Sĩng truyền đi từ nguồn phát của Radar xuyên đất khơng chỉ là một xung đơn duy nhất mà cĩ sự kết hợp của sĩng sine Gausian được điều chế. Năng lượng của sĩng phát được yêu cầu càng hội tụ càng tốt, sĩng hẹp tương ứng với tần số cao, và ngược lại sĩng rộng tương ứng với tần số thấp. Tín hiệu tần số cao cĩ độ sâu xuyên thấu ngắn do suy hao lớn bởi sự hấp thụ của mơi trường, và do bị phản xạ nhiều nhưng lại cho độ phân giải rất tốt vì khoảng cách giữa 2 mẫu kế cận rất gần nhau. Tín hiệu tần số thấp lại cho độ sâu xuyên thấu lớn hơn vì bước sĩng lớn cộng với suy hao ít hơn nhưng lại cho độ phân giải thấp. Do đĩ, việc chọn tần số của sĩng phát cần dựa vào từng ứng dụng cụ thể để xác định tần số nào là phù hợp, thơng thường tần số được chọn trong khoảng từ 50 - 500 Mhz. Sau đây là một xung phát tiêu biểu từ nguồn phát của hệ thống Radar xuyên đất với tần số 50 Mhz:
Hình 4-1 Tín hiệu xung truyền từ nguồn phát Radar xuyên đất
Bộ phát sẽ liên tục phát tín hiệu, tín hiệu này truyền vào trong lịng đất gặp các chướng ngại vật trong lịng đất sẽ gây ra các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, ... Bộ
Biên Độ
(d
B)
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
thu trên bề mặt đất sẽ thu tồn bộ các phản xạ trên, lấy mẫu và lưu trữ dưới dạng các ma trận dữ liệu, dưới đây là định dạng của ma trận dữ liệu:
(1,1) (2,1) (3,1)...( ,1) (1, 2) (2, 2) (3, 2)...( , 2) (1, 3) (2, 3) (3, 3)...( , 3) ( , 4)... ( , 5)... (1, ) (2, ) (3, )...( , ) M M M i j i j N N N M N
Và dữ liệu ma trận trên được xử lý và hiển thị dưới dạng hình ảnh như Hình 4-2 dưới đây.
Hình 4-2 Tín hiệu nhận đƣợc sau khi phản xạ chỉ trên một trace
Rõ ràng tín hiệu nhận được sau một loạt quá trình truyền đi, suy hao, phản xạ, … là rất mờ và cĩ dạng hình nĩn cho một điểm phản xạ dưới mặt đất. Đĩ là nguyên nhân tại sao ta phải dùng đến các phép xử lý và đặc biệt là phép di trú.
Sau đây là dữ liệu thực tế thu được khi khảo sát lịng địa chất dưới một sàn bê tơng của một tịa nhà sử dụng hệ thống thu của hãng GSSI, các thơng số được thiết lập cho hệ thống thu thập như sau:
o Được thu từ hệ thống GSSI đơn tĩnh (Monostatic)
Mẫu trên một trace đƣợc biể u diễn theo thời gia n i là trace thu thứ i j là mẫu thu thứ j Số lƣợng trace đƣợc thu theo khơng gian
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
o Số lượng trace: 329
o Khoảng cách giữa 2 trace kế cận nhau: 0.04 m
o Chiều dài của mỗi phần quét: 329*0.04 = 13.12 m
o Khoảng lấy mẫu: 0.05871 ns (Cửa sổ thời gian 30 ns)
o Số lần quét trên một giây: 64
o Hằng số điện mơi: 9
o Vị trí tín hiệu: 0 ns
o Ăngten: 3102 500 Mhz
o Ăngten offset: 0 m
Hình 4-3 là dữ liệu thu được từ việc khảo sát trên nền bêtơng của một tịa nhà, dữ liệu này chỉ ra hai đường ống dẫn nước nằm dưới nền bêtơng, một đường ống ở phía tay phải nằm dưới mặt đất 0.5m và một đường ống nằm ở tay trái dưới mặt đất 0.75m. Các đường lượn sĩng, nhấp nhơ gần bề mặt phản xạ chỉ mạng lưới đường dây bêtơng cốt thép cĩ trong khối bê tơng. Ngồi ra, cịn cĩ các gợn sĩng xung quanh đường ống chỉ bản chất vật liệu ở dưới lịng đất.
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Như vậy, ta thấy ảnh gốc thu được từ hiện trường khĩ quan sát, bị mờ với các đường cong hyperbol chồng chập lên nhau, và cĩ rất nhiều phản xạ xuất hiện trong đĩ. Để cải thiện hình ảnh hiển thị nhằm làm dễ dàng hơn cho quá trình minh giải sau này, ta tiến hành các bước xử lý sau cho tín hiệu trên.
4.2 Các Phƣơng Pháp Xử Lý Cơ Bản
4.2.1 Điều Chỉnh Vị Trí Tín Hiệu (Adjust Signal Position)
Phương pháp này cho phép điều chỉnh theo chiều dọc bề mặt phản xạ, đặt đúng thời gian nơi mà xung radar rời ăngten và đi vào trong lịng đất. Vì vậy, cĩ thể xem đĩ như là điểm thời gian 0 và vị trí 0 và nĩ nên ở đỉnh của quá trình quét. Vị trí của bề mặt phản xạ cĩ thể xác định là nơi tín hiệu đang bằng phẳng bị thay đổi độ lớn một cách đột ngột. Việc xác định mang tính tương đối và phụ thuộc vào tính chủ quan của người sử dụng.
Dưới đây là lưu đồ của chương trình Matlab, trong đĩ ns là số lượng mẫu cĩ trong dữ liệu ban đầu, nsc là số lượng mẫu cần dịch chuyển, ns là số lượng mẫu mới sau khi đã dich chuyển, t là thời gian bị dịch, dt là tốc độ lấy mẫu.
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Hình 4-4 Lƣu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí 0
Chương trình bắt đầu với việc đọc dữ liệu đầu vào, hiển thị trace tín hiệu cho người sử dụng chọn vị trí điểm 0 mới. Nếu người sử dụng chọn chưa đúng, chương trình cho phép chọn lại. Nếu quá trình chọn điểm 0 kết thúc, chương trình lưu vị trí điểm 0 này và sau đĩ qui đổi từ vị trí thời gian sang số lượng mẫu cần di chuyển nsc
để dễ dàng hơn cho việc tính tốn. Nếu người sử dụng đồng ý với số lượng mẫu cần Hiển thị dữ liệu từ mẫu nsn trở đi
P (x,z = 0,t) N
Y N
Chọn bề mặt phản xạ trên trace
Xác định thời gian chọn dựa vào vị trí con chuột, tính số mẫu cần dịch
chuyển nsc = t/dt
Chấp nhận số mẫu nsc này khơng?
Thiết lập vị trí thời gian 0 mới bằng cách loại bỏ nsc, nsn = ns - nsc Y Bắt đầu Kết thúc Kiểm tra cách chọn bề mặt phản xạ cĩ hợp lệ? Và chuột cĩ di chuyển xuống?
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
dịch chuyển nsc trên, chương trình tiến hành loại bỏ lượng mẫu nsc từ lượng mẫu ban đầu ns của tín hiệu gốc. Bây giờ, tín hiệu sẽ chỉ cịn (ns - nsc) mẫu và gốc thời gian bị dịch đi một nsc mẫu.
Bởi vì dữ liệu xử lý được chọn ở trên cĩ vị trí điểm 0 tại vị trí thời gian 0 nên sẽ khơng cần quá trình xử lý hiệu chỉnh vị trí 0 này. Tuy nhiên, để minh họa cho kết quả của phép xử lý, tác giả xin dịch vị trí 0 của dữ liệu ban đầu về vị trí của điểm thời gian 9.511 ns và dưới đây kết quả của phép xử lý.
Kết quả thực hiện:
Dữ liệu ban đầu đúng vị trí dịch 0
Hình 4-5 Dữ liệu trƣớc khi xử lý
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Hình 4-6 Dữ liệu sau khi xử lý
Nhận xét: Đây chỉ là ví dụ minh họa cho quá trình hiệu chỉnh vị trí 0. Ta thấy vị trí điểm thời gian 0 của tín hiệu đang ở thời điểm t = 9.511 ns, sau khi tiến hành xử lý chọn đúng bề mặt phản xạ tại nơi cĩ sự phản xạ lớn nhất, ta đã dịch chuyển dữ liệu từ vị trí t = 0 của nĩ về vị trí t = 9.511 ns, số lượng mẫu hiển thị là 20 mẫu so với ảnh gốc là 30 mẫu. Phương pháp xử lý này đã cắt bỏ khoảng dịch 0 của tín hiệu nên chỉ xử lý cho trường hợp tín hiệu bị lệch 0 mà thơi.
4.2.2 Xĩa Bỏ Trace Xấu
Trace xấu là trace cho kết quả khơng tốt, đột biến hay khác thường so với các trace lân cận của nĩ. Đối với phương pháp này, cĩ 3 vấn đề cần quan tâm là tìm đúng trace xấu, tính tốn để sửa trace xấu đĩ và cuối cùng thay thế vào đúng vị trí của nĩ. Việc tìm trace xấu là do người sử dụng quyết định, người sử dụng nhìn trên hình ảnh hiển thị và chọn lựa những trace bất thường. Để sửa các trace xấu này, ta dùng phép tốn nội suy trên các trace lân cận để suy ra trace đúng nhất tương ứng. Chương trình lưu lại vị trí trace hỏng ở trên và thay thế trace mới vào. Lưu đồ
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Hình 4-7 Lƣu đồ thực hiện xĩa bỏ Bad Traces
Chương trình tiến hành đọc dữ liệu đầu vào và hiển thị trace lên màn hình để người dùng chọn các trace hỏng cần được thay thế. Sau đĩ, chương trình kiểm tra xem việc chọn trace xấu đĩ đã đúng hay chưa. Nếu quá trình chọn là đúng, chương trình sẽ đánh dấu trace xấu đĩ và lưu vị trí dữ liệu của nĩ. Tiếp đĩ, chương trình tìm các trace đúng là các trace ngồi các trace hỏng đã chọn ở trên. Cuối cùng, chương trình dùng hàm nội suy của Matlab Interp1 nội suy từ các trace đúng lân cận, cụ thể
Kiểm tra đã chọn đúng? N
Chọn trace xấu trực tiếp trên hình ảnh
Đánh dấu trace xấu, và lưu vị trí của trace xấu
Dùng phép tốn nội suy (interp1) tìm trace đúng dựa trên trace lân cận đúng và thay thế
vào vị trí trace xấu
Kết Thúc Y Bắt đầu
Tìm các trace tốt là các trace khơng phải các trace xấu trên
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
là các mẫu của nĩ đã được tìm trên để tìm trace tốt thay thể vào vị trí của trace xấu ban đầu.
Kết quả thực hiện:
Hình 4-8 Ảnh gốc trƣớc khi xử lý loại bỏ trace xấu
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Nhận xét:
Việc xĩa bỏ trace lỗi được thực hiện dựa trên việc chọn trace hỏng của người sử dụng, cĩ thể chọn nhiều trace ở những vị trí khác nhau trên dữ liệu cần xử lý, kết quả hiển thị khơng được rõ ràng như mong muốn nếu ta chọn trace rời rạc và ít. Ta phải tiến hành xử lý nhiều lần trên các trace khác nhau và chọn trace càng gần nhau càng tốt để cĩ kết quả tốt nhất. Những trace trong vịng trịn sau khi đã xử lý sẽ rõ và mịn hơn trace gốc của nĩ như Hình 4-8 ở trên.
4.2.3 Xĩa Bỏ Background
Đây là phương pháp lọc thơng dụng nhất được xem là sống cịn của xử lý tín hiệu, được áp dụng để loại bỏ các dải băng ngang xuất hiện trong hầu hết các dữ liệu phản xạ. Do hiện tượng ―ringing‖ rung của ăngten, các dải băng ngang được thu trong các dữ liệu thu, được xem như là nhiễu hệ thống do các nguồn nhiễu điện từ như sĩng radio, sĩng điện thoại, … Các dải băng này gây mờ các thành phần phản xạ chính trên hình ảnh phản xạ thu được.
Hầu hết các chương trình xử lý đều cĩ khả năng xĩa bỏ các dải băng ngang này bằng thuật tốn đơn giản là tính tổng biên độ phản xạ thu cùng thời gian và chia cho số lượng trace được cộng. Sau đĩ, trừ giá trị này cho các trace đĩ.
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Hình 4-11 Ảnh đã qua xử lý xĩa bỏ background
Như vậy, xử lý xĩa bỏ background cho kết quả khá tốt, hình ảnh sau khi xử lý rõ ràng, loại bỏ phần lớn các dải băng ngang trong hình ảnh, các phản xạ yếu được hiển thị rõ hơn. Tuy nhiên, ta cần phải hết thận trọng khi sử dụng phương pháp xử lý này cho dữ liệu cĩ đặc tính nằm ngang cần quan tâm bởi vì nĩ khả năng xĩa bỏ những thành phần phản xạ chính cĩ cùng cửa sổ thời gian với các thành phần nằm ngang này.
4.2.4 Lọc Dewow
Phương pháp xử lý này được khuyến cáo nên dùng cho tất cả các loại dữ liệu. Phụ thuộc vào độ tương quan của bộ nhận và bộ phát cũng như đặc tính điện của mặt đất, tín hiệu truyền cĩ thể tạo phản xạ tần số thấp phá hủy chậm trên trace, được chồng chập trên những phản xạ tần số cao. Dewow dùng để loại bỏ thành phần tần số thấp khơng mong muốn và vẫn duy trì tín hiệu tần số cao. Thực chất của quá trình dewow là bộ lọc tần số thấp.
Wow được xĩa bỏ từ dữ liệu bằng cách áp dụng bộ lọc trung bình chạy dọc trên mỗi trace. Một cửa sổ với độ rộng bằng độ rộng xung ở tần số thơng thường được thiết lập trên trace. Giá trị trung bình của tất cả các điểm trong một cửa sổ được tính tốn và được trừ đi từ điểm tâm. Cửa sổ sau đĩ được di chuyển dọc theo
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Dưới đây là lưu đồ xử lý của Matlab cho lọc dewow, trong đĩ ns là số lượng mẫu trên một trace (chiều dài của trace theo chiều y trong ma trận dữ liệu), ntr là số lượng trace cĩ trong dữ liệu đầu vào được tính theo chiều x của ma trận dữ liệu.
Hình 4-12 Lƣu đồ thực hiện quá trình Dewow
Đầu tiên, chương trình thiết lập tần số cắt fc bằng 2% tần số Nyquist, chiều dài bộ lọc bằng 0.9*ns, chiều dài càng lớn thì bộ lọc càng ổn định, cho kết quả càng tốt. Tiếp đĩ là tạo bộ lọc thơng thấp với tần số cắt fc, chiều dài 0.9*ns cĩ kích thước ma trận b[ns,ntr] bằng hàm tạo bộ lọc fir. Kế tiếp lấy biến đổi FFT của dữ liệu cần xử lý d và bộ lọc b. Cuối cùng là nhân d với b ta cĩ được dữ liệu lọc.
Kết quả sau khi xử lý với chương trình Matlab trên: Đệm 0 để tạo bộ lọc b ma trận
[ns,ntr], biến đổi FFT(b) Tạo bộ lọc thơng thấp với tần số cắt fc
trên chiều dài bộ lọc = 0.9*ns
Chuyển dữ liệu d sang miền tần số bằng biến đổi FFT
Nhân dữ liệu d với bộ lọc b tạo dữ liệu lọc
Kết Thúc Bắt đầu
Chọn tần số cắt fc = 2% tần số Nyquist
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
Hình 4-13 Ảnh gốc sau khi thực hiện xĩa DC, trace xấu chƣa xử lý dewow
Hình 4-14 Ảnh sau khi thực hiện xử lý dewow và background
Nhận xét: Ảnh sau khi được thực hiện xử lý dewow đã xĩa bỏ được các thành phần tần số thấp gây mờ hình ảnh, làm cho ảnh được rõ ràng hơn. Ngồi ra, ảnh cịn được loại bỏ background làm nổi bật được các phản xạ chính, loại bỏ các
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR
đường băng ngang trong hình ảnh. Bước loại bỏ background là bước xử lý khá quan trọng vì nĩ làm rõ được các tín hiệu, loại bỏ các nền tín hiệu làm mờ tín hiệu chính.
4.2.5 Khuếch Đại AGC Biên Độ Hiệu Dụng (RMS)
Khuếch đại AGC là tiến trình xử lý mà độ lợi được điều chỉnh một cách tự động, là hàm của độ lớn tín hiệu. Độ lớn tín hiệu thay đổi theo thời gian được đo bằng biên độ hiệu dụng được tính trên một cửa sổ trượt với chiều dài cho trước. Kết quả phụ thuộc vào chiều dài cửa sổ AGC, chiều dài ngắn sẽ tạo sự phân bố đồng đều hơn trong biên độ của trace đầu ra, và làm mờ những phản xạ mạnh hơn. Ngược lại, cửa sổ quá dài cĩ thể khơng cung cấp độ khuếch đại đủ lớn cho vùng biên độ thấp. Sử dụng khuếch đại tín hiệu cần thận trọng vì cĩ thể làm mất bản chất của tín hiệu.
Hàm độ lợi AGC biên độ hiệu dụng dựa trên biên độ hiệu dụng trong một cửa sổ thời gian trên một trace đầu vào. Hàm độ lợi được tính như sau: trace đầu vào được chia thành các khoảng thời gian cửa sổ cố định. Đầu tiên, biên độ của mỗi mẫu trong cửa sổ được lấy bình phương. Kế tiếp, tính trung bình các giá trị này trên cửa sổ và sau đĩ tính căn bậc hai của giá trị trung bình đĩ. Đây là biên độ rms trên một cửa sổ thời gian. Tỉ số của biên độ rms mong muốn trên giá trị rms thật sự được xem là giá trị của hàm độ lợi tại tâm của cửa sổ. Do đĩ, hàm tỉ lệ tại tâm của cửa sổ được tính bởi giá trị hiệu dụng mong muốn.
2 1 rms ( ) 1 N i i g t x N
Khi cửa sổ được lấy nhỏ thì những phản xạ mạnh trở nên ít phân biệt nhau hơn Lưu đồ thực hiện bằng Matlab:
Phương Pháp Xử Lý Tín Hiệu GPR