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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ ANH ĐÀO

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

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tơi 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 tơi hết mức trong quá trình làm luận văn Dù rất bận rộn nhưng Thầy luơn sắp xếp và dành nhiều thời gian để gặp gỡ tơi 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 tơi Những lời động viên và nhắc nhở thường xuyên của Thầy đã giúp cho tơi rất nhiều trong quá trình hồn tất luận văn

Quý Thầy Cơ trong khoa Điện Tử - Viễn Thơng, trường Đại học Khoa học

Tự nhiên đã giảng dạy và truyền đạt cho tơi những kiến thức hữu ích trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã quan tâm, đĩng gĩp ý kiến và giúp đỡ tơi trong suốt quá trình hồn tất luận văn

Xin chân thành cảm ơn,

Phạm Thị Anh Đào

MỤC LỤC

Chương 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

Chương 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

Chương 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

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

Chương 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

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

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 4-26 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

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

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 :

Chương 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

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương 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

Chương 3: Các phương 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 hiện hoặc 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

Chương 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 thể không xuất phát từ mục tiêu nhưng xảy ra cùng cửa sổ thời gian và có đặc tính phổ tương tự như tín hiệu thật Một số nguồn tạo clutter như bề mặt không khí – mặt đất, đa phản xạ giữa ăngten và mặt đất, phản xạ do sự không đồng nhất của các lớp đất đá, … Mục tiêu thứ hai là cải thiện chất lượng hình ảnh để dễ dàng hơn và chính xác hơn cho quá trình minh giải Các kĩ thuật tăng độ hội tụ của hình ảnh làm giảm ảnh hưởng của độ rộng chùm tia của ăngten được gọi là kĩ thuật di trú cũng được giới thiệu trong phần này

Chương này là phần chính của luận văn, phần này được chia thành hai nhóm

là nhóm xử lý căn bản và nhóm xử lý cấp cao Mỗi một phương pháp xử lý đều được tiến hành thiết kế, thực hiện chương trình xử lý trên Matlab Chương trình xử

lý Matlab có khả năng đọc các định dạng khác nhau của dữ liệu đầu vào như tập tin

có đuôi DZT, RD3, DT1 Sau mỗi phương pháp xử lý, là hiển thị các kết quả hình ảnh đạt được cùng những so sánh và nhận xét so vói ảnh gốc Trọng tâm chính của chương là hai phương pháp giải chập dự đoán và di trú Hai phương pháp này cải thiện tốt độ phân giải của hình ảnh, tuy nhiên thuật toán thực hiện tương đối khó và phức tạp đặc biệt ở phép xử lý di trú

Chương 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

kỳ vùng nào trong dãy đó, nhờ vào độ dẫn suất của nó cao hơn môi trường xung quanh Các tác giả này đã vạch ra một kỹ thuật khác, hoạt động tách rời nhau, anten được đặt trên bề mặt để dò các phản xạ từ một bề mặt dưới đất hình thành bởi nước ngầm hoặc từ một lớp trầm tích Một sự mở rộng kỹ thuật này đã dẫn đến phương pháp biểu thị độ sâu của một bề mặt phân cách chôn dưới đất, bằng cách kiểm tra sự giao thoa giữa sóng phản xạ và khảo sát rò rỉ trực tiếp giữa các anten trên mặt đất Công trình nghiên cứu của Hiilsenbeck năm 1926 sử dụng lần đầu tiên các kỹ thuật dùng xung để xác định các đặc điểm của công trình ngầm Ông nhận thấy rằng bất

kỳ sự thay đổi chất điện môi, không nhất thiết liên quan đến độ dẫn suất, cũng sẽ tạo ra các phản xạ Kỹ thuật này có lợi thế hơn các phương pháp địa chấn, vì sự thực hiện các nguồn định hướng dễ dàng hơn

Những kỹ thuật dùng xung được phát triển từ những năm 1930 trở đi chỉ như

là một phương pháp thăm dò, dùng để thăm dò độ sâu của băng, nước ngọt, mỏ muối, hình dạng cát sa mạc và đá Thăm dò đá và than đá cũng đã được nghiên cứu bởi Cook, Roe và Ellerbruch, mặc dù độ suy giảm cao hơn trong vật liệu sau, có nghĩa là có độ sâu lớn hơn vài mét là không thực tế

Mãi đến năm 1970, GPR mới được quan tâm trở lại khi những nghiên cứu về việc đổ bộ lên mặt trăng được tiến hành Đối với các ứng dụng này, một trong những ưu điểm của GPR hơn kỹ thuật địa chấn đã được khai thác, cụ thể là khả năng sử dụng từ xa, bộ chuyển đổi năng lượng bức xạ không tiếp xúc, thay vì các kiểu hoạt động tiếp xúc với mặt đất trong những khảo sát địa chấn Bộ chuyển đổi

từ xa có khả năng chấp nhận được, bởi vì tỷ lệ trở kháng điện môi giữa không gian

tự do và vật liệu đất, thường từ 2-4, rất nhỏ so với tỷ lệ tương ứng cho trở kháng âm thanh có hệ số thường vào khoảng 100

Từ những năm 1970 cho đến ngày nay, phạm vi của các ứng dụng GPR được

mở rộng đều đặn, và hiện nay bao gồm các lĩnh vực như kiểm tra không phá hủy cấu trúc xây dựng và cao ốc, khảo cổ học, đánh giá chất lượng đường bộ và đường hầm, xác định vị trí của những lỗ trống và các vật chứa, đường hầm và giếng mỏ, phát hiện đường ống và dây cáp, cũng như viễn thám bằng vệ tinh Thiết bị được thiết kế theo mục đích sử dụng của mỗi ứng dụng này và người sử dụng hiện nay có một lựa chọn tốt hơn các thiết bị và kỹ thuật

1.2 Giới Thiệu Chung Về Radar Xuyên Đất

Khả năng phát hiện từ xa các vật thể chôn dưới đất đã cuốn hút nhân loại qua nhiều thế kỷ Một kỹ thuật có thể mô tả mặt đất và hiển thị rõ ràng những thứ 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

Thuật ngữ ―Ground Penetrating Radar (Radar xuyên đất)‖, ―Groud Probing Radar‖, ―sub – surface radar‖ hoặc ―Surface-penetrating radar (SPR)‖ nói đến một loạt các kỹ thuật điện từ Những kỹ thuật này được thiết kế chủ yếu để định vị của các vật thể hoặc các bề mặt phân cách chôn dưới mặt đất, Công nghệ Radar xuyên đất có những ứng dụng phong phú, việc định hướng và quan điểm thiết kế, cũng như phần cứng, thường 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 công tác thăm dò từ lĩnh vực cơ bản cho tới công trình xây dựng, cảnh sát và tư pháp, lực lượng an ninh, tình báo và khảo cổ Radar xuyên đất thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

Để tìm kiếm (dò tìm): Dò tìm khoáng sản, các lỗ khoan hay khoan giếng, dò tìm bom mìn, dò tìm các hệ thống trong công trình ngầm

Để khảo sát: Khảo sát khảo cổ, khảo sát tư pháp, khảo sát đất bị ô nhiễm, khảo sát điều kiện đường xá

Để kiểm tra và đánh giá không phá huỷ: Chất lượng các công trình xây dựng, công trình ngầm, cầu đường, giao thông

Ngoài ra nó còn được sủ dụng trong lĩnh vực viễn thám máy bay và vệ tinh cũng như giám sát và điều khiển các thiết bị tàu ngầm dưới nước hay trên các hành tinh

1.3 Nguyên Lý 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

Thiết bị Radar xuyên đất sử dụng các sóng vô tuyến tần số cao để thu thông tin

từ dưới lòng đất Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trường, khi gặp dị thường sẽ tạo ra các sóng phản xạ và được ăngten thu, ghi lại các tín hiệu phản xạ này một cách liên tục, xử lý và tái tạo thành một hình ảnh

Hình 1-1 Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống Radar xuyên đất

Do các sóng phản xạ này được tạo ra từ những mặt ranh giới trung gian môi trường địa chất, nên các sóng phản xạ thường liên quan đến những điều kiện tạo thành tự nhiên trong cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm tích có tính vật lý khác nhau, nồng độ sét, những khuyết tật, các khe nứt nẻ, các khối xâm thực cũng như các vật liệu bị chôn vùi do nhân tạo hoặc các khối bê tông, các vật thể không đồng nhất liên quan tới vị trí hang hốc, hàm ếch, tổ mối,…

Một trong những vấn đề lớn nhất của Radar xuyên đất là phản xạ mặt đất quá lớn, với hằng số điện môi cao giữa mặt đất và không khí chỉ cho phép một lượng nhỏ năng lượng 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 thu tín hiệu và phụ thuộc vào tính chất của đất đá trong môi trường địa chất Các

phát-Bộ phát Bộ nhận Bộ xử lý Hiển thị

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- 0,1 m

Sau đây là hình ảnh minh họa cho quá trình truyền, bị phản xạ, khúc xạ của sóng điện từ khi đi vào trong lòng đất:

Hình 1-2 Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất

Hình dưới đây là đường cong chỉ thời gian truyền từ bộ phát đến bộ nhận của mỗi dạng sóng ở trên

Sóng khúc xạ Sóng đến trực tiếp Sóng khúc xạ

S chỉ nguồn phát R chỉ bộ thu OFFSET chỉ khoảng cách giữa nguồn phát và thu

OFFSET

Sóng đến trực tiếp

Sóng phản xạ

Sóng khúc xạ

Khi sóng được phát từ nguồn phát đi đến các mục tiêu trong lòng đất thì bộ thu sẽ nhận các sóng đến gồm các loại khác nhau như sau: sóng đến trực tiếp từ trong không khí và trong lòng đất, sóng phản xạ và sóng khúc xạ Đường đi của sóng khúc xạ là xa nhất, và gần nhất là sóng đến trực tiếp

Tóm lại, chương này đã cho người đọc thấy được cái nhìn tổng quan như thế nào 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

Chương 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC DÙNG TRONG

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

J E (2.7) Phương trình Maxwell là nền tảng cho việc xem xét sự lan truyền của sóng điện từ Trong chân không, độ từ cảm μ và hằng số điện môi ε không đổi, đó là vì chúng độc lập với tần số và môi trường không tán sắc Trong môi trường điện môi hoàn hảo không gặp sự tổn thất do lan truyền sóng và do đó không xét tới sự suy giảm, chỉ xảy ra trong môi trường điện môi thực

Giả sử rằng mật độ phân bố điện tích khối trong môi trường bằng không (ρυ

= 0) Khi đó, thay (2.6) vào (2.1) và lấy curl của phương trình vừa tính được, ta có:

t

H E

Ở đây, mỗi thành phần của 2A chính là Laplacian của thành phần tương ứng của A, chẳng hạn như :

2 2 2 2

Độ từ thẩm tuyệt đối trong chân không μ0 = 1.26 x 10-6 H/m

Hằng số điện môi tuyệt đối trong chân không ε0 = 8.84 x 10-12 F/m

Độ từ thẩm tuyệt đối trong môi trường μ = μ0μr

Hằng số điện môi tuyệt đối trong môi trường ε = ε ε

Sóng truyền theo chiều dương của trục z trong môi trường điện môi hoàn hảo

có thể được mô tả bằng phương trình :

Đó là mối quan hệ chung giữa bước sóng, vận tốc pha và tần số

Trong quang học người ta thường sử dụng chỉ số khúc xạ n bằng

r r

c n

lấy r 1,n r , với tần số được cho trước

2.2 Sự tổn thất và suy giảm của sóng điện từ

Khi sóng điện từ lan truyền trong môi trường tự nhiên nó sẽ bị suy giảm và tổn thất bởi các nguyên nhân sau đây :

Sự thất thoát năng lượng: một phần năng lượng của sóng điện từ sẽ bị biến đổi thành nhiệt năng

Tổn thất của ăngten: hiệu suất của ăngten là một giá trị tương đương với tỉ lệ giữa công suất bức xạ của ăngten với công suất toàn phần cung cấp cho ăngten

Tổn thất do lan truyền hình học của sóng vô tuyến: sóng radar được phát ra dưới dạng chùm với góc nón là 900 Khi truyền đi, sóng radar

sẽ trải rộng ra làm cho mật độ năng lượng của nó bị giảm tỉ lệ với 1/r2, với r là khoảng cách lan truyền

Tổn thất do tán xạ với mục tiêu : Nhiều mục tiêu đang được tìm kiếm bằng phương pháp radar xuyên đất không phải là kim loại, vì vậy tiết diện tán xạ của chúng phụ thuộc vào tính chất của môi trường điện môi xung quanh Nơi hằng số điện môi tương đối của mục tiêu thấp hơn so với môi trường xung quanh, thì mặt phân cách không gây ra sự đảo pha của sóng bị tán xạ ngược Ngược lại, khi tán xạ gây

ra bởi các ranh giới kim loại hoặc nơi hằng số điện môi tương đối của mục tiêu lớn hơn môi trường xung quanh, thì sự đảo pha sẽ xảy ra trong sóng bị tán xạ ngược Hiện tượng này có thể sử dụng như một cách để phân biệt các

hưởng tới tần số và độ phân cực của sóng bị tán xạ ngược, và có thể được sử dụng làm phương tiện thăm dò

Sự suy giảm năng lượng khi sóng truyền qua môi trường

Sóng điện từ truyền qua môi trường tự nhiên chịu tổn thất gây ra bởi trường điện (E) hoặc trường từ (H), hoặc cả hai Điều đó tạo ra sự suy giảm đối với sóng điện từ ban đầu Với hầu hết các vật chất có khả năng dò tìm bằng radar xuyên đất, từ tính phản hồi yếu và không cần phải xem như một đại lượng phức, không giống như hằng số điện môi và độ dẫn điện Với các vật chất điện môi có thể gây tổn thất, sự hấp thụ bức xạ điện từ tạo ra do các hiệu ứng dẫn điện và điện môi Không thể phân biệt các thành phần gây tổn thất tách biệt nhau đối với các vật liệu như trên

Tóm lại, hằng số điện môi phức ε và độ dẫn điện phức ζ có thể được biểu diễn như sau:

Bản chất của tham số ε‘ liên quan tới hằng số điện môi, dùng để biểu diễn đại lượng hằng số điện môi tương đối Tham số ε‖ liên quan tới độ tổn thất phụ thuộc vào tính dẫn điện và tần số Tại tần số trên 1GHz và độ dẫn điện nhỏ hơn 0.1S/m, ảnh hưởng của đại lượng ε‖ sẽ nhỏ và thường được bỏ qua (tức là ε chỉ lấy thành phần thực ε‘) trong các trường hợp như trên

Khi các số liệu được đo trên chất điện môi dẫn điện, các tham số đo được là hằng số điện môi biểu kiến và độ dẫn điện biểu kiến :

Trạng thái của một chất được chỉ rõ bởi hằng số điện môi biểu kiến của nó, tương đương với độ dẫn điện biểu kiến vì :

( ) 0

Nói chung, các tham số đáng chú ý trong các ứng dụng của radar xuyên đất là độ suy giảm và vận tốc truyền sóng

Trong môi trường điện môi dẫn điện hệ số pha là số phức và bằng :

khi xem rằng tanδ không đổi trong miền tần số trên Tuy nhiên, với các chất ẩm và

có độ tổn thất thì việc lấy gần đúng như vậy là không chính xác, khi đó :

Việc xem xét độ lớn của ζ‖ và ε‖ khá quan trọng trong việc xác định giá trị của tanδ Nói chung, đối với vật chất bên trong trái đất thì tanδ lớn tại tần số thấp, nên chúng sẽ đạt cực tiểu tại tần số 1x108 và tăng đến cực đại tại tần số khoảng vài GHz, sau đó sẽ không đổi

Vì vậy, để xác định chính xác độ suy giảm cần phải xét tất cảc các hệ số trong biểu thức cho tanδ

Khi ζ nhỏ, ta có thể tính được độ lớn của tanδ bằng phép tính gần đúng :

Trở kháng nội η của môi trường có mối liên hệ với trường điện E và trường

j

Trở kháng nội của môi trường trở thành

1 2

Tại ranh giới giữa hai môi trường, một số năng lượng sẽ bị phản xạ và phần còn lại sẽ được truyền đi Độ lớn của trường bị phản xạ được mô tả bởi hệ số phản

xạ r :

2 1

2 1

Trong đó η1 và η2 tương ứng là trở kháng của môi trường 1 và 2

Trong môi trường không dẫn điện, như đất khô hoặc bêtông khô, và chỉ xét bức xạ có tần số đơn, thì biểu diễn ở trên có thể được đơn giản và được viết lại là :

Trong đó εr là hằng số điện môi tương đối của môi trường

Hệ số phản xạ có giá trị dương khi εr2>εr1, giống như khi có lỗ trống chứa đầy không khí tồn tại trong vật chất điện môi Tác động lên dạng xung sóng là để biến đổi pha của sóng phản xạ con, để các mục tiêu có hằng số điện môi tương đối khác với vật liệu gốc sẽ cho các tín hiệu phản xạ có độ lệch pha khác nhau Tuy nhiên, biên độ của tín hiệu phản xạ sẽ chịu ảnh hưởng bởi sự lan truyền điện môi của môi trường gốc, đặc tính hình học của mục tiêu và các tham số điện môi của môi trường đó

2.3 Một Số Phương Pháp Thu Thập Dữ Liệu

2.3.1 Phương pháp mặt cắt phản xạ

Được thực hiện tương tự phương pháp phản xạ trong địa chấn Trong phương pháp này ta có thể sử dụng một hay nhiều cặp ăngten phát thu di chuyển cùng lúc trên mặt đất, thông tin ghi nhận được biểu diễn trên giản đồ sóng, với trục tung là thời gian còn trục hoành biểu diễn khoảng cách

Nếu ta biết được vận tốc truyền sóng thì có thể xác định được chiều sâu của lớp phản xạ

Hình 2-2 Phương pháp mặt cắt phản xạ

2.3.2 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng (WARR)

Trong phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng, ăngten phát được giữ tại một

vị trí cố định, các ăngten thu được di chuyển cách đều nhau trên cùng một tuyến

Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải thực hiện trên vùng có mặt phản xạ ngang, hoặc nghiêng một góc nhỏ và khu vực nghiên cứu phải đồng nhất Vì vậy, nó không phù hợp với thực tế Để khắc phục điều này, người ta đã áp dụng một phương pháp thích hợp hơn, đó là phương pháp điểm sâu chung (CMP) Trong phương pháp CMP, ăngten phát và thu di chuyển với khoảng cách đều nhau, sao cho điểm giữa chúng luôn luôn là cố định

Mặt phân cách

2.3.3 Phương 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 việc xác định tính chất các trụ bêtông

dẫn thấp

Ý nghĩa

a v

Bảng 2.2 : Tính chất điện của một số loại vật chất thường gặp

2.4 Đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến tính toán độ sâu

Như ta đã biết để đo được độ sâu cần hai tham số là vận tốc truyền trong môi trường và thời gian truyền Thời gian truyền có thể có được bằng cách đo khoảng thời gian từ khi phát một xung vào trong lòng đất và đến lúc nhận được tín hiệu ở đầu thu Vận tốc là vận tốc truyền sóng trong môi trường vật chất như đất đá, và độ sâu là khoảng cách từ bề mặt đến mục tiêu Do đó, ta cần hiểu rõ đặc tính vật liệu ảnh hưởng như thế nào đến vận tốc truyền và khi đó tính được độ sâu

Từ lý thuyết sóng điện từ được nghiên cứu ở phần 2.1 ở trên, ta có được vận tốc truyền sóng trong một môi trường được tính như sau:

1/

εr là hằng số điện môi tương đối, có giá trị gần bằng 80 đối với hầu hết các môi trường địa chất

μr là độ từ thẩm tương đối, bằng 1 trong môi trường địa chất không từ tính

dữ liệu như CMP để khảo sát vận tốc sẽ cho kết quả chính xác hơn

Chương 2 đã thực hiện được mục tiêu giới thiệu cơ sở lý thuyết của sóng điện từ, các phương trình sóng Maxell, các tác động mà sóng điện từ gặp phải khi lan truyền trong môi trường Ngoài ra, nguyên nhân của các loại suy hao năng lượng cũng được mô 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

Chương 3 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU

Xử lý tín hiệu trong Radar xuyên đất có hai mục tiêu chính Mục tiêu thứ nhất là làm giảm clutter, tín hiệu có thể không đến từ mục tiêu nhưng nó xảy ra cùng cửa sổ thời gian và đặc tính với tín hiệu Mục tiêu thứ hai là cải thiện chất lượng của hình ảnh, làm cho dễ dàng và chính xác hơn trong việc phân tích và minh giải kết quả thu được Sau đây là một số phương pháp thực hiện các mục tiêu trên

3.1 Hiệu Chỉnh Thời Gian 0 (Time Zero Adjust)

Là một tiến trình dịch tĩnh (static shift), cần có sự kết hợp giữa điểm thời gian 0 và điểm có độ sâu 0, bất kỳ một sự dịch chuyển nào do thiết bị thu phải được xóa bỏ trước khi tiến hành các bước xử lý tiếp theo

Nhiệt độ trôi, sự không ổn định về các hạt điện tử, sự khác nhau về chiều dài của cáp và sự khác nhau về khoảng cách ăngten có thể tạo ‗bước nhảy‘ trong sóng không khí hoặc sóng đất đến đầu tiên (air/ground wavelet) so với bề mặt đất Điều này gây ra một sự tác động lên vị trí của bề mặt đất trong khu vực khảo sát và chuỗi thời gian của tín hiệu sau đó, mật độ giao chéo giữa các trace và các phần tăng lên

Do đó, trace cần phải được điều chỉnh để có vị trí điểm thời gian 0 chung (common time-zero) trước khi xử lý

Hình 3-1 Ví dụ về sự dịch chuyển vị trí điểm thời gian 0

3.2 Trừ Trace Trung Bình (Subtract Mean Trace)

Hiện tượng rung Ringing được tạo ra do sự chồng chập của sóng đến trực tiếp với tín hiệu phản xạ nhận được từ mặt đất Bởi vì sóng truyền trực tiếp thường rất mạnh do khoảng cách gần giữa ăngten phát và bộ nhận, gây ra sự chói sáng và làm khó khăn cho việc nhận dạng sự suy giảm trong hình ảnh Do đó, nó cần được xóa bỏ ra khỏi hỗn hợp sóng thu được

Tiến trình này dùng để xóa bỏ ringing có từ trong ăngten monostatic (ăngten nhận cũng là ăngten phát) do sự gần nhau của ăngten phát và ăngten nhận Phương pháp trừ trace trung bình này tương đương với bộ lọc thông cao, dùng để loại bỏ ringing Lấy trung bình trên một cửa sổ pixel và trừ giá trị trung bình đó cho giá trị của tất cả pixel nằm trong cửa sổ Sau đó, tiếp tục di chuyển cửa sổ và xử lý cho đến hết hình Phương pháp này có thể được mô tả như công thức sau:

/2 /2

Vị trí thời gian 0 đối với 4m đầu tiên

Hình 3-2 Hình (a) dữ liệu thô và hình (b) dữ liệu sau khi đã qua xử lý trừ

1 0

1 '( ) ( ) ( ) : 0 1

N

i

a n a n a i cho n N

Trong đó, a(n) là dữ liệu gốc một chiều kiểu quét A

a‘(n) là dữ liệu một chiều sau khi xóa bỏ DC

n là số mẫu của dữ liệu

N là tổng số lượng mẫu trên một vết quét A

(a)

(b)

Hình 3-3 Minh họa cho xử lý xóa DC, hình đƣợc tham khảo từ [15]

3.4 Xóa Bỏ Nền (Background Removal)

Một trong những phương pháp phổ biến nhất đặc biệt áp dụng cho dữ liệu Radar xuyên đất là xóa bỏ background Xóa bỏ background là một dạng lọc không gian, có dạng của bộ lọc thông cao hoặc bộ lọc mà lấy trung bình tất cả các trace trong một phần Radar xuyên đất và trừ nó cho mỗi trace Bộ lọc này rất hiệu quả trong việc làm cho tín hiệu yếu từ chỗ bị mất đi thành thấy được khi hiển thị được, xóa bỏ được các dải phản xạ nằm ngang che lấp tín hiệu ví dụ như hình minh họa dưới đây (Hình 3-4) Tuy nhiên, phương pháp xóa bỏ background này cũng có khả năng loại bỏ các phản xạ quan trọng phía dưới lòng đất Do đó, cần phải thận trọng khi dùng phương pháp xử lý này

1 0

1 '( ) ( ) ( )

K k k

a n a n a i

Trong đó: ai(n) là dữ liệu gốc của vết quét loại A thứ i

a‘(n) dữ liệu được xử lý của vết quét loại A thứ i

các vết quét loại A được lấy đối xứng xung quanh vết quét được

xử lý

Hình 3-4 Trước khi áp dụng xóa bỏ Background

Hình 3-5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background

3.5 Lọc Dewow

Bộ lọc dewow sẽ xóa bỏ thành phần một chiều DC, hoặc điện thế phân cực

DC, tín hiệu tần số thấp trong dữ liệu.‗Wow‘ được gây ra bởi sự bảo hòa (swamping hoặc saturation) của tín hiệu thu được đầu tiên hoặc hiệu ứng mắc nối cảm ứng (inductive coupling) Do năng lượng rất lớn của sóng đầu vào: sóng không khí, sóng đất và các sóng phản xạ gần bề mặt, bộ nhận Radar xuyên đất trở nên bảo hòa và không thể điều chỉnh đủ nhanh để tạo sự thay đổi lớn giữa các lần chồng chập Do

đó, gây ra các thành phần tần số thấp làm suy giảm dần các tần số cao hơn Và yêu cầu đưa ra là phải loại bỏ thành phần tần số thấp này từ tín hiệu thu được Người ta

sử dụng bộ lọc trung vị median để loại bỏ hiện tượng này một cách hiệu quả

Dewowing là một bước sống còn vì nó đưa dữ liệu về mức trung bình 0 Nếu

áp dụng không đúng, dữ liệu sẽ chứa thành phần phá hủy, thành phần tần số thấp và làm méo dạng toàn bộ phổ trace Điều này làm ảnh hưởng đến phương pháp xử lý phổ sau này của nó cũng như bản chất nhìn thấy của tín hiệu May mắn là hệ thống Radar xuyên đất hiện đại nhất bây giờ áp dụng dewow đến mỗi trace một cách tự động với các tham số lọc được thiết lập với điều kiện tối ưu Thực tế nên loại bỏ DC trước, sau đó dùng bộ lọc trung vị median với cửa sổ lọc ngắn (thường cùng chiều dài như sóng xung Radar xuyên đất) và bộ lọc với tần số cắt thấp hơn băng thông của dữ liệu thu được (10 Mhz cắt cho 500 Mhz ăngtenna)

Hình 3-6 Tín hiệu gốc chƣa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11]

Hình 3-7 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11]

3.6 Khuếch Đại AGC

Do sự mất mát năng lượng quá lớn đối với tín hiệu tần số cao nên việc bù vào sự suy giảm đó trong ảnh Radar xuyên đất là rất cần thiết Sóng đến trước thường có biên độ lớn hơn sóng đến sau bởi vì sóng đến trước không cần phải đi quá xa nên không bị suy hao nhiều về năng lượng Sự mất mát biên độ tín hiệu liên quan đến hình dạng phân bố cũng như là sự suy giảm do nội tại các thiết bị

Vấn đề chính ở tín hiệu GPR là độ suy giảm của nó ở trong lòng đất biến thiên rất lớn phụ thuộc vào môi trường đang khảo sát, có một số môi trường độ suy giảm ít, tín hiệu có thể đi sâu đến 10m, có một số môi trường suy giảm cao chỉ có thể đi vào 1-2m

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

(a)

(b)

Các hàm khuếch đại theo thời gian khác nhau như phân kỳ cầu (spherical divergence) hoặc khuếch đại tự động AGC được áp dụng nhằm mục đích cân bằng biên độ của tín hiệu thu được Hàm mũ của khuếch đại dạng phân kì có dạng:

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]

3.7 Giải Chập (Deconvolution)

Giải chập là tiến trình làm cải thiện độ phân giải thời gian của dữ liệu thu bằng cách nén sóng phát cơ bản Giải chập vừa có tác dụng xóa bỏ hiện tượng ringing và vừa nén sóng phát ra từ nguồn phát

Để hiểu được giải chập trước hết ta cần hiểu rõ cấu trúc của dữ liệu thu được Trái đất được cấu tạo từ những lớp đất đá, khác nhau về địa chất và đặc tính vật lý

Về địa chất thì mỗi lớp đất đá được định nghĩa với một mật độ (density) và vận tốc riêng ở đó sóng địa chấn truyền qua Mật độ và vận tốc này tạo ra trở kháng, sự