Phương pháp GPR và ứng dụng

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động của phương pháp GPRtrong khảo sát Địa vật lý để chúng ta hiểu vì sao nó phản ánh được cấu trúc của các tầng

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Trong chương này chúng tôi sẽ giới thiệu nguyên lý hoạt động của phương pháp GPRtrong khảo sát Địa vật lý để chúng ta hiểu vì sao nó phản ánh được cấu trúc của các tầng nông.Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ trình bày về vị trí tiến hành các tuyến đo thực tế

1.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp GPR

GPR hoạt động theo nguyên tắc sau: sóng điện từ phát ra từ một anten phát dưới dạng xung, lan truyền trong vật chất với vận tốc chủ yếu được quyết định bởi tính chất của vật liệu Khi sóng lan truyền trong lòng đất, nếu nó gặp các bất đồng nhất hoặc các mặt ranh giới giữa các môi trường có tính chất điện khác nhau, một phần năng lượng sóng sẽ phản xạ hoặc tán xạ trở lại mặt đất trong khi phần năng lượng còn lại tiếp tục di chuyển xuông phía dưới Sóng phản xạ lại được ghi nhận bởi anten thu và lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị để

sử dụng cho việc xử lý và phân tích về sau.

Hệ thống GPR gồm có: máy phát

điện, máy thu-phát tín hiệu, anten phát,

anten thu, các thiết bị hiển thị, thiết bị

ghi và cổng ghép với máy tính

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống GPRMàn hình hiển thị dữ liệu chỉ hiển thị tín hiệu số thông qua biên độ và được gọi là đườngghi Một đường ghi gồm có năng lượng xung phát, theo sau là năng lượng xung thu ghi nhận từ

sự phản xạ của các vật thể hoặc các mặt ranh giới Khi anten đi dọc theo các tuyến khảo sát,một loạt các đường ghi được tập hợp ở các thời điểm rời rạc và được xếp cạnh nhau để hìnhthành mặt cắt trên màn hình

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của phương pháp GPR

1.2 Các khu vực khảo sát thực tế

Chúng tôi đã sử dụng bộ số liệu (có được từ những lần đo đạc thực tế với nhiều hệ thốngthiết bị phát – thu khác nhau) được cho để tiến hành xử lý và minh giải Sau đó so sánh kết quảthu được với các kết quả trước đó để kiểm chứng lại và rút ra “kinh nghiệm” cho nhóm chúngtôi Các tuyến đo này cụ thể được tiến hành ở các vị trí sau:

- Tại cung đường Lạc Long Quân và ngã tư Bảy Hiền (TP.HCM) với hệ thống thiết bịphát – thu RAMAC Tuyến đo mà chúng tôi xử lý là tuyến số 2

- Tại Nghĩa trang Liệt sĩ thành phố Hồ Chí Minh với hệ thống thiết bị phát – thuRAMAC Tuyến đo mà chúng tôi xử lý là tuyến số 3 và số 4 Cũng tại địa điểm này,công việc khảo sát được tiến hành với hệ thống thiết bị phát – thu Pulse Ekko Tuyến đo

Ngoài những số liệu được cho trước, chúng tôi đã đi đo thực tế tại đường Phan Văn Hớn(quận 12, TP.HCM) và tiến hành xử lý, minh giải dựa trên các thông tin tiên nghiệm và kiếnthức đã học Hệ thống thiết bị phát – thu được áp dụng là IDS Tuyến đo mà chúng tôi đođạc và xử lý là tuyến số 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11.123

Quy trình xử lý và minh giải các tuyến đo trên được tiến hành như sau:

- Đầu tiên, chúng tôi sẽ vẽ mặt cắt GPR trên REFLEX từ bộ số liệu thô Sau những bước

xử lý, chúng tôi sẽ có được mặt cắt GPR “đẹp” để tiến hành minh giải trên mặt cắt này

- Tiếp đến, dựa vào thông tin tiên nghiệm, chúng tôi sẽ minh giải từ những tín hiệu dịthường thấy được trên mặt cắt GPR đã xử lý

- Để kiểm chứng lại phần minh giải trên, chúng tôi sẽ tạo mô hình giả lập thực tế trênphần mềm “matGPR” (được viết trên nền Matlab) Sau đó, chúng tôi sẽ “chạy” mô hìnhgiả lập với tần số phát đúng với tần số máy phát trong thực tế

- Từ mặt cắt giả lập và mặt cắt Reflex, chúng tôi sẽ tiến hành so sánh để kiểm chứng lạiphần minh giải đã làm

Vậy là chúng tôi đã bước đầu khái quát về nguyên lý hoạt động của phương pháp GPRtrong khảo sát Địa vật lý để chúng ta hiểu vì sao nó phản ánh được cấu trúc của các tầng nông.Bên cạnh đó, chúng tôi cũng đã mô tả sơ lược về vị trí tiến hành các tuyến đo thực tế cũng nhưcác bước thực hiện Công tác xử lý, minh giải được chúng tôi thể hiện trong chương cuối.Trong chương hai, chúng tôi sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết của phương pháp GPR

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Như đã nói ở chương trước, phương pháp GPR dựa trên cơ sở là sự phản xạ của sóngđiện từ khi gặp các dị vật hoặc tại các ranh giới giữa các môi trường Do đó, trong chương này,chúng tôi sẽ trình bày một số lý thuyết chính về trường sóng điện từ để từ đó các thông số giúpgiải đoán môi trường được “tiết lộ”

2.1 Trường điện từ

GPR là một phương pháp địa vật lý hiện đại dựa trên cơ sở lý thuyết của sóng điện từ ởdải tần số từ 1-3000MHz Phương pháp này dùng để nghiên cứu cấu trúc và đặc tính của vậtchất tầng nông bên dưới mặt đất Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, sóng GPR tuântheo hệ phương trình Maxwell

và môi trường không phân tán

Lấy Rot hai vế phương trình (2.1.1), ta được:

Suy ra (2.1.8) và (2.1.9) có dạng phương trình sóng tổng quát, được gọi là phương trìnhHelmholtz Vì vậy, sóng điện từ phát sinh do sự biến đổi theo thời gian của từ trường và

trường điện Vận tốc truyền sóng điện từ:

(2.1.10)Với c là vận tốc ánh sáng (c=3.108 m/s).

Xét trường hợp và biến thiên hình sin theo thời gian Gọi là biểu diễn phức của thì:

Bình phương hai vế phương trình (2.1.13), ta được:

Trong môi trường đất đá dưới mặt đất thì độ từ thẩm Vì vậy, sự truyền sóng chỉ

phụ thuộc vào độ điện thẩm , độ dẫn điện và tần số của angten Anten có tần số càng lớn thì

độ xuyên sâu càng thấp Độ sâu cực đại mà sóng có thể xuyên tới không vượt quá 20 lần bướcsóng Độ dẫn điện trong môi trường càng cao thì sóng điện từ càng bị tổn thất.

2.2 Sự tổn thất và suy giảm năng lương của sóng điện từ

Phạm vi ứng dụng của phương pháp GPR chịu ảnh hưởng của sự tổn thất và suy giảmnăng lượng sóng điện từ trên đường truyền Có năm nguyên nhân chính gây ra sự tổn thất này:

 Sự tổn thất do ăngten: hiệu suất ăngten càng nhỏ thì tổn thất càng lớn

 Do sự lan truyền từ không khí vào môi trường vật chất: ngoài sự thất thoát do sựchuyển hóa thành nhiệt năng còn có sự phản xạ khi sóng đi qua ranh giới giữa hai môi trường

 Do lan trải hình học của sóng vô tuyến: Sóng GPR được phát ra theo dạng chùm sóngvới góc nón 900, khi sóng truyền đi, nó trải rộng ra, điều này làm giảm mật độ năng lượng

 Do tán xạ từ các đối tượng nghiên cứu

 Do truyền qua môi trường, chịu ảnh hưởng bởi độ dẫn điện, độ từ thẩm, hằng số điệnmôi của môi trường

2.3 Tính chất điện môi của vật chất

Ta thấy rằng vận tốc truyền sóng trong vật liệu và hằng số điện môi có mối quan hệ vớinhau Bảng sau trình bày vận tốc sóng ứng với giá trị điện môi Bảng này chỉ mang tính tươngđối do hầu hết các môi trường đều là tổ hợp của nhiều thành phần có tính chất điện và điện môikhác nhau, đồng thời kích thước hạt của vật liệu và hình dáng của chúng cũng có thể ảnh hưởngđến các đặc trưng của hằng số điện môi

Môi trường vật chất Hằng số điện môi( Vận tốc Rađa (mm/ns)

Vì sóng có tần số thấp thì khả năng xuyên sâu cao, nhưng tần số cao thì độ phân giải caohơn Do đó độ xuyên sâu và độ phân giải cần phải được hòa hợp để lựa chọn độ rộng dải tần sốđược phát xạ.

 Độ phân giải thẳng đứng

Độ phân giải thẳng đứng là khả năng phân biệt của phép đo giữa hai tín hiệu kế tiếpnhau trong cùng một thời gian Trong các trường hợp đơn giản, độ phân giải thẳng đứng là mộthàm theo tần số

Theo Georadar, angten hoạt động trong một giải tần số với tần số trung tâm đạt giá trị

công suất cực đại Độ phân giải thẳng đứng bằng bước sóng:

Trong đó: là tần số của angten (Mhz)

là vận tốc truyền sóng (m/ns)

là độ phân giải thẳng đứngSóng điện từ truyền trong môi trường càng ẩm ướt thì độ phân giải thẳng đứng càng lớn.Trong một giới hạn nào đó, độ phân giải thẳng đứng gần như độc lập với sự tổn thất trong vậtchất truyền sóng.

 Độ phân giải theo phương ngang

Ngoài độ phân giải thẳng đứng còn có độ phân giải theo phương ngang Độ phân giảitheo phương ngang theo hệ thống Radar xuyên đất khá quan trọng, dùng để tìm kiếm mục tiêu

đã được khoanh vùng và cần thiết khi phải phân biệt nhiều mục tiêu ở cùng một độ sâu

Độ phân giải theo phương ngang được xác định bởi đặc điểm của các angten và quytrình xử lý tín hiệu được sử dụng

Độ phân giải theo phương ngang được xác định bởi công thức:

PHẦN MỀM REFLEX TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT

Ở chương trước, chúng tôi đã trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp GPR Để hoàntất các kiến thức cần có trước khi tiến hành xử lý và minh giải số liệu GPR, chúng tôi sẽ giớithiệu về phần mềm Reflex và các bước xử lý chính ở chương này

3.1 Tổng quan về phần mềm Reflex

Phần mềm Reflex là bộ chương trình sử dụng để minh giải cấu trúc địa chất trên cơ sởcác số liệu GPR thu được bằng thiết bị của các hãng khác nhau Reflex version 5.5 do KarlJosef Sandmeier viết bằng Turbo Pascal 7.0 với cấu trúc dước dạng các mô đun chuẩn, có tínhđộc lập với nhau Phần mềm reflex 5.5 bao gồm hai phiên bản cho DOS và cho WINDOWS.Tuy vậy, việc sử dụng hai phiên bản cho DOS và cho WINDOWs là tương tự nhau nên ở đâychúng ta chỉ cần làm việc với phiên bản cho WINDOWS là đủ.

Reflex là chương trình xử lý và giải đoán các số liệu truyền và phản xạ sóng (đặc biệtứng dụng trong Radar xuyên đất; địa chấn phản xạ, khúc xạ; sóng âm) Hình ảnh giải đoánđược sử dụng 16 bit (65536 màu) vì vậy cho hình ảnh phân giải rất cao

3.1.1 Các yêu cầu của Reflex

Reflex chạy trong hệ điều hành WINDOWS với hai chế độ, chế độ thực (real mode) vàchế độ ảo (protected mode) với cấu hình máy tính tối thiểu là AT 486 Khi cài đặt chương trình,

ta chọn một trong hai chế độ trên hoặc có thể cài đặt cả hai mà chương trình vẫn chạy bìnhthường

3.1.2 Các thao tác với Reflex

Reflex chỉ có thể được gọi từ thư mục hiện hành chứa chương trình Các thư mục dự án(project name) được tạo nên trong thư mục chủ chứa chương trình có thể được tạo từREFLEX Sau khi chương trình tự động tạo các thư mục con trong thư mục dự án (bao gồm cácthư mục : ASCII, LINEDATA, MODEL, PRODATA, ROHDATA, TRAVTIME) thì tất cả sốliệu cần xử lý phải được sao chép vào thư mục ASCII Các số liệu này sẽ được chuyển sangđịnh dạng của Reflex

Hình 3.1: Giao diện phần mểm Reflex

3.1.3 Các Module trong Reflex

Trong cửa sổ đầu tiên của Reflex, bạn có thể chọn nhiều chương trình xử lý khác nhau:

Project: Chọn 1 project mới Sau khi chọn option này, những thư mục kể cả trong thư

mục project hiện hành đã ghi vào danh sách Từ đó bạn có thể chọ project bạn muốn làm việc

Modules: Chọn modules chương trình khác:

 2D data – analysis cho phép xử lý dữ liệu 2D.

 CMP velocity analysis tính toán sự phân bố vận tốc, chiều sâu từ CMP, hoặc

chuyển đổi – cơ sở dữ liệu dựa trê kỹ thuật phân tích khác nhau

 3D data – interpretation.

 Module modeling for the 2D – simulation.

Exit: Thoát khỏi Reflex.

3.2 Hướng dẫn sử dụng phần mềm Reflex

3.2.1 “Nhập” dữ liệu

Khởi động phần mềm Reflex: Mở tập tin Reflexw.exe trong thư mục REFLEX.3

Chọn Project: Đây là bước phải chọn project cần xử lý Thường là chọn thư mục chứatập tin dữ liệu đang chuẩn bị xử lý

+ Tạo một Project mới: Chọn new project → đặt tên project

+ Chọn thư mục chứa tập tin dữ liệu cần xử lý để thực hiện Project: Chọn thư mục chứatập tin dữ liệu ta cần xử lý → confirm

Xử lý: quá trình xử lý số liệu GPR sẽ chủ yếu tiến hành trên môđun 2D – data –analysis Đây là mô đun chứa các bộ lọc nhiễu và các bộ lọc khuếch đại tín hiệu rất hữu íchtrong xử lý số liệu địa chấn cũng như GPR

Để mở mô đun 2D – data – analysis: trong bảng Reflex – Win, chọn modules →

2D-data-analysis

3.2.2 Chuyển đổi dữ liệu

Trong GPR có rất nhiều tập tin có định dạng khác nhau như: dt (IDS), rd3 (RAMACRADAR), dt1 (PULSE EKKO), … và nhiều kiểu dữ liệu khác của những chương trình cũngnhư của các loại máy khác nhau

Sau đây là phần hướng dẫn chuyển đổi tập tin từ các chương trình khác sang tập tin củaReflex:

Trong bảng Reflexw – 2D – analysis, chọn file → import.

Trong bảng data import có các mục như sau:

+ Fileheader – coordinate:

 Distance Dimension: chọn loại đơn vị cho thước đo Ta sẽ chọn là METER

 Datatype: chọn kiểu đo, đối với GPR phải chọn const.offset (khoảng cách chung)

 Profile Direction: chọn X để trục nằm ngang của lát cắt GPR là tuyến

 Profile Constant: chọn Y.

Các mục khác đặt theo định dạng ban đầu

+ Format specification:



Input Format: chọn định dạng của dữ liệu đầu vào

 Output Format: chọn định dạng của dữ liệu đầu ra Chọn new 16 bit integer

+ Time and comment specification: chọn đơn vị cho trục thời gian, sử dụng nanosecond(ns).

+ Conversion mode: chọn cách xuất tập tin, có hai mục:

 “No”: xuất một tập tin dữ liệu

 “Parallel lines”: để chọn xuất một lượt nhiều tập tin dữ liệu

Các mục khác đặt theo định dạng ban đầu

+ Control panel:

 Check existing files: để kiểm tra xem tập tin xuất ra đã tồn tại hay chưa

 Convert to Reflex: nhấn nút này để tiến hành chuyển các tập tin dữ liệu sang địnhdạng của Reflex

3.2.3 Các bước xử lý chính

3.2.3.1 Move starttime

Mục đích: hiệu chỉnh giá trị thời gian tín hiệu đầu tiên xuất hiện, đưa tín hiệu ban đầu từmặt đất về đúng tại giá trị t =0s

Để vào mô đun này ta làm như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → Static Correction/muting → Move starttime

 Trong thư mục move starttime, chọn manual input và di chuyển chuột đến vị trí thờigian tín hiệu đầu tiên xuất hiện t0, khi đó trong ô original spectrum sẽ hiện lên giá trị t0 Trong ômove time, chọn giá trị -t0

3.2.3.2 Subtract DC shift

Mục đích: loại các nhiễu không đổi luôn xuất hiện trong mặt cắt GPR

Để vào mô đun này ta làm như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → 1D Filter→ Subtract DC shift.

 Trong mục Subtract DC shift, ta di chuyển chuột đến vị trí thời gian cuối cùng tínhiệu và đọc giá trị thời gian t1 tại ô original spectrum, tiếp tục đên vị trí cuối cùng của thanhthời gian và đọc giá trị t2 tại ô original spectrum

 Điền giá trị t1 và t2 lần lượt vào hai ô time ns (1 và 2)

3.2.3.3 Subtract mean (dewow)

Mục đích: loại các nhiễu không đổi luôn xuất hiện trong mặt cắt GPR

Để vào mô đun này ta làm như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → 1D Filter → Subtract mean (dewow)

 Trong mục Subtract mean (dewow), chọn giá trị tại ô timewindow là 1/f

3.2.3.4 Background removal

Mục đích: loại bỏ nhiễu nền

Để vào mô đun này ta làm như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → 2D Filter → Background removal

 Trong mục Background removal, chọn dải giá trị thời gian (start time và end time)cần lọc

Hàm khuếch đại tuân theo quy luật sau:

G(t) =A(t –t0) + eB(t - t0) t > t0

Với:

G là giá trị khuếch đại tại thời điểm t

A là hệ số khuếch đại tuyến tính

B là hệ số khuếch đại hàm mũ

t là thời điểm mẫu được ghi

t0 là thời điểm bắt đầu khuếch đại

Có thể chọn tùy ý thời điểm bắt đầu khuếch đại hay mẫu bắt đầu khuếch đại

Để vào mục này, ta thao tác như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → Gain → Gain function

 Trong mục Gain function, tăng giảm các giá trị tại các ô Linear gain, exponent vàmax gain sao cho các xung tín hiệu trên mạch filtered được khuếch đại khá đều là có thể chấpnhận được

Có bốn giá trị tần số cần đưa vào bộ lọc:

 Tần số chặt cụt dưới (low cut frequency): khoảng 1/2 tần số trung tâm của anten

 Tần số chặt cụt trên (high cut frequency): khoảng 3/2 tần số trung tâm của anten

 Tần số ổn định dưới ( lower plateau)

 Tần số ổn định trên (upper plateau)

Hai giá trị sau dùng để loại trừ nhiễu rung không mong muốn khi sử dụng bộ lọc

3.2.3.7 Bandpassbutterworth

Mục đích: dùng để lọc thông dải trong khoảng tần số thấp đến tần số cao bằng việc sửdụng hàm sin để cắt cụt

Để sử dụng bộ lọc này, thực hiện như sau:

 Trên thanh công cụ chọn Processing → 1D Filter → Bandpassbutterworth

 Trong mục Bandpassbutterworth, chọn các giá trị tại các ô lower cutoff và uppercutoff sao cho phù hợp với các thông số của bộ lọc tần số

3.3 Kết quả xử lý bằng phần mềm Reflex

Hình 3 dưới đây là hình ảnh mặt cắt GPR của tuyến đường Lạc Long Quân được xử lýbằng phần mềm Reflex và các bước xử lý

Tóm lại, trong chương này, chúng tôi đã khái quát được những nét cơ bản của phần mềmReflex cũng như một số bước xử lý chính Như vậy, bước chuẩn bị những kiến thức cần thiết đểtiến đến minh giải và xử lý đã hoàn tất Trong chương 4 chúng tôi sẽ tiến hành xủ lý và đưa rakết quả sau khi đã minh giải xong

Hình 3.3: Mặt cắt GPR của tuyến Lạc Long Quân xử lý bằng chương trình Reflex

CHƯƠNG 4

XỬ LÝ VÀ MINH GIẢI SỐ LIỆU GPR

Như đã đề cập, trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả đã được xử lý vàminh giải bằng phương pháp Radar xuyên đất Chương này gồm hai phần: phần một, chúng tôi

sẽ tiến hành xử lý những tuyến đo được cho số liệu (đây là những tuyến đo rời rạc); phần hai,chúng tôi sẽ tiến hành xử lý khu vực mà chúng tôi trực tiếp đo đạc (đây là mạng lưới các tuyếnđo) Trong chương này, chúng tôi chỉ đưa ra các mặt cắt để minh giải, còn toàn bộ các bước xử

lý được đưa vào phần Phụ lục

4.1 Các bộ số liệu GPR được cho trước

4.1.1 Tuyến Lạc Long Quân (ngã tư Bảy Hiền – TP.HCM)

Sơ đồ tuyến đo số 2 ở đường Lạc Long Quân

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí tuyến đo tại đường Lạc Long Quân

Đây là tuyến đường có mật độ lưu thông cao, nhưng thường xảy ra sụp lở gây nhiều trởngại cho các phương tiên giao thông Số liệu được thu thập bằng thiết bị RAMAC với tần số500MHz, tổng chiều dài tuyến đo là 30m.