Lấy Rot hai vế phương trình (2.1.1), ta được: (2.1.5) Thay phương trình (2.1.2) vào phương trình (2.1.5), ta được: (2.1.6) Mà ta có: (2.1.7) Thay phương trình (2.1.6) vào (2.1.7) xem mật độ điện tích mơi trường khơng đổi theo khơng gian ( ), ta được: (2.1.8) Chứng minh tương tự từ trường , ta được: (2.1.9) Mặt khác, phương trình sóng tổng quát có dạng: Suy (2.1.8) (2.1.9) có dạng phương trình sóng tổng qt, gọi phương trình Helmholtz Vì vậy, sóng điện từ phát sinh biến đổi theo thời gian từ trường trường điện Vận tốc truyền sóng điện từ: (2.1.10) Với c vận tốc ánh sáng (c=3.108 m/s) Xét trường hợp biến thiên hình sin theo thời gian Gọi biểu diễn phức thì: → Thay vào phương trình (2.1.8) thu được: → Tương tự: (2.1.11) (2.1.12) Với: Trong đó: (2.1.13) số truyền sóng số tắt dần, đơn vị Neper/mét (Np/m) số pha, đơn vị Radian/giây (Rad/s) Bình phương hai vế phương trình (2.1.13), ta được: → Từ hệ phương trình trên, ta xác định ( số thực dương) sau: ; (2.1.14) Từ ta tính số đại lượng quan trọng phương pháp Radar xuyên đất sau: Độ xuyên sâu vật liệu đối sóng xét: (m) Bước sóng: (m) Vận tốc truyền sóng: (2.1.16) (m/s) Trong mơi trường đất đá mặt đất độ từ thẩm phụ thuộc vào độ điện thẩm , độ dẫn điện (2.1.15) (2.1.17) Vì vậy, truyền sóng tần số angten Anten có tần số lớn độ xuyên sâu thấp Độ sâu cực đại mà sóng xuyên tới khơng vượt q 20 lần bước sóng Độ dẫn điện mơi trường cao sóng điện từ bị tổn thất 2.2 Sự tổn thất suy giảm lương sóng điện từ Phạm vi ứng dụng phương pháp GPR chịu ảnh hưởng tổn thất suy giảm lượng sóng điện từ đường truyền Có năm ngun nhân gây tổn thất này:  Sự tổn thất ăngten: hiệu suất ăngten nhỏ tổn thất lớn  Do lan truyền từ khơng khí vào mơi trường vật chất: ngồi thất chuyển hóa thành nhiệt có phản xạ sóng qua ranh giới hai môi trường  Do lan trải hình học sóng vơ tuyến: Sóng GPR phát theo dạng chùm sóng với góc nón 900, sóng truyền đi, trải rộng ra, điều làm giảm mật độ lượng  Do tán xạ từ đối tượng nghiên cứu  Do truyền qua môi trường, chịu ảnh hưởng độ dẫn điện, độ từ thẩm, số điện môi môi trường 2.3 Tính chất điện mơi vật chất Ta thấy vận tốc truyền sóng vật liệu số điện mơi có mối quan hệ với Bảng sau trình bày vận tốc sóng ứng với giá trị điện mơi Bảng mang tính tương đối hầu hết môi trường tổ hợp nhiều thành phần có tính chất điện điện mơi khác nhau, đồng thời kích thước hạt vật liệu hình dáng chúng ảnh hưởng đến đặc trưng số điện môi Môi trường vật chất Hằng số điện môi( Vận tốc Rađa (mm/ns) Khơng khí 300 Nước biển 81 33 Tuyết vùng cực 1.4 194-252 Băng vùng cực 3-3.15 168 Băng hồ nước 150 Băng biển 2.5-8 78-157 Băng vĩnh cửu 1-8 106-300 Cát khô vùng duyên hải 10 95 Cát khô 3-6 120-170 Cát ướt 25-30 55-60 Sét ướt 8-15 86-110 Đất sét khô 173 Bùn lầy 12 86 Đất thổ nhưỡng 15 77 2.4 Độ phân giải Từ độ suy giảm chất phụ thuộc vào tần số, ta nhận rằng, độ sâu cực đại khảo sát giảm nhanh với việc tăng tần số Độ sâu cực đại mà sóng truyền qua thường vượt 20 lần bước sóng, ngoại trừ mơi trường có suy giảm điện mơi thấp Thông thường độ xuyên sâu thấp nhiều, đặc biệt chất điện mơi gây điện Vì sóng có tần số thấp khả xun sâu cao, tần số cao độ phân giải cao Do độ xuyên sâu độ phân giải cần phải hòa hợp để lựa chọn độ rộng dải tần số phát xạ  Độ phân giải thẳng đứng Độ phân giải thẳng đứng khả phân biệt phép đo hai tín hiệu thời gian Trong trường hợp đơn giản, độ phân giải thẳng đứng hàm theo tần số Theo Georadar, angten hoạt động giải tần số với tần số trung tâm đạt giá trị công suất cực đại Độ phân giải thẳng đứng bước sóng: Trong đó: tần số angten (Mhz) vận tốc truyền sóng (m/ns) độ phân giải thẳng đứng Sóng điện từ truyền mơi trường ẩm ướt độ phân giải thẳng đứng lớn Trong giới hạn đó, độ phân giải thẳng đứng gần độc lập với tổn thất vật chất truyền sóng  Độ phân giải theo phương ngang Ngoài độ phân giải thẳng đứng có độ phân giải theo phương ngang Độ phân giải theo phương ngang theo hệ thống Radar xuyên đất quan trọng, dùng để tìm kiếm mục tiêu khoanh vùng cần thiết phải phân biệt nhiều mục tiêu độ sâu Độ phân giải theo phương ngang xác định đặc điểm angten quy trình xử lý tín hiệu sử dụng Độ phân giải theo phương ngang xác định công thức: Với số tắt dần Do đó, độ phân giải theo phương ngang mơi trường có độ suy giảm cao tốt so với mơi trường có độ suy giảm trung bình Như vậy, chương này, chúng tơi trình bày số lý thuyết trường sóng điện từ để từ thơng số giúp giải đốn mơi trường “tiết lộ” CHƯƠNG PHẦN MỀM REFLEX TRONG RADAR XUN ĐẤT Ở chương trước, chúng tơi trình bày sở lý thuyết phương pháp GPR Để hoàn tất kiến thức cần có trước tiến hành xử lý minh giải số liệu GPR, giới thiệu phần mềm Reflex bước xử lý chương 3.1 Tổng quan về phần mềm Reflex 10 4.1 Tuyến đo Phan Rang thiết bị RAMAC Tuyến khảo sát thiết bị RAMAC với tần số 500MHz với tổng chiều dài tuyến đo khoảng 200m Sau tiến hành xử lý qua bước Reflex: Hình 4.14: Các bước xử lý Reflex tuyến số Phan Rang chung tơi măt cắt sau: Hình 4.13: Mặt cắt tuyến Phan Rang Minh giải: Mặt cắt tuyến Phan Rang bao gồm lớp Lớp thứ có bề dày 0.5m, bao gồm lớp bê tông mỏng dày 0.1m vá lớp đường dày 0.4m Lớp thứ hai có bề dày khoảng 1m, bao gồm 27 sét sét pha cát Lớp thứ ba có ranh giới từ 1.5m trở xuống, vật liệu chủ yếu cát cát pha sét Chung tạo lại mô hinh phần mềm “matGPR” (được viết Matlab) Sau giả l âp xong, tiến hành “chạy” kết sau: Hình 4.14: Mặt cắt giả lập lại matGPR tuyến Phan Rang 4.15 Tuyến đo Tam Điệp thiết bị RAMAC Tuyến khảo sát thiết bị RAMAC với tần số 100MHz với tổng chiều dài tuyến đo khoảng 35m Mặt cắt Reflex Hình 4.16: Mặt cắt Reflex tuyến Tam Điệp 28 Minh giải - Ở độ sâu 2m 7.5m xuất dị thường phân cực nghịch Sau xem xét điều kiện địa hình đây, chúng tơi đốn dị thường hang đá vơi - Các tín hiệu dị thường khác nước có phản ứng với đá vơi diện tích chưa đủ rộng để tạo thành hang động Mơ hình giả lập matGPR Hình 4.4: Mơ hình giả lập matGPR tuyến Tam Điệp Mặt cắt mơ hình chạy matGPR 29 Hình 4.5: Mặt cắt matGPR tuyến Tam Điệp So sánh So sánh tín hiệu thu từ mặt cắt matGPR Reflex, chúng tơi thấy có tương đồng với Điều chứng tỏ minh giải 4.1.6 Tuyến đo Tô Hiến Thành-Thành Thái thiết bị RAMAC Tuyến khảo sát thiết bị RAMAC với tần số 500MHz với tổng chiều dài tuyến đo khoảng 36m Mặt cắt Reflex Hình 4.16: Mặt cắt Reflex tuyến Tam Điệp 30 Minh giải - Ở độ sâu 2m 7.5m xuất dị thường phân cực nghịch Sau xem xét điều kiện địa hình đây, chúng tơi đốn dị thường hang đá vơi - Các tín hiệu dị thường khác nước có phản ứng với đá vơi diện tích chưa đủ rộng để tạo thành hang động Mơ hình giả lập matGPR Hình 4.4: Mơ hình giả lập matGPR tuyến Tam Điệp Mặt cắt mơ hình chạy matGPR 31 Hình 4.5: Mặt cắt matGPR tuyến Tam Điệp So sánh So sánh tín hiệu thu từ mặt cắt matGPR Reflex, chúng tơi thấy có tương đồng với Điều chứng tỏ chúng tơi minh giải Hình 4.16: Mặt cắt tuyến Tô Hiến Thành-Thành Thái Minh giải: 32 Tại vị trí 1m 33m có tín hiệu hyperbol độ sâu 1m, tiết diện nhỏ phân cực thuận, nên nhóm kết luận đường dây điện ngầm cáp quang ngang qua Tại vị trí 15m-18m có tín hiệu dị thường, phù hợp với vị trí nắp hố ga tuyến đo Chung tơi tạo lại mô hinh phần mềm “matGPR” (được viết Matlab) Sau giả l âp xong, tiến hành “chạy” kết sau: Hình 4.14: Mặt cắt giả lập lại matGPR tuyến Phan Rang 4.2 Tuyến đo Phan văn Hớn 33 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí tuyến đo đường Phan Văn Hớn Đây tuyến đường có mật độ lưu thơng cao, thường xảy sụp lở gây nhiều trở ngại cho phương tiên giao thông Tuyến khảo sát thiết bị IDS với tần số 700MHz với chiều dài tuyến 3m Chúng tiến hành xử lý tuyến số 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11 Sau tiến hành xử lý qua bước Reflex, Hình 4.2: Các bước xử lý Reflex tuyến Lạc Long Quân Các mặt cắt sau xử lý: 34 Tuyến Tuyến Tuyến11 Tuyến Tuyến Hình 4.11: Mặt cắt tuyến đo Phan Văn Hớn Minh giải 35 Tuyến Tuyến Tóm lại chương chúng tơi trình bày lại ví dụ dạng tập tính tích phân số Kết xử lý sóng địa chấn từ bảng số liệu cho chu kỳ xuất vết đen Mặt trời nêu rõ Đến vấn đề đặt chương làm sáng tỏ 36 KẾT LUẬN Qua bốn chương, chúng tơi trình bày sở lý thuyết phương pháp GPR, tổng quan phần mềm xử lý Reflex ứng dụng vào xử lý mơ hình thực tế Như vậy, bản, mục tiêu ban đầu thực Tuy nhiên, việc xử lý minh giải gặp nhiều khó khăn liệu GPR thường chứa lượng nhiễu lớn Các nhiễu đến từ nhiều nguồn mà đặc biệt nhiễu từ sóng điện thoại di động (800-2000MHz) sử dụng anten khảo sát tần số cao thành phố khu dân cư Mặt khác, độ phân giải cao dễ dàng phát dị vật, mức nhiễu liệu tăng cao, gây trở ngại nhận diện đối tượng Vì vậy, phải cần nhiều thơng tin tiên nghiệm kinh nghiệm giải đốn thu kết tốt 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Nguyễn Thành Vấn, Radar xuyên đất ứng dụng, Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh – TP.HCM, 2013 Lương Ngọc Thức, Sử dụng phần mềm Reflex để xử lý minh giải số liệu Radar xuyên đất, Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh – TP.HCM, 2011 38 PHỤ LỤC Các bước xử lý tuyến số Lạc Long Quân Các bước xử lý tuyến số Nghĩa trang thiết bị RAMAC Các bước xử lý tuyến số Nghĩa trang thiết bị RAMAC 39 Các bước xử lý tuyến số Nghĩa trang thiết bị Pulse Ekko Các bước xử lý tuyến Phan Rang Các bước xử lý tuyến Tam Điệp Các bước xử lý tuyến số Tô Hiến Thành-Thành Thái 40 41 ... chương cuối Trong chương hai, chúng tơi trình bày sở lý thuyết phương pháp GPR CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như nói chương trước, phương pháp GPR dựa sở phản xạ sóng điện từ gặp dị vật ranh giới mơi trường... tán Lấy Rot hai vế phương trình (2.1.1), ta được: (2.1.5) Thay phương trình (2.1.2) vào phương trình (2.1.5), ta được: (2.1.6) Mà ta có: (2.1.7) Thay phương trình (2.1.6) vào (2.1.7) xem mật... giải đốn mơi trường “tiết lộ” 2.1 Trường điện từ GPR phương pháp địa vật lý đại dựa sở lý thuyết sóng điện từ dải tần số từ 1-3000MHz Phương pháp dùng để nghiên cứu cấu trúc đặc tính vật chất