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

GPR Ground Penetrating Radar - Radar xuyên đất là một phương pháp địa lý ứng dụng các nguyên lý của sóng điện từ ở dải tần số rất cao 1-1000MHz phát vào bên dưới mặt đất và thu lại sóng

Quảng Dương Đại Vương

NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHO HỆ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 

CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 5 

LỜI MỞ ĐẦU 6 

Chương 1.  TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT 13 

1.1  Lịch sử phát triển  13 

1.2  Giới thiệu chung về radar xuyên đất   15 

1.3  Nguyên lý hoạt động   16 

Chương 2.  CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA RADAR XUYÊN ĐẤT 19 

2.1  Sóng điện từ - Phương trình Maxwell   19 

2.2  Tính chất của vật liệu   21 

2.3  Sự truyền sóng của trường điện từ   22 

2.4  Tính chất của sóng  25 

2.5  Phản xạ, tán xạ và truyền dẫn tại bề mặt   26 

2.6  Độ phân giải và vùng tác động   28 

2.7  Sự suy hao tán xạ   30 

2.8  Vận tốc truyền   31 

2.9  Tiêu chuẩn lấy mẫu   32 

Chương 3.  CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT

3.1  Các định nghĩa và các đặc điểm tần số vô tuyến   35 

3.1.1  Dynamic range   35 

3.1.2  Băng thông   35 

3.1.3  Range resolution   36 

3.1.4  Unambiguous range   36 

3.1.5  Tiêu chuẩn thiết kế cho GPR  37 

3.2  Pulse GPR   38 

3.2.1  Tổng quan   38 

3.2.2  Chu kỳ, độ rộng xung và băng thông   40 

3.2.3  Các thông số thiết kế hệ thống   41 

3.2.4  Ưu nhược điểm   43 

3.3  FMCW GPR   43 

3.3.1  Tổng quan   43 

3.3.2  Băng thông, chu kỳ   45 

3.3.3  Time-of-fly, tần số fB   46 

3.3.4  Phổ tín hiệu IF   47 

3.3.5  So sánh FMCW radar và Pulse radar   49 

3.4  SFCW GPR   52 

3.4.1  Tổng quan   52 

3.4.2  Pha tần số   54 

3.4.3  Băng thông   56 

3.4.4  Bước tần số   56 

3.4.5  So sánh SFCW radar với FMCW radar và Pulse radar   57 

Chương 4.  CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THỰC HIỆN TRÊN MATLAB

60 

4.1  FMCW GPR   61 

4.1.1  Cơ sở lý thuyết  61 

4.1.2  Sơ đồ khối FMCW radar   62 

4.1.3  Chương trình mô phỏng matlab   63 

4.2  SFCW GPR   66 

4.2.1  Cơ sở lý thuyết  66 

4.2.2  Sơ đồ khối   68 

4.2.3  Chương trình mô phỏng matlab   68 

4.3  Khảo sát SFCW GPR khi thay đổi các thông số khác nhau   71 

4.3.1  Độ sâu   71 

4.3.2  Công suất-độ sâu   75 

4.3.3  Công suất-tần số   76 

4.3.4  Bước tần số   77 

KẾT LUẬN 81 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Hình 4-18: Mối quan hệ giữa công suất nhận theo tần số

Hình 4-19: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=1MHz Hình 4-20: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=4MHz Hình 4-21: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=8MHz Hình 4-22: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=15MHz

Radar xuyên đất là một phương pháp địa vật lý thông dụng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực địa kỹ thuật, khảo cổ. Nó có nhiều thuận lợi như dễ di chuyển, không phá hủy, tốc độ xử lý nhanh, độ phân giải cao, … Một  ưu  điểm  nổi  trội  nữa  của  Radar  xuyên  đất  khiến  nó  trở  thành  tâm  điểm của mọi sự lựa chọn đó là khảo sát, dò tìm nhưng không phá hủy và thâm nhập vào công trình khác với các phương pháp truyền thống. Các phương pháp truyền thống 

Những năm gần đây trong nước ta xảy ra rất nhiều hiện tượng địa chất, gọi là tai biến địa chất như sụp lún, vết nứt địa chất, sạt lở ở các bờ sông…, ảnh hưởng rất nhiều đến đời sống xã hội. Thực tế đã xảy ra nhiều vụ sụp lún trong một số khu dân 

cư như vụ sụp lún ở phường Phước Long A, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh năm 

2005 làm hàng chục nhà cửa và đất vườn bị sụp lún nghiêm trọng. Kế đến là hiện tượng  sụp  lún  các  công  trình  giao  thông  đô  thị  mà  gần  đây  báo  chí  gọi  là  “hố  tử thần”, đã gây ra những vụ tai nạn đáng tiếc cho người đi đường và người dân sống quanh đó. Các hố tử thần này vẫn xuất hiện ngày một nhiều hơn ở một số nơi ở Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh với mật độ dày hơn và nguy hiểm hơn. Biện pháp duy nhất  để  hạn  chế  sự  xuất  hiện  của  hố  tử  thần  là  phải  rà  soát,  kiểm  tra  trên  bề  mặt, khảo sát các tuyến đường xem có vết nứt hay không, nước có ngấm xuống dưới hay không, …Radar xuyên đất được xem là một giải pháp tối ưu được sử dụng để khảo sát. Về lâu dài cần tìm được nguyên nhân và xác định được vị trí chính xác của các tai  biến  địa  chất  này,  trước  hết  phải  hiểu  rõ  các  đặc  tính  môi  trường  địa  chất,  địa tầng, tính chất cơ, hóa, …Radar xuyên đất cũng là một  giải pháp đầy hứa hẹn cho việc thăm dò khảo sát trong long đất, chỉ ra những dị thường trong lòng đất. 

Trên lãnh thổ Việt Nam, kể từ sau chiến tranh kết thúc tới nay, bom mìn vẫn còn chôn vùi trong lòng đất khá nhiều rải rác từ Nam ra Bắc, gây ra những tai nạn cho  người  dân  vô  tình  đạp  phải.  Để  giảm  mức  nguy  hại  do  bom  mìn  gây  ra  cho người dân trong thời bình này, các nhà khoa học đã tiến hành đề xuất các robot dò bom  mìn để phát hiện và gỡ  bom mìn.  Công nghệ radar xuyên đất một lần nữa lại khẳng định được vai trò và vị trí của nó trong việc dò tìm và phát hiện bom mìn. Tình hình chung ở Việt Nam hiện nay hầu hết các thiết bị máy móc đều được mua từ nước ngoài với giá thành khá cao hoặc mượn máy móc từ các tổ chức nước ngoài  về  kiểm  tra,  khảo  sát.  Điều  này  gây  rất  nhiều  trở  ngại  về  thời  gian,  tiền  bạc 

cũng như tính chủ động trong công việc hay nghiên cứu. Nhằm mục đích góp phần vào nghiên cứu tính khả thi của việc chế tạo một máy dò tìm sử dụng kỹ thuật radar xuyên đất giá thành thấp hơn phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam, học viên đã bắt tay vào  tìm  hiểu  hệ  thống  radar  xuyên  đất  và  đặc  biệt  là  các  kỹ  thuật  điều  chế  dùng trong radar xuyên  đất. 

Trong  khuôn  khổ  luận  văn  tốt  nghiệp,  học  viên  đã  nghiên  cứu,  tìm  tòi,  tham khảo các tài liệu  khác nhau  và xây dựng nên  chương trình  mô phỏng các  kỹ thuật điều chế thường hay sử dụng trong radar xuyên đất bằng Matlab. Những nghiên cứ trong luận văn này góp phần đưa ra một cái nhìn tổng quan hơn về các kỹ thuật điều chế  trong  GPR  và  bước  đầu  thiết  kế  một  bộ  truyền  phát  tín  hiệu  dùng  cho  GPR trong những nghiên cứu sau này. 

 GPR (Ground Penetrating Radar) - Radar xuyên đất là một phương pháp địa 

lý ứng dụng các nguyên lý của sóng điện từ ở dải tần số rất cao (1-1000MHz) phát vào bên dưới mặt đất  và thu lại sóng phản hồi,  từ đó ta phân tích các đặc tính vật chất  bên  dưới  lòng  đất.  Có  nhiều  kỹ  thuật  điều  chế  khác  nhau  dùng  trong  radar xuyên đất như kỹ thuật radar xung,  kỹ thuật FMCW,  SFCW …Tác  giả sẽ lần lượt giới thiệu từng loại kỹ thuật điều chế, các đặc tính của mỗi kỹ thuật, các ưu, nhược điểm  và  so  sánh  các  kỹ  thuật  điều  chế  này  với  nhau,  cuối  cùng  tác  giả  mô  phỏng bằng  chương  trình  matlab  trong  một  ứng  dụng  quan  sát  vật  chôn  dưới  mặt  đất  cụ thể. 

Để thực hiện đề tài này, bước đầu tác giả đã nghiên cứu một cách toàn diện và chi tiết về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động của hệ thống Radar xuyên đất cũng như các ưu, khuyết điểm của phương pháp. Tiếp đến, tác giả đi tìm hiểu các phương pháp điều chế thường được sử dụng trong Radar xuyên đất trên thế giới hiện có. Để 

có được những kiến thức này, tác giả tham gia hội nghị về Radar xuyên đất do Cty Mala  tổ  chức  ở  trường  ĐHKHTN  TPHCM  nhằm  có  cái  nhìn  tổng  quan  hơn  về Radar xuyên đất, bên cạnh đó tác giả tham gia cùng đi đo đạc thực tế cùng nhóm đo 

đạc  dùng  máy  GPR  khảo  sát  mặt  đường  trong  TPHCM  của  Khoa  Vật  Lý  Địa  cầu trường ĐHKHTN TPHCM.  Ngoài ra tác giả là một thành  viên trong nhóm nghiên cứu về radar xuyên đất do Tiến Sĩ Bùi Hữu Phú lập ra. Sau đó, tác giả tiếp tục tìm tòi tài liệu,  nghiên cứu cơ  sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và đặc điểm của từng phương pháp như thế nào   Cuối cùng là tiến hành xây dựng thuật toán thực hiện 

và chương trình Matlab mô phỏng các phương pháp điều chế đó. 

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn này sẽ bao gồm những phần sau : 

Chương 1: Tổng quan về GPR

Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất GPR, về lịch sử phát triển,  cho  người  đọc  có  cái  nhìn  tổng  quan  về  Radar  xuyên  đất.  Ngoài  ra,  chương này cũng đưa ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống Radar, các bộ phận cấu thành hệ thống.  Sau  đó,  sẽ  trình  bày  sơ  lược  về  kỹ  thuật  Radar  xuyên  đất,  nguyên  tắc  hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất nằm dưới bề mặt trái đất. 

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của GPR

Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản 

xạ,  khúc  xạ,  tán  xạ,  suy  hao,  hấp  thụ,  …  của  các  vật  cản  hay  nguồn  điện  trường khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm 

lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và độ phân giải, vận tốc truyền dưới môi trường điện môi.  

Chương 3: Các kỹ thuật điều chế dùng trong GPR

Chương này đi vào phân tích khái quát ba loại kỹ thuật điều chế thường được dùng  trong  radar  xuyên  đất  hiện  nay  bao  gồm  các  kỹ  thuật:  radar  xung,  FMCW, 

SFCW. Chương này chủ yếu trình bày về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động, các phép  toán  và  sơ  đồ  tổng  quan  của  các  kỹ  thuật  điều  chế,  giúp  cho  việc  thực  hiện chương trình mô phỏng bằng Matlab trong chương sau. 

Chương 4: Mô phỏng kết quả thực hiện trên Matlab

Chương này sẽ đi vào mô phỏng một ứng dụng cụ thể của GPR, quan sát một vật chôn sâu dưới lòng đất bằng Matlab. Các loại phương pháp điều chế ảnh hưởng tới  kết  quả  tín  hiệu  thu  được  cũng  như  các  yếu  tố  trong  một  phương  pháp  ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của hệ thống.  Tác giả sẽ tập trung vào hai kỹ thuật thường  hay  dùng  trong  radar  xuyên  đất,  đó  là  phương  pháp  FMCW,  SFCW  GPR. Tùy  vào  loại  dữ  liệu  thu  được  trong  miền  thời  gian  hay  miền  tần  số  mà  ta  có  thể phân ra thành hai loại là điều chế trong miền thời  gian và điều chế trong miền tần 

số. Radar có dữ liệu đạt được trong miền thời gian được biết đến là radar xung, và radar có dữ liệu đạt được trong miền tần số được biết đến là FMCW và SFCW. Đây 

là phần nội dung chính của đề tài, là bước đầu để sau này phát triển thành một bộ thu phát tín hiệu dùng trong GPR. 

Quý thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích trong suốt khóa học. 

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, tác giả sẽ trình bày sơ lược về kĩ thuật Radar xuyên đất, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất nằm dưới bề mặt trái đất. 

và so sánh các biên độ của tín hiệu nhận được khi các cặp antenna liên tiếp được sử dụng để truyền  và nhận. Bằng cách này, một hình ảnh thô có thể được hình thành trong khu vực bất kỳ trong mảng đó. 

 Các tác giả này mô tả một kỹ thuật thay thế, mà được sử dụng riêng biệt, bề mặt  được  gắn  ăng  ten  để  phát  hiện  các  phản  xạ  từ  một  giao  diện  dưới  bề  mặt  do nước ngầm hoặc  quặng của một quặng sắt. Một phần mở rộng của kỹ thuật này đã dẫn đến  một biểu thị độ sâu  của  một  giao diện vật được chôn, thông qua  kiểm tra giao  thoa  giữa  các  sóng  phản  xạ  và  rò  rỉ  trực  tiếp  giữa  các  ăng-ten  trên  mặt  đất. Tính  năng  chính  của  việc  này,  cụ  thể  là  hoạt  động  sóng  liên  tục  CW  (Continuous Wave), sử dụng che chắn hoặc các hiệu ứng nhiễu xạ do các tính năng dưới đất, và 

sự phụ thuộc vào các biến thể dẫn xuất tạo ra tán xạ,  đã được đưa ra trong một số bằng sáng chế khác, bao gồm một số dành cho các ứng dụng ngập nước hoàn toàn trong hầm mỏ.  

Nghiên cứu của Hiilsenbeck năm 1926 đưa ra đầu tiên sử dụng kỹ thuật xung 

để xác định cấu trúc các vật được chôn. Ông lưu ý rằng bất kỳ sự thay đổi chất điện môi, không nhất thiết liên quan đến dẫn xuất, cũng sẽ tạo ra sự phản xạ dễ dàng hơn trên các nguồn hướng, có lợi thế hơn các phương pháp địa chấn. 

Kỹ thuật xung được phát triển từ những năm 1930 trở đi như một phương tiện thăm dò độ sâu đáng kể trong băng, nước ngọt, quặng muối, cát sa mạc và các vật 

có  hình  dạng  đá.  Thăm  dò  than  đá  cũng  đã  được  nghiên  cứu  bởi  Cook,  Roe  và Ellerbruch, mặc dù độ suy giảm cao hơn trong các tài liệu sau này, có nghĩa là có độ sâu  lớn  hơn  vài  mét  đã  không  thực  tế.  Một  phần  mở  rộng  hơn  lịch  sử  của  Radar xuyên  đất  GPR  (Ground  Penetrating  Radar)  và  sự  phát  triển  của  nó  cho  đến  giữa thập niên 1970 được đưa ra bởi Nilsson. 

Sự quan tâm đổi mới trong các chủ đề được đưa ra trong đầu những năm 1970 khi nghiên cứu mặt trăng và đổ bộ lên mặt trăng đã được tiến hành. Đối với các ứng dụng  này,  một  trong  những  lợi  thế  của  GPR  hơn  kỹ  thuật  địa  chấn  đã  được  khai thác,  cụ  thể  là  khả  năng  sử  dụng  từ  xa,  bộ  chuyển  đổi  không  tiếp  xúc  của  năng lượng bức xạ, thay vì mặt đất liên hệ với các loại cần thiết cho điều tra địa chấn.  

Từ  những  năm  1970  cho  đến  ngày  nay,  một  loạt  các  ứng  dụng  đã  được  mở rộng  đều  đặn,  bao  gồm  xây  dựng  và  thử  nghiệm  cấu  trúc  không  phá  hủy,  khảo  cổ học, đường xá và đánh giá chất lượng đường hầm, vị trí của khoảng trống và các vật chứa,  đường  ống  và  phát  hiện  dây  cáp,  cũng  như  viễn  thám  bằng  vệ  tinh…  Mục đích xây dựng thiết bị cho mỗi các ứng dụng này đang được phát triển và người sử dụng hiện nay có một lựa chọn tốt hơn các thiết bị và kỹ thuật. 

1.2 Giới thiệu chung về radar xuyên đất

Khả năng phát hiện ra các đối tượng được chôn dưới đất từ lâu đã được quan tâm  qua  nhiều  thế  kỷ.  Một  kỹ  thuật  mà  có  thể  làm  sáng  tỏ  vật  dưới  bề  mặt  đất  là một thử thách đáng kể hấp dẫn các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu các kỹ thuật để 

đề ra phương pháp thăm dò phù hợp. 

Có nhiều phương pháp khác nhau dùng để quan sát các vật dưới lớp bề mặt đất như phương pháp địa chấn, điện trở suất, độ phân cực, khảo sát trọng lực, khảo sát 

từ, phương pháp nucleonic, bức xạ, thermographic và phương pháp điện từ…, mỗi phương pháp có ưu điểm riêng. 

 Phương  pháp  Radar  xuyên  đất  GPR  (Ground  Penetrating  Radar)  dùng  để thăm dò lớp dưới bề mặt trái đất là một lựa chọn đặc biệt thu hút đối với các kỹ sư 

và các nhà khoa học ứng dụng ở điểm nó bao trùm một loạt các chuyên ngành như truyền  sóng  điện  từ,  điện  suy  hao  trong  truyền  thông,  công  nghệ  anten  ultra wideband và thiết kế các hệ thống radar, xử lý tín hiệu dạng sóng và xử lý hình ảnh biệt  thức.  Hầu  hết  các  GPR  là  một  ứng  dụng  cụ  thể  của  công  nghệ  radar  ultra wideband impulse.  

Thuật  ngữ  “Ground  Penetrating  Radar  (GPR)”,  hay  “Groud  Probing  Radar”, hay  “sub  –  surface  radar”  hoặc  “surface-penetrating  radar  (SPR)”  đều  đề  cập  cho một loạt các  kỹ thuật điện từ trường được thiết kế chủ yếu cho xác định  vị trí của đối tượng hoặc các vật được chôn bên dưới bề mặt của trái đất hoặc nằm trong một cấu trúc nhìn không rõ. Các công nghệ của GPR phần lớn được ứng dụng theo định hướng và thiết kế triết lý tổng thể, cũng như các phần cứng, thường phụ thuộc vào loại mục tiêu và nguyên liệu của các mục tiêu và môi trường xung quanh nó. Phạm 

vi của các ứng dụng cho phương pháp GPR rộng và sự tinh tế của các kỹ thuật phục hồi tín hiệu, thiết kế phần cứng và hoạt động thực tiễn gày càng nâng cao khi công nghệ ngày càng hoàn thiện. 

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 tính của vật chất bên dưới lòng đất mà không phải đào bới, phá hủy cấu trúc của nó. Thiết  bị  Radar  xuyên  đất  sử  dụng  các  sóng  vô  tuyến  tần  số  cao  để  thu  thập thông tin phản hồi từ dưới lòng đất. Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trường, khi gặp vật 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 quát 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 từ  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 phát-thu  tín  hiệu  và  phụ  thuộc  vào  tính  chất  của  đất  đá  trong  môi  trường  địa  chất.  Các 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. 

Hình 1-3: Đường cong thời gian truyền của mỗi dạng sóng

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 LÝ THUYẾT CỦA RADAR XUYÊN ĐẤT

Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản 

xạ,  khúc  xạ,  tán  xạ,  suy  hao,  hấp  thụ,  …  của  các  vật  cản  hay  nguồn  điện  trường khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm 

lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và độ phân giải, vận tốc truyền dưới môi trường điện môi. 

2.1 Sóng điện từ - Phương trình Maxwell

Cơ  sở  của  GPR  nằm  ở  lý  thuyết  trường  điện  từ  EM  (Electromagnetic),  phát minh bởi Jackson (1962) và Smythe (1989). 

Phương trình toán học Maxwell diễn tả các tính chất vật lý của trường EM và các mối quan hệ của các tính chất vật liệu. Kết hợp hai cơ sở này dùng để mô tả tín hiệu GPR. 

Trường EM được biểu diễn bằng các biểu thức sau: 

B E

của  điện  tích  cưỡng  bức  trong  cấu  trúc  vật  liệu  để  tạo  thành  một  điện  trường.  Độ 

trường.  

Các tính chất của vật liệu cũng có thể phụ thuộc vào trường tới trước đó.  

0

sẽ thâm nhập vào độ sâu lớn. Trong thực tế, điều kiện độ tổn thất điện thấp là không phổ biến. Các môi  trường  giàu đất sét hay các khu  vực nước ngầm nhiễm  mặn có thể tạo điều kiện cho tín hiệu GPR thâm nhập rất hạn chế. 

Các  vật  liệu  trái  đất  là  các  tổng  hợp  không  thay  đổi  của  nhiều  vật  liệu  hay thành  phần.  Nước  và  băng  là  một  số  ít  trường  hợp  có  một  thành  phần  là  chủ  yếu. Một  bãi  cát  đơn  giản  là  một  hỗn  hợp  của  các  hạt  đất,  không  khí,  nước  và  các  ion 

hòa tan trong nước. Sự hiểu biết về các tính chất vật lý của hỗn hợp  là một yếu tố quan trọng trong việc giải thích một đáp ứng GPR. 

Mặc  dù  các  thành  phần  của  hỗn  hợp  là  phức  tạp,  tổng  quan  quan  điểm  của GPR là đơn giản hơn. Trong dải tần số 10 – 1000 MHz, có hay không có nước trong vật liệu ảnh hưởng đến đáp ứng GPR, với tổng quan chung như sau: 

 Khoáng  sản  lớn  và  các  hỗn  hợp  thường  được  cách  ly  điện  môi  tốt.  Các  vật liệu  này  thường  có  một  hằng  số  điện  môi  trong  khoảng  từ  3-8  (tùy  thuộc  vào  loại khoáng chất và độ chặt) và được cách điện với độ dẫn điện hầu như là zero. 

 Đất, đá, các vật liệu cấu tạo có khoảng trống giữa các hạt (lỗ trống) có chứa không khí, nước hay các vật liệu khác. 

 Nước là vật liệu tự nhiên, phân cực nhất (hằng số điện môi cao K~80) 

 Nước trong các lỗ trống thường chứa các ion, và tính dẫn điện của nước liên quan với  các ion di động thường là yếu tố chính trong  việc xác định tính dẫn điện của  vật  liệu  lớn.  Kết  quả  tính  dẫn  điện  của  đất  và  đá  thường  là  trong  khoảng  1-100mS/m. 

 Do nước luôn hiện diện trong lỗ trống của vật liệu tự nhiên, ngoại trừ trong các trường hợp duy nhất là chân không khô hoặc một vài cơ chế khác đảm bảo hoàn toàn không có nước, nó có ảnh hưởng rất lớn vào các tính chất điện. 

2.3 Sự truyền sóng của trường điện từ

GPR sử dụng đặc tính sóng của các trường điện từ. Phương trình Maxwell mô 

tả một cặp trường điện từ và từ trường như thế nào khi các trường đó thay đổi theo thời  gian. Tùy thuộc vào mức độ tổn hao năng lượng tương ứng (liên quan đến độ dẫn điện) với  năng lượng lưu trữ (liên quan tới  hằng số điện  môi  và thẩm từ), các trường có thể khuếch tán hoặc truyền như sóng. GPR khả thi khi các điều kiện thỏa đáp ứng giống như sóng. 

Hình 2-2: Phương truyền của sóng

Phương trình sóng truyền được đưa ra như ở  hình trên. Trường điện từ  và từ trường là trực giao với nhau từng đôi một và có thể trực giao với chiều không gian của trường di chuyển K. 

Với  GPR,  trường  điện  từ  là  trường  được  đo  đạc  bình  thường  và  nó  có  dạng sau: 

 ( , )

Hình 2-3: Quá trình truyền sóng EM tại một vận tốc xác định và có biên độ giảm 

dần

Trong nhiều công thức, các thảo luận được đưa ra trong số hạng của kích thích hình sin và tần số gốc ω . Trong dạng sau:  

Tất cả các tính chất sóng có hoạt động tương tự nhau. Tại tần số thấp, các tính chất  sóng  phụ  thuộc  vào   ,  biểu  thị  cho  trường  khuếch  tán.  Tại  tần  số  cao,  các tính chất sóng trở thành độc lập so với tần số (nếu ε, µ, và σ là độc lập so với  tần số). Hoạt động ở tần số cao là đặc tính quan trọng nhất của GPR.  

Sự chuyển từ khuếch tán sang truyền xuất hiện khi dòng điện chuyển từ ưu thế dẫn (tích điện tự do) sang sự thay thế ưu thế hiện thời (tích điện cưỡng bức ). Với vật liệu đơn giản, tần số chuyển được xác định như sau: 

1

c v

k

 

R và I được xác định bởi định luật Snell, trường điện từ và từ trường trong bề mặt mặt phẳng là liên tục, và dòng điện và dòng mật độ từ trường trên bề mặt phải bằng nhau trên cả hai mặt. 

2.6 Độ phân giải và vùng tác động

Giả  sử  rằng  GPR  phân  tích  mục  tiêu  tại  một  khoảng  cách,  độ  chính  xác  mà mục tiêu có thể có được xác định và gốc độ của nó có thể được rút ra từ dạng hình học của mục tiêu là bao nhiêu? Độ phân giải cho biết giới hạn tin cậy trong việc xác định vị trí và dạng hình học của mục tiêu (như kích thước, hình dạng, và độ dày) và được điều khiển bởi quá trình quan sát. 

Độ phân giải (resolution) của GPR gồm có hai thành phần, đó là độ phân giải chiều dọc (khoảng cách hay độ sâu) và độ phân giải mặt bên (góc hay độ di chuyển ngang) như mô tả ở hình dưới: 

Hình 2-6: Độ rộng xung tại một nữa biên độ

Bằng cách lấy đặc tính của một xung ở độ rộng của nó tại một nửa biên độ W, hai xung được phân biệt nếu tách biệt một nửa của “phân nửa độ rộng”.  

Độ phân giải bán kính được biểu diễn như sau: 

4

Wv r

Độ rộng xung và vận tốc trong vật liệu cho biết độ phân giải. Độ phân giải bán kính độc lập với khoảng cách từ nguồn là lý tưởng. Trong thực tế, tại khoảng cách lớn hơn độ suy giảm và phân tán xung sẽ ảnh hưởng độ phân giải bán kính. 

Độ phân giải mặt bên được biểu diễn như sau: 

2

vrW l

với r là khoảng cách tới mục tiêu. 

Độ phân giải mặt bên phụ thuộc vào vận tốc, độ rộng xung cũng như khoảng cách từ hệ thống. Khoảng cách càng lớn thì độ phân giải bên càng lớn. 

Với GPR, độ rộng xung W liên quan trực tiếp tới băng thông B và tần số trung tâm fc 

6 4

C là hằng số có đơn vị 1/m4HZ4, a là bán kính hình cầu, và f là tần số. 

Suy hao tán xạ phải được đưa vào suy hao vật liệu để xác định tổng suy hao của tín hiệu GPR khi qua một môi trường điện môi tổn hao phức hợp. 

total ohmic scattering

2.8 Vận tốc truyền

Từ lý thuyết sóng điện từ, ta có thể thiết lập biểu thức của vận tốc truyền trong môi trường điện môi. 

Vận tốc truyền được định nghĩa như sau: 

1( / )



Vận tốc của ánh sáng trong chân không: 

0 0

13.10 ( / )

c v



2.9 Tiêu chuẩn lấy mẫu

Mục  tiêu  nghiên  cứu  của  GPR  là  thu  thập  thông  tin  về  cấu  trúc  dưới  bề  mặt bằng cách dùng sóng điện từ. Trường EM là một hàm của không gian và thời gian được lấy mẫu và giữ lại. Việc nghiên cứu thiết kế phải tuân theo các tiêu chuẩn lấy mẫu cơ bản. 

Một sóng hình Sin có tần số f, khoảng lấy mẫu thời gian và không gian Δt và 

Δx phải tuân theo: 

12

t f

v x f

để thỏa tiêu chuẩn lấy mẫu Nyquist. Với tín hiệu GPR thời gian ngắn có tỉ số băng thông trên tần số trung tâm là đồng nhất, dẫn tới 

1

3 c

t f

3 c

v x f

Tiêu chuẩn trên là lý tưởng, và dùng giá trị bằng một nữa độ lớn là thích hợp hơn: 

1

6 c

t f

6 c

v x f

Chương 3 CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ

TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT GPR

Có một số loại GPR khác nhau, sự khác biệt nằm trong cách đạt được dữ liệu, 

cả  trong  miền  thời  gian  và  miền  tần  số.  Radar  xung  và  Radar  sóng  liên  tục  là  hai loại thông dụng mà ta thường hay gặp. Radar xung hoạt động trong miền thời gian trong  khi  radar  sóng  liên  tục  CW  (continuous  wave)  hoạt  động  trong  miền  tần  số. Continuous wave radar (CW) và stepped frequency radar (SF) được phát triển trong khoảng một thập kỷ qua (1994). Bên cạnh đó còn có các kỹ thuật cải tiến khác như Ultra  Wideband  (UWB),  synthetic  aperture  radar  (SAR),  noise  source  …được  áp dụng  vào  GPR.  Ở  đây  ta  chỉ  tập  trung  vào  kỹ  thuật  radar  xung  và  radar  sóng  liên tục. 

Radar  xuyên  đất  sử  dụng  các  sóng  vô  tuyến  tần  số  cao  để  thu  thập  thông  tin phản hồi từ dưới lòng đất. Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trường, khi gặp vật 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.  

Trong khuôn khổ bài luận văn này, tác giả chỉ đi vào nghiên cứu các phương pháp tín hiệu được điều chế để truyền đi và thu lại trong GPR. Để hiểu rõ hơn các nội  dung  trong  các  chương  sau  này,  trước  hết  ta  cần  nắm  một  số  định  nghĩa  về Dynamic range (khoảng động), băng thông, Range resolution (độ phân giải khoảng cách  hay  gọi  là  độ  phân  giải)  và  Unambiguous  range  (khoảng  cách  xa  nhất  có  thể phân tích).  

3.1 Các định nghĩa và các đặc điểm tần số vô tuyến

max min

Dynamic  Range  của  hệ  thống  sẽ  ảnh  hưởng  tới  khoảng  cách  lớn  nhất (maximum range) có thể dò tìm được. Thông thường radar sẽ có dynamic range của 

hệ  thống  lớn  hơn  dynamic  range  lấy  mẫu.  Dynamic  range  của  một  bộ  ADC  bằng 20log(2N), với N là số bit, hay xấp xỉ N lần 6dB. Do vậy ADC 16 bit sẽ có dynamic range lý thuyết là 96dB. 

res

r

c R

repetition  interval)  ký  hiệu  T r.  Nghịch  đảo  PRI  ta  được  PRF  (pulse  repetition 

frequency) ký hiệu f r. 

Với GPR xung thì unambiguous range được xác định: 

2

r unam

r

cT R

xa hơn trộn với tín hiệu trở về của mục tiêu gần, do đó khó xác định khoảng cách. Hiện  tượng  này  liên  quan  trực  tiếp  tới  định  lý  lấy  mẫu  và  tốc  độ  Nyquist.  Trong stepped  frequency  CW  radar,  unambiguous  range  có  thể  được  tính  bằng  biểu  thức sau: 

( 1)2

p

P G P

PR phải lớn hơn mức tín hiệu nhỏ nhất có thể phân tích được của hệ thống.  Các tính chất của mặt đất, như loại đất sỏi hay đất chứa nước, ảnh hưởng tới tổn  thất  truyền,  và  tổn  thất  truyền  không  phải  lúc  nào  cũng  là  một  hàm  tuyến  tính với độ sâu. Để giảm tổn thất đường truyền và tăng khoảng cách thì tần số hoạt động 

có thể thấp, tuy nhiên điều này sẽ làm giảm băng thông, ảnh hưởng tới độ phân giải. 

Độ  phân  giải  cao  là  mục  tiêu  mong  muốn  đạt  được  của  hệ  thống  GPR.  Nếu  băng thông  giảm  thì  độ  phân  giải  sẽ  giảm  theo.  Để  dung  hòa  giữa  tần  số  hoạt  động  và băng  thông  là  thách  thức  lớn  cho  người  thiết  kế  GPR.  Bên  cạnh  đó,  kích  thước antenna tăng do tần số tăng. PRF, tốc độ lấy mẫu và định thời cũng được xem xét để đạt được khoảng cách lớn.  

3.2 Pulse GPR

3.2.1 Tổng quan

Pulse  GPR  là  loại  kỹ  thuật  đơn  giản  nhất  và  thường  hay  được  sử  dụng  trong GPR thương mại. Pulse GPR có dữ liệu đạt được trong miền thời gian được biết đến như  là  xung.  Một  xung  miền  thời  gian  được  truyền  và  năng  lượng  phản  xạ  nhận được là một hàm của thời gian. Kết quả dạng sóng xác định biên độ của năng lượng tán xạ từ vật dưới bề mặt và thời gian. Dựa vào thời gian tín hiệu từ anten phát tới 

mục tiêu và phản xạ ngược trở lại anten thu (gọi là time of flight) để biết được thông 

tin về khoảng cách. 

Phần  lớn  hệ  thống  GPR  kết  hợp  chặt  chẽ  kỹ  thuật  xung  gửi  đi  một  xung  tới antenna  và  tạo  ra  sóng  điện  từ  trường  EM.  Đặc  tính  của  antenna  xác  định  tần  số trung tâm của sóng EM và liên quan tới băng thông mà được xác định bởi độ rộng xung. 

GPR  kết  hợp  chặt  chẽ  kỹ  thuật  xung  được  đầu  tiên  sản  xuất  cho  mục  đích thương  mại  được  đưa  ra  vào  giữa  thập  niên  1970.  GPR  xung  hiện  đại  lấy  mẫu  số hóa sóng phản xạ cho việc hiển thị, lưu trữ dữ liệu, và xử lý.  

Pulse  GPR  hoạt  động  dựa  trên  nguyên  lý  phát  đi  một  chuỗi  xung  vào  môi trường  tới  mục  tiêu.  Một  Pulse  GPR  kết  hợp  chặt  chẽ  một  bộ  định  thời  thời  gian (timing control), bộ tạo xung (pulse generator), anten, và mạch lấy mẫu số hóa như ADC  ở  phía  nhận.  Bộ  định  thời  sẽ  bắt  đầu  một  tín  hiệu  tới  bộ  tạo  xung,  và  tạo  ra một xung ngắn DC đưa vào anten. 

Sơ  đồ  hoạt  động  của  một  Pulse  GPR  được  đưa  ra ở  hình 3-1.  Tín  hiệu  dạng 

xung được tạo ra từ bộ tạo xung (pulse generator) được đưa tới anten phát khuếch tán vào môi trường. Khi tín hiệu gặp mục tiêu sẽ phản xạ ngược trở lại tới anten thu, sau  đó  tín  hiệu  sẽ  được  đưa  vào  bộ  lấy  mẫu  (sampling).  Bộ  định  thời  (timing control) sẽ so sánh tín hiệu thu và phát để xác định thời gian trễ giữa hai tín hiệu. Tiếp theo tín hiệu được chuyển sang dạng số qua bộ A/D cho việc lưu trữ dễ dàng 

3.2.2 Chu kỳ, độ rộng xung và băng thông

Pulse  GPR  phát  đi  một  chuỗi  xung  lập  lại  với  chu  kỳ  T.  Chu  kỳ  xung  T  là  khoảng thời gian một xung được lập lại, được gọi là IPP (Inter Pulse Period). IPP  thường  hay  được  gọi  là  khoảng  xung  lập  lại  PRI  (Pulse  Repetition  Interval).  Lấy  nghịch đảo của PRI ta được tần số lập lại PRF (Pulse Repetition Interval), được ký  hiệu là f r.