Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN VĂN TUẤN XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số ngành: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học : TS ĐỖ HỒNG TUẤN Cán chấm nhận xét : TS HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG Cán chấm nhận xét : TS LÊ CHÍ THƠNG Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM Ngày……tháng……năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS NGUYỄN MINH HO ÀNG TS HUỲNH PH Ú MINH CƢ ỜNG TS LÊ CHÍ THƠNG TS TRƢƠNG C ÔNG DU NG NG HI TS ĐỖ HỒNG TUẤN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS NG UYỄN MI NH HOÀ NG TRƢỞNG KHOA TS ĐỖ HỒNG TUẤN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHAN VĂN TUẤN MSHV:11146095 Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1988 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270 I TÊN ĐỀ TÀI: Xử lý tín hiệu hệ thống Radar xuyên đất GPR II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu nghiên cứu đặc tính, kỹ thuật hệ thống Radar xuyên đất  Xem xét đề xuất phƣơng pháp xử lý ảnh để tái tạo lại hình ảnh dạng trực quan cho hệ thống radar xuyên đất  Xây dựng ứng dụng Matlab để kiểm chứng, đánh giá kết III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2013 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS ĐỖ HỒNG TUẤN TP Hồ Chí Minh, tháng … năm 2013 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRƢỞNG KHOA (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG BỘ MÔN ĐÀO TẠO TAO5 (Họ tên chữ ký) iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi thực luận văn Trong q trình nghiên cứu tơi gặp khơng khó khăn, nhiên đƣợc thầy tận tình hƣớng dẫn nên tơi hoàn thành đƣợc luận văn thời hạn Một lần xin đƣợc gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành sâu sắc Quá trình học tập trƣờng Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh khơng cung cấp kiến thức mà cịn dạy cách làm việc, cách sống Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô trƣờng Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, cung cấp kiến thức hữu ích để tơi thực luận văn Đồng thời kiến thức tảng vững để tơi ứng dụng vào cơng việc sau Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Minh Linh giúp đỡ trình tìm tài liệu thảo luận đề tài liên quan tới luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn to lớn đến bậc sinh thành, ngƣời thân gia đình tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 Học viên Phan Văn Tuấn iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, nhu cầu khảo sát nhƣ tìm kiếm mục tiêu dƣới lịng đất cần thiết Chẳng hạn nhƣ tìm kiếm khiếm khuyết địa chất dƣới mặt đất để phát “Hố tử thần”, hay dị tìm bom mìn, khảo sát địa chất, dị tìm khống sản, Cùng với phát triển khoa học công nghệ, có nhiều phƣơng pháp đời để giải toán Một phƣơng pháp trội sử dụng Radar xuyên đất – Ground Penetrating Radar (GPR) Thấy đƣợc cần thiết phƣơng pháp này, ngƣời viết chọn đề tài: “Xử lý tín hiệu hệ thống Radar xuyên đất GPR” để tìm hiều nghiên cứu nhằm nắm bắt nhƣ cập nhật kiến thức cần thiết việc xây dựng ứng dụng vào lĩnh vực cụ thể Phƣơng pháp Radar xuyên đất sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hƣớng vào lịng đất hay mơi trƣờng điện mơi cần khảo sát , sóng phản xạ từ mơi trƣờng thăm dò đƣợc thu nhận xử lý Kết sau đƣợc hiển thị dƣới dạng hình ảnh hai chiều ba chiều, từ đƣa dự đoán vật thể diện bên môi trƣờng đất khảo sát Ƣu điểm phƣơng pháp radar xuyên đất tốc độ khảo sát nhanh, không cần phá hủy cấu trúc thăm dò, dễ di chuyển, độ phân giải cao kết xác Thơng thƣờng, liệu phản xạ radar xuyên đất thu đƣợc mơi trƣờng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng: nhiễu, đa phản xạ, làm khó khăn cho q trình xử lý Để đo đạc hiển thị xác liệu địi hỏi q trình xử lý tín hiệu phải tốt, nhiệm vụ quan trọng thiết kế radar xuyên đất Từ đó, có nhiều hƣớng nghiên cứu để cải thiện nâng cao khả xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất Trong luận văn này, đề cập đến phƣơng pháp xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất, tập trung vào phƣơng pháp xử lý ảnh để cải thiện khả hiển thị, tái tạo hình ảnh dạng trực quan cho hệ thống radar xuyên đất v ABSTRACT Nowadays, the demand on surveying and finding underground targets is very essential For example, searching geological defects to detect the “ Big holes on Earth”, land mine detectors, geological survey, mineral detection, … Along with the development of science and technology, there has launched a variety of methods to solve this problem One of the common methods is Ground Penetrating Radar (GPR) In fact, many countries have been researched and applied in many fields With the love of myself in this field, so that thesis selected topics: “Signal processing in Ground Penetrating Radar” to learn, research, update necessary knowledge to build applications in specific fields This method uses high frequency electromagnetic waves transmit into the ground or dielectric environment needs to be examined, reflected waves from exploration environment is collected and processed Then the results will be displayed in the model of two-dimensional or three-dimensional images, which can make predictions physical presence within the environment survey The advantage of the method is quick result, without destroying the structure exploration, high resolution images and accurate results Typically, the radar reflection data collected in regular soil environmental has a lot of influence factors: interference, multi-reflector, makes it difficult to process To be able to measure and display the accurate result, it requires a good signal processing, and this is one of the important tasks when design a ground penetrating radar system There have a lot of researches to improve and enhance the signal processing of ground penetrating radar system In this thesis, we will consider the signal processing method of ground penetrating radar system, which focuses on some image processing methods to improve the accurate of the display results vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu luận văn đƣợc sử dụng trung thực Kết nghiên cứu đƣợc trình bày luận văn chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 Học viên Phan Văn Tuấn vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v ABSTRACT .vi LỜI CAM ĐOAN .vii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ x DANH SÁCH BẢNG BIỂU xiii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv ĐẶT VẤN ĐỀ Chƣơng 1: 1.1) 1.2) Lịch sử phát triển Giới thiệu chung 1.2.1) 1.2.2) 1.3) CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT Sóng điện từ 2.1.1) 2.1.2) 2.1.3) 2.2) 2.3) Giới thiệu chung Radar Giới thiệu chung Radar xuyên đất Nguyên lý hoạt động Chƣơng 2: 2.1) GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Cơ sở lý thuyết sóng điện từ Vận tốc truyền sóng 11 Sự suy hao sóng điện từ 12 Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu 14 Độ phân giải hệ thống GPR 15 2.3.1) 2.3.2) Độ phân giải theo phƣơng nằm ngang 15 Độ phân giải theo phƣơng thẳng đứng 17 2.4) Các phƣơng pháp thu thập liệu 19 2.4.1) Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ 19 2.4.2) Phƣơng pháp chiếu sóng 19 2.4.3) Phƣơng pháp phản xạ khúc xạ rộng 20 2.5) Các hệ thống radar xuyên đất 21 2.5.1) Hệ thống GPR xung 21 viii 2.5.2) 2.5.3) Hệ thống GPR tần số quét FMCW 22 Hệ thống GPR tần số bƣớc SFCW 23 Chƣơng 3: CÁC THUẬT TỐN XỬ LÝ TÍN HIỆU 26 3.1) Hiệu chỉnh thời gian (Time Zero Adjust) 26 3.2) Trừ Trace Trung Bình (Subtract Mean Trace) 27 3.3) Loại bỏ DC (DC Removal) 28 3.4) Xóa bỏ (Background Removal) 29 3.5) Lọc Dewow 30 3.6) Khuếch đại AGC 32 3.7) Giải chập (Deconvolution) 33 3.7.1) Nghịch Đảo (Inverse Filtering) 35 3.7.2) Lọc Weiner tối ƣu (Optimal Wiener Filter) 36 3.7.3) Kỹ thuật di trú (Migration) 41 Chƣơng 4: 4.1) 4.2) MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ 49 Mơ tả tín hiệu thu phát 50 Các phƣơng pháp xử lý 53 4.2.1) 4.2.2) 4.2.3) 4.2.4) 4.2.5) 4.2.6) 4.2.7) Điều chỉnh vị trí tín hiệu (Adjust Signal Position) 53 Xóa bỏ trace xấu 56 Lọc trung vị (median filter) 59 Xóa bỏ Background 61 Lọc Dewow 63 Khuếch đại AGC biên độ hiệu dụng (RMS) 66 Loại bỏ DC 70 4.3) Các phƣơng pháp xử lý giải chập 72 4.3.1) Giải chập dự đoán 73 4.3.2) Kỹ thuật xử lý di trú (Migration) 84 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Radar Hình 1.2 Xác định vật thể radar xuyên đất Hình 1.3 Sơ đồ hoạt động tổng quan hệ thống Radar xun đất Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền khơng gian Hình 2.2 Suy hao tán xạ Hình 2.3 Độ phân giải hệ thống GPR Hình 2.4 Vùng phủ sóng nguồn xạ đẳng hƣớng Hình 2.5 Chập vùng phủ sóng ăn anten với mục tiêu Hình 2.6 Tích chập tín hiệu phản xạ mơi trƣờng đa lớp Hình 2.7 Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ Hình 2.8 Phƣơng pháp chiếu sóng Hình 2.9 Phƣơng pháp phản xạ khúc xạ rộng Hình 2.10 Phƣơng pháp điểm sâu chung Hình 2.11 Chuỗi xung phát nhận theo thời gian t Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống GPR xung Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống GPR tần số quét FMCW Hình 2.14 Băng thơng tần số GPR FMCW tần số bƣớc Hình 3.1 Ví dụ dịch chuyển vị trí điểm thời gian Hình 3.2 Xử lý trừ trace trung bình Hình 3.3 Xử lý DC Hình 3.4 Trƣớc áp dụng xóa bỏ Background Hình 3.5 Sau áp dụng xóa bỏ Background Hình 3.6 Tín hiệu gốc chƣa qua xử lý Dewow Hình 3.7 Tín hiệu sau qua xử lý Dewow Hình 3.8 Quá trình phản xạ Hình 3.9 Khái niệm khuếch đại tín hiệu Hình 3.10 Sơ đồ tích chập xung đầu vào với hàm phản xạ Hình 3.11 Sơ đồ lọc nghịch đảo x Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn hyperbol tán xạ, biên độ đƣợc cộng Nếu không tổng biên độ liệu dọc theo hyperbol tiến Giả sử ta có liệu thu đƣợc từ hệ thống Radar xuyên đất đơn tĩnh cách di chuyển anten mặt đất miền xy, liệu thu b(xj, yk, t) vị trí (xj, yk, 0) Ảnh di trú M(xj, yk, t) đƣợc tính nhƣ sau: ( Trong đến Và điểm ) ∑∑ ( ) khoảng cách vị trí đo ( vận tốc truyền môi trƣờng, ) điểm đƣợc di trú tổng thời gian truyền từ anten đến ngƣợc lại Thuật toán di trú tán xạ dễ dàng thực nhƣng phức tạp tính tốn, thực tế phải tính tổng lại cho độ sâu Tuy nhiên, thực tế hình dạng hyperbol tán xạ lại không thay đổi nhiều theo độ sâu, di trú tán xạ khơng tính tốn đến tính chất vật lý sóng truyền Do đó, phải cần đến thuật toán di trú phức tạp c) Ngoại suy trƣờng sóng di trú tần số - số sóng (FK) Sau lý thuyết ngoại suy trƣờng sóng, bắt đầu với cơng thức sóng vơ hƣớng 2D, mơ tả việc truyền trƣờng sóng nén vật liệu khơng đổi vận tốc sóng nén mơi trƣờng mật độ : Trong đó, x trục không gian theo chiều ngang, z trục theo độ sâu, t trục thời gian Cho trƣờng sóng lên phản xạ thu đƣợc bề mặt trái đất, muốn xác định Để xác định phản xạ yêu cầu ngoại suy trƣờng sóng bề mặt đến độ sâu z sau thu thập vị trí t = (tƣơng đƣơng với nguyên tắc tổng tán xạ hình ảnh) HVTH: Phan Văn Tuấn 87 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR Biến đổi Fourier cho GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn theo thời gian t khoảng cách x khơng có thay đổi vận tốc Ƣu điểm biến đổi Fourier phân tích trƣờng sóng thành dạng sóng phẳng đơn sắc với góc truyền khác so với phƣơng thẳng đứng Do đó: ∬ Biến đổi Fourier ngƣợc (4.14) ta có: ∬ Từ (4.14) (4.16) ta có: [ ( ) ] Đặt: [ ( ) ] Khi ta có: Để xác định phản xạ từ trƣờng sóng thu đƣợc bề mặt trái đất P(x,0,t), biến đổi Fourier 2D trục x, t để thu đƣợc ikzz) để đạt đƣợc trƣờng sóng , sau nhân kết với exp(- độ sâu z Tiếp đến tính tổng miền tần số biến đổi ngƣợc theo kx để tạo đƣợc ảnh trái đất độ sâu Di trú tần số số sóng (FK) dựa vào nguyên tắc ngoại suy  Di trú tần số - số sóng Stolt: Trƣờng hợp đặc biệt với v(z) khơng đổi, Stolt đƣa phép ánh xạ hiệu miền Fourier từ miền tần số w sang số sóng HVTH: Phan Văn Tuấn Lúc này: 88 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn ( ) cho (4.20) ta đƣợc: Vi phân w theo ( ) Do đó: ∬[ ] [ ( ( )] ) Công thức (4.22) dùng cho di trú Stolt vận tốc không đổi miền F-K với hệ số xiên ( ) Từ (4.22) ta thấy phép di trú phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng lịng đất Nếu vận tốc tính tốn xác thuật tốn di trú cho kết xác Do đó, tùy vào đặc tính mơi trƣờng khảo sát nhƣ nào, ta cần có phƣơng pháp ƣớc lƣợng dựa vào đặc tính điện mơi, số lớp đất đá đặc tính khơng đồng để có vận tốc tốt Vì tất yếu tố ảnh hƣởng đến độ lớn vận tốc truyền Nếu khơng có kết vận tốc xác, phƣơng pháp di trú vơ nghĩa xử lý tín hiệu hệ thống GPR Thuật toán di trú Scolt nhƣ sau: HVTH: Phan Văn Tuấn 89 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Hình 4.31 Thuật tốn di trú Scolt  Kết thực hiện: - Mơ hình vận tốc 1: Vận tốc (m/ns) Độ sâu (m) Lớp 0.1 0.5 Lớp 0.2 0.2 Lớp 0.05 0.01 HVTH: Phan Văn Tuấn 90 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Hình 4.32 Di trú Scolt với mơ hình - Mơ hình 2: Vận tốc (m/ns) Độ sâu (m) Lớp 0.1 0.5 Lớp 0.2 0.75 Lớp 0.05 0.01 HVTH: Phan Văn Tuấn 91 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Hình 4.33 Di trú Sclot với mơ hình - Mơ hình 3: Vận tốc (m/ns) Độ sâu (m) Lớp 0.05 0.5 Lớp 0.15 0.2 Lớp 0.1 0.01 HVTH: Phan Văn Tuấn 92 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Hình 4.34 Di trú Scolt với mơ hình  Nhận xét So sánh mơ hình với mơ hình (khác độ sâu lớp 2), ta thấy mơ hình gần xác hơn, đƣờng cong hyperbol kết mơ hình hội tụ thành điểm giống nhƣ lý thuyết Mơ hình thay đổi số vận tốc, kết bị nhịe, ảnh thị khơng hội tụ, dạng sóng ban đầu Điều chứng tỏ ƣớc lƣợng vận tốc bƣớc quan trọng giải thuật di trú Thuật toán di trú đời từ lâu đƣợc ứng dụng hiệu xử lý địa chấn Tuy nhiên, sóng địa chấn sóng vơ hƣớng khơng bị tác động điện từ trƣờng nên vận tốc ƣớc lƣợng đƣợc tƣơng đối xác Đối với tín hiệu radar xuyên đất sóng điện từ nên bị tác động nguồn điện trƣờng, bị hấp thu, suy hao lớn Do đó, vận tốc ln bị thay đổi q trình vào lịng đất việc ƣớc lƣợng bị chi phối HVTH: Phan Văn Tuấn 93 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn nhiều yếu tố, làm cho kết ƣớc lƣợng có độ xác khơng cao Tuy nhiên, mơi trƣờng nhiễu, cấu trúc địa chất ổn định xử lý di trú cho kết tố HVTH: Phan Văn Tuấn 94 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN I) Kết luận 1) Nghiên cứu phƣơng pháp thăm dò radar xuyên đất GPR Phát triển Radar xuyên đất Việt Nam vấn đề thiết thực, cần đƣợc đầu tƣ nghiên cứu mức Radar xun đất kĩ thuật dị tìm đại sử dụng sóng điện từ qua vật liệu đặc biệt không làm phá hủy thiết bị hay vật chất mà qua Ƣu điểm kỹ thuật Radar xuyên đất anten GPR tiếp xúc với bề mặt đất, cho phép khảo sát nhanh Anten đƣợc thiết kế có đặc tính băng thơng hình dạng chùm tia phát thích hợp, cho hiệu suất hoạt động tối ƣu Ở Việt Nam Radar xuyên đất đƣợc sử dụng để dị tìm hố tử thần đƣờng bộ, tổ mối đê điều, nghiên cứu địa chất cơng trình hay xác định cơng trình ngầm Dị tìm nhanh xác khống sản q nhƣ: boxit, tin tan Đặc biệt thiết bị phục vụ đắc lực cho việc khí hóa tự động hóa q trình phá bom mìn Ứng dụng Radar xuyên đất ngày đƣợc mở rộng lĩnh vực nhƣ: - Để tìm kiếm (dị tìm): Dị tìm khống sản, lỗ khoan hay khoan giếng, dị tìm bom mìn, dị tìm hệ thống cơng trình ngầm - Để khảo sát: Khảo sát khảo cổ, khảo sát tƣ pháp, khảo sát đất bị ô nhiễm, khảo sát điều kiện đƣờng xá - Để kiểm tra đánh giá không phá huỷ: Chất lƣợng công trình xây dựng, cơng trình ngầm, cầu đƣờng, giao thơng - Ngồi cịn đƣợc sủ dụng lĩnh vực viễn thám máy bay vệ tinh nhƣ giám sát điều khiển thiết bị tàu ngầm dƣới nƣớc hay hành tinh 2) Nghiên cứu phƣơng pháp xử lý tín hiệu xử lý ảnh để tăng khả giải cho ảnh từ hệ thống GPR Đề tài nghiên cứu đƣợc số phƣơng pháp xử lý cần thiết tín hiệu Radar thu đƣợc nhƣ loại bỏ thành phần chiều (DC), xóa bỏ thành phần tần số thấp (Dewow), xóa bỏ Background, khuếch đại tín hiệu (AGC), phƣơng pháp nâng cao độ HVTH: Phan Văn Tuấn 95 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn phân giải hình ảnh hiển thị nhƣ giải chập dự đốn phƣơng pháp di trú (Kirchoff, Dịch pha Gazdag, FK), Trong đó, xóa bỏ background phƣơng pháp xử lý đơn giản nhƣng lại quan trọng, loại bỏ đƣợc nhiễu clutter làm cho thành phần phản xạ đƣợc hiển thị rõ ràng, phép xử lý ln phải có xử lý tín hiệu GPR Các phƣơng pháp DC, Dewow nhằm mục đích loại bỏ thành phần DC, thành phần tần số thấp tín hiệu Đây phép cần có xử lý tín hiệu GPR nhằm mục đích chuẩn hóa tín hiệu cho xác chuẩn bị cho bƣớc Và điều quan trọng khơng phải ln hiệu chỉnh vị trí zero-offset liệu thu thập Đây độ chuyển dời thời gian điểm cửa sổ thời gian phản xạ từ mặt đất Việc điều chỉnh giúp cho tất phản xạ thời gian truyền dƣới lịng đất Ngồi phƣơng pháp nói trên, cịn có số phƣơng pháp xử lý cấp cao, phức tạp tốn đƣợc nghiên cứu phép di trú giải mã chập dự đoán Tùy vào ứng dụng yêu cầu độ phân giải cao, hình ảnh phải rõ nét hai phƣơng pháp giải vấn đề Giải mã chập dự đốn tiến hành dự đốn lọc dựa vào phần tín hiệu thu, với khoảng cách dự đốn Kết cho độ xác cao với chiều dài lọc lớn Phƣơng pháp vừa thực chức nén tín hiệu nguồn phát thành nhọn nhất, vừa xóa bỏ thành phần đa phản xạ tín hiệu thu Do đó, kết đƣa tốt Phƣơng pháp di trú đƣợc xem phƣơng pháp khó xử lý tín hiệu GPR Nó có tác dụng hội tụ sóng thu đƣa ngun hình dạng ban đầu mục tiêu phản xạ Có hai phƣơng pháp thực trực tiếp miền thời gian bao gồm di trú tổng tán xạ di trú Kirchoff Thuật toán tổng tán xạ đời phép di trú có phần đơn giản nhƣng có thời gian xử lý lâu, kết không nhƣ mong muốn Phƣơng pháp thứ hai xử lý miền tần số - số sóng với phƣơng pháp di trú Stolt (các phƣơng pháp di trú khác nghiên cứu them: di trú dịch pha Gazdag + Nội suy, di trú Fourier, …) Đầu tiên biến đổi Fourier cho sóng đầu vào, sau chuyển sang miền tần số - số sóng Phƣơng pháp cho kết xử lý nhanh, tiết kiệm đƣợc tài nguyên kết trả tốt Tuy nhiên, nhƣợc điểm lớn cần phải quan tâm xử lý di trú vấn đề ƣớc lƣợng vận tốc Một môi trƣờng đồng cho kết HVTH: Phan Văn Tuấn 96 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn tốt vận tốc khơng thay đổi, nhƣng lịng đất môi trƣờng hỗn tạp, vận tốc thay đổi q trình số trƣờng hợp phép di trú không đƣa kết mong muốn Do đó, cần phải thận trọng việc chọn lựa phƣơng pháp xử lý thông số tƣơng ứng phép xử lý gây nguy hiểm cho tín hiệu, làm chất thật Ngồi ra, đề tài cịn thực đƣợc số chƣơng trình Matlab để mô kết cho phƣơng pháp xử lý Bƣớc đầu, kết xử lý phƣơng pháp tƣơng đối ổn định, cải thiện đƣợc chất lƣợng hình ảnh Đối với phƣơng pháp xử lý chƣơng trình xử lý tốt, cịn phƣơng pháp di trú cấp cao cần đƣợc nghiên cứu kĩ cải tiến thêm II) Hƣớng phát triển Đề tài đƣợc phần xử lý tín hiệu Radar xuyên đất thực xử lý chủ yếu hình ảnh số liệu Cịn mảng khác Radar xuyên đất nhận dạng mẫu mạng Noron nhằm đƣa phán đoán giải mã kết khảo sát, hƣớng tiếp sau cần đƣợc nghiên cứu phát triển Bên cạnh đó, đề tài nên đƣợc tiếp tục nghiên cứu sâu rộng phƣơng pháp xử lý đặc biệt khác nhƣ phƣơng pháp biến đổi Wavelet để so sánh kết với giải chập dự đoán hay di trú dùng giải chập để so sánh với phƣơng pháp xử lý di trú thực Ngoài ra, việc nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng vận tốc xác tín hiệu truyền lịng đất điều cần thiết Mặc khác, chƣơng trình Matlab cần đƣợc bổ sung để tính tỉ số SNR liệu sau xử lý để đánh giá mức độ cải thiện phƣơng pháp xử lý so với ban đầu so với phƣơng pháp khác Sau số hƣớng phát triển cụ thể: - Tiếp tục hoàn thiện phƣơng pháp xử lý di trú đặc biệt cho phƣơng pháp dịch pha + nội suy miền 2D, giải mã chập nghiên cứu thêm số phƣơng pháp lọc cấp cao nhƣ F-K filter, Kahunen-Louve filter, nhằm cho kết tối ƣu HVTH: Phan Văn Tuấn 97 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR - GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Nghiên cứu thêm số phƣơng pháp xử lý khác nhƣ biến đổi Wavelet, phân tích thành phần độc lập ICA, … so sánh kết với Giải chập dự đốn nhằm đƣa phƣơng pháp tốt - Nghiên cứu thêm phƣơng pháp di trú giải chập - Tiến hành nghiên cứu nhận dạng mẫu mạng Noron phục vụ cho trình minh giải kết cuối - Thu thập liệu từ thực tế, tiến hành xử lý minh giải liệu thực tế thu thập trƣờng Việc minh giải phụ thuộc nhiều vào kiến thức kinh nghiệm ngƣời thực - Thực thêm việc xử lý di trú không gian chiều (3D) HVTH: Phan Văn Tuấn 98 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] David J Daniels, „„Ground Penetrating Radar – 2nd Edition‟‟, The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 2004 [2] Harry M Jol, “Ground Penetrating Radar – Theory and Applications”, Elservier Publisher, 2009 [3] C S Bristow, H M Jol, “Ground Penetrating Radar in Sediments”, Published by The Geological Sociaty London, 2003 [4] Vera Behar, Boriana Vassileva, Christo Kabakchiev, “A Software Tool for GPR Data Simulation and Basic Processing”, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia 2008 [5] Daniel Viedma Parrilla, “Ground Penetrating Radar for Road Monitoring and Damage Detection: The Layer – Stripping Algorithm”, Roma, Oct 2006 [6] James Irving, Rosemary Knight, “Numerical Modeling of Ground Penetrating Radar in 2D Using Matlab”, Computers & Geosciences 32, 2006 [7] Waleed Al-Nuaimy, “Automatic Feature Detection And Interpretation in Ground Penetrating Radar Data”, University of Liverpool, July 1999 [8] Md Alauddin Bhuiyan, Baikunth Nath, “Anti-personnel Mine Detection and Classification Using GPR Image”,0-7695-2521-0/06 IEEE, 2006 [9] Young-Kyung Jeong, Moon-Que Lee, Young-Jin Park, Kwan-Ho Kim, Dong-Gi Youn, Young-Chul Rhee, “Development of Grounf Penetrating Radar using Impulse Technology”, 0-7803-9433-X/05 IEEE, 2005 [10] Eveline E Lighthrt, Alexander G Yarovoy, Friedrich Roth, Leo P Lighthart, ”Ultra-wideband 3D Image Processing for Improving Landmine Detection with GPR”, Journal of Telecommunications and Information Technology, 02/2005 [11] D.S Prakash Rao, V.S.S Kumar, Ravande Kishore, V Bhikshma,”Ground Penetrating Radar and Its Applications in Civil Engineering”, The Indian Concrete Journal, 11/2007 HVTH: Phan Văn Tuấn 99 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR [12] GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn Yi-an Cui, Lu Wang, Jian-ping Xiao, “Automatic Feature Recognition for GPR Image Processing”, World Academy of Science, Engineering and Technology, 07/2010 [13] Xuan Feng, Motoyuki Sato, “Pre-stack Migration Applied to GPR for Landmine Detection”, Institute of Physics Publishing, 11/2004 [14] Mark L Moran, Roy J Greenfield, Steven A Arcone, Allan J Delaney, “Multidimensional GPR Array Processing Using Kirchhoff Migration”, Page 281-295, Journal of Applied Geophysics 43, 2000 [15] W Al-Nuaimy, Y Huang, M.Nakhkash, M.T.C Fang, V.T Nguyen, “Automatic Detection of Buried Utilities and Solid Objects with GPR Using Neural Networks and Pattern Recognition”, Page 157-165, Journal of Applied Geophysics 43, 2000 [16] Jung-Ho Kim, Seong-Jun Cho, Myeong-Jong Yi, “Removal of Ringing Noise in GPR Data By Sinal Processing”, Vol 11, No 1, p 75-81, March 2007 HVTH: Phan Văn Tuấn 100 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Phan Văn Tuấn Ngày sinh: 16/10/1988 Nơi sinh: Bình Định QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO: Tốt nghiệp Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, chuyên ngành Điện Tử - Viễn Thơng Q TRÌNH CƠNG TÁC: Kỹ sƣ viễn thơng, Cơng ty TNHH Truyền hình cáp Saigontourist HVTH: Phan Văn Tuấn 101 ... HVTH: Phan Văn Tuấn 20 Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn 2.5) Các hệ thống radar xuyên đất 2.5.1) Hệ thống GPR xung Hệ thống GPR xung (Impulse GPR) sử dụng kỹ thuật... chức nghiên cứu hệ thống GPR nhƣ kỹ thuật xử lý tín hiệu cho hệ thống GPR HVTH: Phan Văn Tuấn Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR Chƣơng 1: GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Chƣơng... Tuấn Xử lý tín hiệu hệ thống radar xuyên đất GPR Chƣơng 2: GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT Chƣơng trình bày cách tổng quát sở lý thuyết phƣơng pháp thăm dò Radar xuyên đất