Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất gpr

Phương pháp Radar xuyên đất này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hướng vào lòng đất hay môi trường điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trường thăm dò sẽ được thu nhận và xử l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN VĂN TUẤN

XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG RADAR

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

TS N G U Y Ễ N M I N H H O À N G TS ĐỖ HỒNG TUẤN

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Xử lý tín hiệu trong hệ thống Radar xuyên đất GPR

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu và nghiên cứu các đặc tính, kỹ thuật của hệ thống Radar xuyên đất

 Xem xét đề xuất các phương pháp xử lý ảnh để có thể tái tạo lại hình ảnh ở dạng trực quan cho hệ thống radar xuyên đất

 Xây dựng ứng dụng trên Matlab để kiểm chứng, đánh giá kết quả

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2013

TAO5

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này Trong quá trình nghiên cứu tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy nhiên được thầy tận tình hướng dẫn nên tôi cũng đã hoàn thành được luận văn đúng thời hạn Một lần nữa xin được gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất

Quá trình học tập tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh không những cung cấp kiến thức mà còn dạy tôi cách làm việc, cách sống Tôi xin gửi lời cảm

ơn chân thành đến các thầy cô trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, cung cấp những kiến thức hữu ích để tôi có thể thực hiện luận văn này Đồng thời đó cũng là những kiến thức nền tảng vững chắc để tôi có thể ứng dụng vào công việc sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Minh Linh đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và thảo luận các đề tài liên quan tới luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn to lớn nhất đến các bậc sinh thành, những người thân trong gia đình đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn này

đề tài: “Xử lý tín hiệu trong hệ thống Radar xuyên đất GPR” để tìm hiều và nghiên cứu

nhằm nắm bắt cũng như cập nhật những kiến thức cần thiết trong việc xây dựng ứng dụng vào lĩnh vực cụ thể

Phương pháp Radar xuyên đất này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hướng vào lòng đất hay môi trường điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trường thăm dò sẽ được thu nhận và xử lý Kết quả sau đó sẽ được hiển thị dưới dạng hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều, từ đó có thể đưa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trường đất khảo sát Ưu điểm của phương pháp radar xuyên đất là tốc độ khảo sát nhanh, không cần phá hủy cấu trúc thăm dò, dễ di chuyển, độ phân giải cao và kết quả chính xác

Thông thường, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu được trong môi trường có nhiều yếu tố ảnh hưởng: nhiễu, đa phản xạ, làm khó khăn cho quá trình xử lý Để có thể

đo đạc và hiển thị chính xác dữ liệu đòi hỏi quá trình xử lý tín hiệu phải tốt, và đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế radar xuyên đất Từ đó, đã có nhiều hướng nghiên cứu để cải thiện và nâng cao khả năng xử lý tín hiệu của hệ thống radar xuyên đất

Trong luận văn này, sẽ đề cập đến phương pháp xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất, trong đó tập trung vào các phương pháp xử lý ảnh để cải thiện khả năng hiển thị, tái tạo hình ảnh ở dạng trực quan cho hệ thống radar xuyên đất

ABSTRACT

Nowadays, the demand on surveying and finding underground targets is very essential For example, searching geological defects to detect the “ Big holes on Earth”, land mine detectors, geological survey, mineral detection, … Along with the development

of science and technology, there has launched a variety of methods to solve this problem One of the common methods is Ground Penetrating Radar (GPR) In fact, many countries have been researched and applied in many fields With the love of myself in this field, so that thesis selected topics: “Signal processing in Ground Penetrating Radar” to learn, research, update necessary knowledge to build applications in specific fields

This method uses high frequency electromagnetic waves transmit into the ground

or dielectric environment needs to be examined, reflected waves from exploration environment is collected and processed Then the results will be displayed in the model of two-dimensional or three-dimensional images, which can make predictions physical presence within the environment survey The advantage of the method is quick result, without destroying the structure exploration, high resolution images and accurate results

Typically, the radar reflection data collected in regular soil environmental has a lot

of influence factors: interference, multi-reflector, makes it difficult to process To be able to measure and display the accurate result, it requires a good signal processing, and this is one of the important tasks when design a ground penetrating radar system There have a lot of researches to improve and enhance the signal processing of ground penetrating radar system

In this thesis, we will consider the signal processing method of ground penetrating radar system, which focuses on some image processing methods to improve the accurate

of the display results

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR”

là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu trong luận văn đƣợc sử dụng trung thực Kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này chƣa từng đƣợc công bố tại bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

ABSTRACT vi

LỜI CAM ĐOAN vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ x

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xiii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 2

1.1) Lịch sử phát triển 2

1.2) Giới thiệu chung 3

1.2.1) Giới thiệu chung về Radar 3

1.2.2) Giới thiệu chung về Radar xuyên đất 4

1.3) Nguyên lý hoạt động 6

Chương 2: CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT 8

2.1) Sóng điện từ 8

2.1.1) Cơ sở lý thuyết sóng điện từ 8

2.1.2) Vận tốc truyền sóng 11

2.1.3) Sự suy hao sóng điện từ 12

2.2) Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu 14

2.3) Độ phân giải của hệ thống GPR 15

2.3.1) Độ phân giải theo phương nằm ngang 15

2.3.2) Độ phân giải theo phương thẳng đứng 17

2.4) Các phương pháp thu thập dữ liệu 19

2.4.1) Phương pháp mặt cắt phản xạ 19

2.4.2) Phương pháp chiếu sóng 19

2.4.3) Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng 20

2.5) Các hệ thống radar xuyên đất 21

2.5.2) Hệ thống GPR tần số quét FMCW 22

2.5.3) Hệ thống GPR tần số bước SFCW 23

Chương 3: CÁC THUẬT TOÁN XỬ LÝ TÍN HIỆU 26

3.1) Hiệu chỉnh thời gian 0 (Time Zero Adjust) 26

3.2) Trừ Trace Trung Bình (Subtract Mean Trace) 27

3.3) Loại bỏ DC (DC Removal) 28

3.4) Xóa bỏ nền (Background Removal) 29

3.5) Lọc Dewow 30

3.6) Khuếch đại AGC 32

3.7) Giải chập (Deconvolution) 33

3.7.1) Nghịch Đảo (Inverse Filtering) 35

3.7.2) Lọc Weiner tối ưu (Optimal Wiener Filter) 36

3.7.3) Kỹ thuật di trú (Migration) 41

Chương 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ 49

4.1) Mô tả tín hiệu thu phát 50

4.2) Các phương pháp xử lý cơ bản 53

4.2.1) Điều chỉnh vị trí tín hiệu (Adjust Signal Position) 53

4.2.2) Xóa bỏ trace xấu 56

4.2.3) Lọc trung vị (median filter) 59

4.2.4) Xóa bỏ Background 61

4.2.5) Lọc Dewow 63

4.2.6) Khuếch đại AGC biên độ hiệu dụng (RMS) 66

4.2.7) Loại bỏ DC 70

4.3) Các phương pháp xử lý giải chập 72

4.3.1) Giải chập dự đoán 73

4.3.2) Kỹ thuật xử lý di trú (Migration) 84

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Radar cơ bản

Hình 1.2 Xác định vật thể bằng radar xuyên đất

Hình 1.3 Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống Radar xuyên đất

Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền trong không gian

Hình 2.2 Suy hao do tán xạ

Hình 2.5 Chập vùng phủ sóng ăn anten với mục tiêu

Hình 2.6 Tích chập các tín hiệu phản xạ của môi trường đa lớp

Hình 2.7 Phương pháp mặt cắt phản xạ

Hình 2.9 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng

Hình 2.10 Phương pháp điểm sâu chung

Hình 2.11 Chuỗi xung phát và nhận theo thời gian t

Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống GPR xung

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống GPR tần số quét FMCW

Hình 2.14 Băng thông và tần số của GPR FMCW tần số bước

Hình 3.1 Ví dụ về sự dịch chuyển vị trí điểm thời gian 0

Hình 3.2 Xử lý trừ trace trung bình

Hình 3.4 Trước khi áp dụng xóa bỏ Background

Hình 3.5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background

Hình 3.6 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý Dewow

Hình 3.7 Tín hiệu sau khi qua xử lý Dewow

Hình 3.8 Quá trình phản xạ

Hình 3.9 Khái niệm khuếch đại tín hiệu

Hình 3.10 Sơ đồ tích chập xung đầu vào với hàm phản xạ

Hình 3.11 Sơ đồ lọc nghịch đảo

Hình 3.12 Sơ đồ bộ lọc tối ưu weiner

Hình 3.13 Kết quả sau khi giải chập spiking

Hình 3.14 Giải mã chập dự đoán dùng bộ lọc dự đoán

Hình 3.15 Nguyên lý di trú dựa trên ngoại suy và tính tổng

Hình 3.16 Ngoại suy từ với việc tăng dần độ trễ

Hình 3.17 Cấu hình và hệ tọa độ cho di trú Kirchoff

Hình 3.18 Sơ đồ xử lý di trú Kirchoff

Hình 3.19 Ánh xạ sóng từ miền thời gian sang tần số

Hình 3.20 Sơ đồ xử lý di trú F-K

Hình 4.1 Tín hiệu xung truyền từ nguồn phát radar xuyên đất

Hình 4.2 Tín hiệu nhận được sau khi phản xạ chỉ trên 1 trace

Hình 4.3 Ảnh gốc thu được từ hệ thống GSSI

Hình 4.4 Lưu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí zero

Hình 4.5 Dữ liệu trước khi xử lý điều chỉnh vị trí zero

Hình 4.6 Dữ liệu sau khi xử lý

Hình 4.7 Lưu đồ thực hiện xóa bỏ trace xấu

Hình 4.8a Ảnh gốc trước khi xử lý loại bỏ trace xấu

Hình 4.8b Kết quả sau khi xử lý loại bỏ trace xấu

Hình 4.9a Lọc trung vị với kích thước 3x3

Hình 4.9b Lọc trung vị với kích thước 10x10

Hình 4.10 Ảnh chưa qua xử lý xóa bỏ Background

Hình 4.11 Ảnh đã qua xử lý xóa bỏ Background

Hình 4.12 Lưu đồ thực hiện quá trình lọc Dewow

Hình 4.13a Ảnh gốc chưa xử lý Dewow

Hình 4.13b Ảnh sau khi qua xử lý lọc Dewow

Hình 4.14 Lưu đồ thực hiện khuếch đại AGC

Hình 4.15a Trước khi xử lý AGC

Hình 4.15b Sau khi được khuếch đại AGC

Hình 4.16 Biên độ trước và sau khi khuếch đại AGC

Hình 4.17a Trước khi loại bỏ DC

Hình 4.17b Sau khi loại bỏ DC

Hình 4.18 Kết quả giải chập dự đoán với n=20

Hình 4.19 Kết quả giải chập dự đoán với n=50

Hình 4.20 Kết quả giải chập dự đoán với n=80

Hình 4.21 Tỉ số của năng lượng trước và sau khi giải chập dự đoán

Hình 4.22 Giải mã chập dự đoán với các khoảng dự đoán khác nhau

Hình 4.23 Giải chập dự đoán với

Hình 4.24 Giải chập dự đoán với

Hình 4.25 Giải chập dự đoán với

Hình 4.26 Lưu đồ thực hiện giải mã chập dự đoán

Hình 4.27 Năng lượng của một điểm nguồn bị phân tán trên các bộ phận

Hình 4.28 Dạng sóng thu được tương đương trong miền thời gian

Hình 4.29 Biểu diễn hình học của mô hình nguồn phát

Hình 4.30 Di trú dựa trên nguyên lý tính tổng tán xạ

Hình 4.31 Thuật toán di trú Scolt

Hình 4.32 Di trú Scolt với mô hình 1

Hình 4.33 Di trú Sclot với mô hình 2

Hình 4.34 Di trú Scolt với mô hình 3

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tính chất dẫn điện của một số loại vật chất thường gặp

Bảng 2.2 So sánh các hệ thống GPR theo phương pháp điều chế

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, nhu cầu khảo sát cũng như tìm kiếm mục tiêu dưới lòng đất là rất cần

thiết Chẳng hạn như tìm kiếm các khiếm khuyết địa chất dưới mặt đất để phát hiện các

“Hố tử thần”, hay dò tìm bom mìn, khảo sát địa chất, dò tìm khoáng sản, Cùng với sự

phát triển của khoa học công nghệ, đã có nhiều phương pháp ra đời để giải quyết bài toán

này Một trong những phương pháp nổi trội là sử dụng Radar xuyên đất – Ground

Penetrating Radar (GPR)

Phương pháp này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hướng vào lòng đất hay môi

trường điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trường thăm dò sẽ được thu nhận và

xử lý Kết quả sau đó sẽ được hiển thị dưới dạng hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều, từ đó

có thể đưa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trường đất khảo sát Ưu

điểm của phương pháp radar xuyên đất là tốc độ khảo sát nhanh, không cần phá hủy cấu

trúc thăm dò, dễ di chuyển, độ phân giải cao và kết quả chính xác

Phương pháp radar xuyên đất đã và đang phát triển không ngừng cùng với sự phát

triển của khoa học công nghệ ngày nay Radar xuyên đất là một hệ thống tập hợp rất

nhiều thành phần với nhiều kỹ thuật như lấy mẫu, khuếch đại cao tần, tạo sóng, xử lý tín

hiệu, xử lý ảnh, hiển thị và anten Thông thường, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu

được trong môi trường có nhiều yếu tố ảnh hưởng: nhiễu, đa phản xạ, làm khó khăn

cho quá trình xử lý Để có thể đo đạc và hiển thị chính xác dữ liệu đòi hỏi quá trình xử lý

tín hiệu phải tốt, và đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế radar xuyên

đất Từ đó, đã có nhiều hướng nghiên cứu để cải thiện và nâng cao khả năng xử lý tín hiệu

của hệ thống radar xuyên đất Việc này đã được nghiên cứu nhiều ở nước ngoài, nhưng ở

Việt Nam hiện nay hầu như có rất ít cá nhân và tổ chức nghiên cứu về hệ thống GPR cũng

như các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho hệ thống GPR này

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Chương này sẽ trình bày tổng quan về Radar xuyên đất, lịch sử phát triển cũng như

sơ đồ tổng quát, các bộ phận cấu thành hệ thống Bên cạnh đó, chương 1 sẽ trình bày sơ

lược về kỹ thuật, nguyên tắc hoạt động, các ứng dụng và tầm quan trọng của việc ứng

dụng Radar xuyên đất

1.1) Lịch sử phát triển

Năm 1904, Hulsmeyer đã sử dụng các tín hiệu điện từ lần đầu tiên để xác định sự

hiện diện của những vật thể bằng kim loại từ xa trên đất liền Sáu năm sau đó, những mô

tả đầu tiên về sử dụng sóng điện từ xác định vị trí của các vật thể chôn dưới đất xuất hiện

trong một bằng sáng chế của Leimbach và Lowy, người Đức Kỹ thuật của họ bao gồm

chôn những anten lưỡng cực trong một dãy các lỗ khoan thẳng đứng và so sánh cường độ

tín hiệu thu được khi các cặp anten lần lượt được sử dụng để phát và thu Bằng cách này,

một ảnh thô có thể được tạo cho bất 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

1.2.1) Giới thiệu chung về Radar

Radar hay rađa, là thuật ngữ viết tắt của cụm từ RAdio Detection and Ranging (dò

tìm và định vị bằng sóng vô tuyến) hay Radio Angle Detection and Ranging (dò tìm và

định vị góc bằng sóng vô tuyến) Radar là một kỹ thuật điện từ dùng để dò tìm và định vị

những vật phản xạ sóng điện từ Hình 1.1 mô tả một hệ thống radar cơ bản và hoạt động

của hệ thống này có thể được tóm lược như sau:

- Radar dùng anten phát sóng điện từ, thường là một chuỗi xung tương đối hẹp,

hướng về mục tiêu Sóng radar này sẽ bị mục tiêu chắn lại

- Sóng bị chắn sẽ tạo sóng phản xạ theo nhiều hướng khác nhau

- Những sóng điện từ phản xạ ngược lại radar sẽ được anten thu nhận

- Bộ thu của radar sẽ khuếch đại tín hiệu thu được và xử lý tín hiệu nhằm định vị và

thu thập nhiều thông tin hữu ích về mục tiêu

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Radar cơ bản

Radar có thể dò tìm, xác định vận tốc tương đối và định vị các mục tiêu ở các

khoảng cách gần xa khác nhau Radar có nhiều kích thước khác nhau, có thể cầm tay hoặc

có khi lớn bằng tòa nhà Mục tiêu của radar rất đa dạng như máy bay, tàu bè, tên lửa, cũng

có thể là con người, những đặc điểm đất đai, biển, băng tuyết, sao băng, hành tinh và

những đối tượng dưới lòng đất Những radar được thiết kế tốt có thể xác định kích thước

và hình dạng và thậm chí có thể nhận ra loại mục tiêu [24 - anten]

1.2.2) Giới thiệu chung về Radar xuyên đất

Nhu cầu phát hiện từ xa các vật thể chôn dưới đất đã được đặt ra từ rất lâu 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 anten 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

Hình 1.2 Xác định vật thể bằng radar xuyên đất

Thuật ngữ GPR nói đến một loạt các kỹ thuật điện từ Những kỹ thuật này được

thiết kế chủ yếu để định vị 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, 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 càng rộng Đi kèm là sự phức tạp của các kỹ

thuật phục hồi tín hiệu, 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 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 thông tin từ

dưới lòng đất Năng lượng phát ra từ anten 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 anten thu, ghi lại các tín hiệu phản xạ này một cách liên tục, xử lý và tái

tạo thành một hình ảnh

Hình 1.3 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

Anten nhận

Độ sâu thẩm thấu của các phương pháp phụ thuộc vào tần số của Anten phát thu

tín hiệu và phụ thuộc vào tính chất của đất đá trong môi trường địa chất Các loại Anten

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 0,1 - 40m

Chương 2: CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT

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

2.1) Sóng điện từ

2.1.1) Cơ sở lý thuyết sóng điện từ

Phương pháp GPR sử dụng sóng điện từ tần số cao phát xuống lòng đất để thăm

dò Phương trình toán học Maxwell dùng để biểu diễn các tính chất vật lý của trường sóng

điện từ, và những mối quan hệ liên quan đến các tính chất vật liệu trong phương pháp

GPR Đối với môi trường đồng nhất, đẳng hướng và tuyến tính, sóng điện từ tuân theo hệ

phương trình Maxwell như sau:

Các vector trường thỏa quan hệ:

(2.5) (2.6) (2.7) Trong đó, E là vector sức điện trường (V/m), B là vector mật độ dòng từ trường

(T), H là cường độ trường từ trường (A/m), J là vector mật độ dòng điện (A/m2), q là mật

độ điện tích (C/m3), D là vector thay thế điện trường (C/ m2), t là thời gian (s)

Phương trình Maxwell là cơ sở để khảo sát sự lan truyền sóng điện từ Trong chân

không, độ từ cảm μ và hằng số điện môi ε là không thay đổi và độc lập với tần số Sóng

truyền trong chân không sẽ không có suy hao và sự suy hao lan truyền chỉ xảy ra trong

môi trường điện môi thực Giả sử mật độ phân bố điện tích khối trong môi trường bằng 0

(ρυ = 0, thay phương trình (2.6) vào (2.1) và lấy curl của phương trình vừa tính sẽ thu

được:

Thay phương trình (2.7) và (2.5) vào (2.2) ta thu được:

Thay phương trình (2.9) vào (2.8) ta sẽ có:

Tương tự, lấy curl hai vế (2.9), sau đó thay (2.1) và (2.6) vào ta sẽ có:

Ngoài ra, ta có:

Đẳng thức (2.12) đúng với mọi trường A Trong đó, là toán tử laplacian của

vector A, trong hệ tọa độ vuông góc được xác định bởi:

Thay phương trình (2.10) và (2.11) vào (2.12), ta có:

Phương trình đạo hàm riêng (2.14) và (2.15) được gọi là phương trình sóng Sự lan

truyền sóng dọc theo trục z, với trường từ H vuông góc với trường điện E, biểu diễn bằng

phương trình sau:

Hình 2.1 biểu diễn sự lan truyền sóng điện từ trong không gian theo trục z với

trường điện E và trường từ H vuông góc với nhau

Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền trong không gian

Vận tốc lan truyền sóng vp được tính bằng công thức sau:

√ ⁄ Trong chân không, sóng điện từ lan truyền với vận tốc c như sau:

√ ⁄ Trong đó,

là hằng số điện môi tuyệt đối trong môi trường

là độ từ thẩm tuyệt đối trong môi trường

εr là hằng số điện môi tương đối, có giá trị từ 1 – 80 đối với hầu hết các môi trường

địa chất

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

tính

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

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

Từ đó suy ra:

√ ⁄ Trở kháng nội của môi trường là tỉ số giữa trường điện và trường từ:

√

Trong môi trường điện môi hoàn hảo, sóng truyền theo chiều dương của trục z có

thể được mô tả bằng phương trình sau:

Trong đó, k là hằng số pha và được tính bằng công thức:

√ Hằng số pha k mô tả sự thay đổi pha trên một đơn vị chiều dài của mỗi thành phần

sóng Nó có thể được xem như hằng số của môi trường ứng với tần số cụ thể nào đó và k

được gọi là số sóng Bước sóng λ là khoảng cách mà sóng truyền đi trong một chu kì và là

một khoảng z mà số sóng k biến đổi một khoảng 2π

Nếu biết được vận tốc độ truyền sóng, độ dày và độ sâu của mục tiêu hoàn toàn có

thể xác định được nhờ vào đó Với môi trường đồng nhất và đẳng hướng, vận tốc truyền

sóng được tính bằng công thức sau:

√ ⁄ Công thức tính độ sau d của mục tiêu như sau:

Trong đó, vr là vận tốc truyền sóng, εr là hằng số điện môi tương đối, t là tổng thời

gian sóng truyền tới mục tiêu và quay về, và c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân

không Vận tốc truyền sóng giảm khi hằng số điện môi tương đối của môi trường tang

Bước sóng λm cũng giảm theo vận tốc truyền sóng như sau:

Trong hầu hết các ứng dụng thực tế, hằng số điện môi εr của môi trường là chưa

biết Do đó, vận tốc truyền sóng có thể được đo đạc, hoặc ước lượng bằng cách đo độ sâu

trực tiếp tới mục tiêu, hay bằng cách tính toán

2.1.3) Sự suy hao sóng điện từ

Trong những môi trường điện môi thực, sóng điện từ lan truyền chịu nhiều suy hao

được liệt kê như sau:

- Suy hao anten: sóng điện từ bị suy hao do sự phối hợp tải trở kháng không tốt,

anten có tải điện trở, vì vậy hiệu suất bức xạ thấp

- Suy hao do ghép anten thu và phát không đối xứng: năng lượng bị mất bởi phản xạ

từ việc ghép không đối xứng anten khoảng – 1 dB

- Suy hao do lan truyền hình học: sóng được phát đi dưới dạng chùm hình nón, sẽ

trải rộng làm cho mật độ năng lượng giảm tỉ lệ với 1/r2, với r là khoảng cách lan

truyền sóng

- Suy hao nhiệt: năng lượng của sóng điện từ bị biến đổi một phần thành nhiệt năng

- Suy hao do tán xạ với mục tiêu: tiết diện tán xạ của mục tiêu phụ thuộc vào tính

chất của môi trường điện môi xung quanh Khi hằng số điện môi tương đối của

mục tiêu nhỏ hơn hằng số điện môi tương đối của môi trường xung quanh, sóng bị

tán xạ ngược không có sự đảo pha Ngược lại, hằng số điện môi tương đối của mục

tiêu lớn hơn môi trường xung quanh, sóng bị tán xạ ngược sẽ đảo pha Hiện tượng

đảo pha được sử dụng để nhận biết các mục tiêu dẫn điện hoặc không dẫn điện

Ngoài ra, hình dạng của vật dẫn sẽ ảnh hưởng lên sự phân cực và tần số sóng phản

xạ, và có thể dùng những đặc điểm này để thăm dò

- Sự suy giảm năng lượng do truyền qua môi trường: sóng truyền qua môi trường

thực sẽ bị tổn hao trường điện E hoặc trường từ H, hoặc cả hai Các mục tiêu được

dò tìm bằng phương pháp GPR thường có đáp ứng từ không lớn Tuy nhiên, các

hiệu ứng dẫn điện và điện môi tạo ra sự hấp thụ bức xạ điện từ

Hình 2.2 Suy hao do tán xạ

Tóm lại, sóng điện từ bị suy hao hấp thụ phần lớn là do hiệu ứng dẫn điện và điện

môi (conductivity and dielectric effect) của môi trường khảo sát Nhìn chung, các tham số

đáng quan tâm trong các ứng dụng của phương pháp GPR là độ suy hao và vận tốc truyền

Độ dẫn điện ⁄

Hệ số tắt dần ⁄

2.2) Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu

Hệ thống GPR thu thập thông tin đối tượng bên dưới lòng đất bằng sóng điện từ

Sóng điện từ, là một hàm của không gian và thời gian, có thể được lấy mẫu và lưu trữ để

phục vụ cho việc xử lý dữ liệu Nghiên cứu và thiết kế hệ thống GPR cần phải thỏa mãn

các nguyên tắc lấy mẫu cơ bản Với sóng sin có tần số f, vận tốc truyền sóng v, khoảng

lấy mẫu theo thời gian Δt và khoảng lấy mẫu theo không gian Δx tuân theo tiêu chuẩn lấy

mẫu Nyquist như sau:

Với những tín hiệu GPR tức thời có tỉ số băng thông trên tần số trung tâm fc bằng

đơn vị, công thức tiêu chuẩn lấy mẫu sẽ trở thành:

Tiêu chuẩn lấy mẫu trong công thức (2.30) và (2.31) là trường hợp lý tưởng Trong

các ứng dụng thực tế, khoảng lấy mẫu có giá trị bằng ½ tiêu chuẩn lấy mẫu của trường

hợp lý tưởng là thích hợp [14- anten]

2.1) Độ phân giải của hệ thống GPR

Độ phân giải của hệ thống GPR cho biết độ tin cậy giới hạn trong việc xác định vị

trí, kích thước và hình dạng của đối tượng thăm dò

2.5.1) Độ phân giải theo phương nằm ngang

Độ phân giải theo phương nằm ngang (đó là góc hay độ di chuyển theo phương

ngang) khá quan trọng trong việc định vị mục tiêu tìm kiếm và phân biệt giữa các mục

tiêu ở cùng độ sâu, xem hình 2.3 Độ phân giải theo phương ngang được xác định bằng

2.3)

2.3.1)

đặc tính của anten và các quy trình xử lí tín hiệu của hệ thống GPR Nhìn chung, độ phân

giải này thỏa mãn yêu cầu khi anten có độ lợi công suất lớn Nếu kích thước anten nhỏ,

muốn có độ lợi công suất anten cao thì sóng thăm dò phải có tần số cao, nhưng tần số

sóng khảo sát cao thì độ xuyên sâu sẽ thấp Vì vậy, việc chọn thiết bị GPR cho một ứng

dụng cụ thể nào đó cần phải hài hòa giữa các yêu cầu độ phân giải theo phương ngang,

kích thước anten, khả năng xử lí tín hiệu và độ xuyên sâu của sóng vào môi trường điện

môi thăm dò

Hình 2.3 Độ phân giải hệ thống GPR

Ảnh hưởng vùng phủ bức xạ (radiation footprint) của anten trên mặt đất được trình

bày trong hình 2.4 Khoảng cách giữa nguồn bức xạ và mặt đất tăng từ 0.1 m đến 0.5 m,

tương ứng với các ảnh từ trái sang phải Diện tích mặt đất là 2m x 2m và độ rộng vùng

phủ sóng (footprint) mở rộng ra khi nguồn bức xạ anten được nâng lên cao khỏi mặt đất

Điều này ảnh hưởng rất lớn lên độ phân giải ảnh radar, bởi vì sự tích chập giữa giản đồ

bức xạ anten (antenna pattern) với mục tiêu sẽ làm nhòe ảnh radar Hình 2.5 trình bày chi

tiết vấn đề này, bên trái là ảnh của mục tiêu, ảnh bên phải bị nhòe do sự tích chập giữa

vùng phủ sóng anten và mục tiêu

Hình 2.4 Vùng phủ sóng của nguồn bức xạ đẳng hướng

Hình 2.5 Chập vùng phủ sóng ăn anten với mục tiêu

Độ phân giải theo phương ngang tỷ lệ với √ ⁄ , với là hệ số suy giảm Vì vậy,

độ phân giải này sẽ cao trong môi trường có độ suy giảm cao Ngược lại, môi trường có

độ suy giảm thấp sẽ cho độ phân giải thấp Độ phân giải này được nâng cao bằng các kỹ

thuật quét ngang và sử dụng các thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, đối với môi trường có độ

suy giảm thấp Các kỹ thuật này thường yêu cầu phép đo sử dụng các cặp anten phát và

anten thu ở nhiều vị trí, nhằm làm rõ nét hình ảnh

2.3.2) Độ phân giải theo phương thẳng đứng

Độ phân giải theo phương thẳng đứng (là khoảng cách hay độ sâu của mục tiêu)

cho biết khả năng phân biệt giữa hai tín hiệu liên tiếp nhau trong cùng một thời điểm của

phép đo Một số ứng dụng GPR, như đo độ dày các lớp của đường đô thị, thường quan

tâm đến bề mặt phân cách giữa hai lớp Hệ thống GPR có thể xác định độ sâu chính xác

bằng cách đo sự chênh lệch thời gian giữa đỉnh của sóng thu và một thời gian tham chiếu

Trường hợp đơn giản, độ phân giải theo phương thẳng đứng Δy của hệ thống GPR là một

hàm theo tần số của sóng điện từ như sau:

Trong đó: h là độ dài sóng hay độ dài xung (cm)

f là tần số trung tâm của anten (MHz)

v là vận tốc truyền sóng (m/ns)

Khi có nhiều đối tượng như trong dò tìm cáp ngầm và ống nước trong đất, hệ

thống GPR cần tín hiệu có dải tần rộng hơn để phân biệt các đối tượng khác nhau và xác

định cấu trúc chi tiết của mục tiêu Trong trường hợp này, băng thông của tín hiệu thu

được quan trọng hơn băng thông tín hiệu phát “Đất” đóng vai trò như bộ lọc thông thấp,

nó làm thay đổi phổ sóng phát theo đặc tính điện của môi trường

Mặc dù độ phân giải theo phương thẳng đứng tốt hơn trong môi trường vật liệu ẩm

ướt với cùng băng thông, nhưng các vật liệu với hàm lượng nước cao sẽ có độ suy giảm

lớn Đặc điểm này làm giảm hiệu suất băng thông, do đó hệ thống GPR chọn độ phân giải

sao cho không phụ thuộc vào độ suy hao của môi trường dẫn

Trường hợp khoảng cách giữa các bề mặt phân cách nhỏ hơn nửa bước sóng, tín

hiệu phản xạ từ một bề mặt phân cách sẽ kết hợp tích chập với các tín hiệu phản xạ khác,

như trong hình 2.6 Đối với trường hợp này, một số thuật xử lý giải chập được sử dụng để

tách riêng những tín hiệu đáp ứng và tìm ra các bề mặt phân cách

Hình 2.6 Tích chập các tín hiệu phản xạ của môi trường đa lớp

2.4) Các phương pháp thu thập dữ liệu

2.4.1) Phương pháp mặt cắt phản xạ

Phương pháp mặt cắt phản xạ sử dụng một hay nhiều cặp anten phát và thu di

chuyển cùng lúc trên mặt đất, xem hình 2.7 Tín hiệu sóng phản xạ được thu thập và xử lý

cho ra giản đồ sóng dưới dạng hình ảnh, với trục thẳng đứng biểu thị thời gian, còn trục

nằm ngang biểu diễn khoảng cách Nếu biết được vận tốc truyền sóng, độ sâu của mục

tiêu phản xạ sẽ xác định được nhờ vào đó

Hình 2.7 Phương pháp mặt cắt phản xạ

2.4.2) Phương pháp chiếu sóng

Phương pháp chiếu sóng sắp xếp các anten phát và anten thu đối diện nhau, môi

trường điện môi khảo sát ở giữa các anten phát và anten như hình 2.8

Hình 2.8 Phương pháp chiếu sóng

Vì vậy, phương pháp chiếu sóng thường được sử dụng trong các hầm mỏ khai thác

khoáng sản, hay các lỗ khoan thăm dò địa chất Phương pháp này thích hợp cho việc khảo

sát cấu trúc của đối tượng hoặc kiểm định chất lượng các trụ bêtông

2.4.3) Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng

Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng sử dụng một anten phát được giữ cố định tại

một điểm, các anten thu di chuyển cách đều nhau trên cùng một trục, xem hình 2.9

Phương pháp này phải được thực hiện trên vùng đất có mặt phản xạ nằm ngang, góc

nghiêng nhỏ và môi trường đất thăm dò phải đồng nhất Do đó, phương pháp phản xạ và

khúc xạ rộng không phù hợp trong ứng dụng thực tế

Hình 2.9 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng

Phương pháp điểm sâu chung CMP (Common MidPoint) được sử dụng để khắc

phục nhược điểm nêu trên Phương pháp CMP sử dụng anten phát và anten thu cùng di

chuyển với những khoảng cách đều ra khỏi điểm thu chung, sao cho điểm thu chung giữa

hai anten thu và phát luôn luôn cố định

Hình 2.10 Phương pháp điểm sâu chung

2.5) Các hệ thống radar xuyên đất

2.5.1) Hệ thống GPR xung

Hệ thống GPR xung (Impulse GPR) sử dụng kỹ thuật phát xung được sử dụng

rộng rãi vào giữa thập niên 1970 Hệ thống GPR xung thực hiện việc thu phát dữ liệu

trong miền thời gian Xung phát hướng đến mục tiêu và tín hiệu phản xạ nhận được là

một hàm theo thời gian, xem Hình 2.11 Các hệ thống GPR xung sẽ thực hiện việc lấy tín

hiệu phản xạ, chuyển sang dạng số hóa để lưu trữ, xử lý tín hiệu, và hiển thị kết quả

Thông tin về độ xuyên sâu thu được dựa vào nguyên tắc thời gian truyền sóng Thời gian

để tín hiệu từ anten phát đến mục tiêu và phản hồi trở về anten thu là Δt Khi đó, khoảng

cách R tới mục tiêu được tính bằng:

√ Trong đó:

R là khoảng cách từ anten đến mục tiêu (m)

c là vận tốc ánh sáng trong chân không bằng 3.108 m/s

ε r là hằng số điện môi tương đối của môi trường điện môi khảo sát

Hình 2.11 Chuỗi xung phát và nhận theo thời gian t

Băng thông B của hệ thống GPR xung được xác định bằng ⁄ , với τ là độ

rộng xung phát Nếu có thể, băng thông B được chọn bằng với tần số trung tâm fc của hệ

thống GPR xung để cho độ phân giải tốt nhất Độ phân giải phương thẳng đứng (range

resolution) của hệ thống GPR xung được tính bằng công thức:

√

Sơ đồ hệ thống GPR sử dụng kỹ thuật phát xung được trình bày trong hình 2.12

Anten có vai trò khá quan trọng, bởi vì hàm truyền của anten xác định hình dạng xung

phát Anten được xem như bộ lọc thông dải (band-pass) và nó xác định tần số trung tâm

của xung phát đi

Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ thống GPR xung

Ưu điểm chính của hệ thống GPR xung là tính đơn giản, dễ sử dụng, chi phí không

đắt, và dễ chế tạo Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là kỹ thuật phát xung gây ra

hiện tượng méo dạng xung phát và nhận, hiệu suất không cao, độ phân giải bị giới hạn bởi

độ rộng xung phát, và khó thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu băng rộng với bộ lấy mẫu tốc

độ thấp

2.5.2) Hệ thống GPR tần số quét FMCW

Hệ thống GPR FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) thực hiện việc

số quét phát sóng có tần số được “quét” trên một băng thông xác định từ tần số bắt đầu

fstart đến tần số kết thúc fstop Tín hiệu phản xạ thu được là một hàm theo tần số và có biên

độ có thể xác định được Tín hiệu thu về được trộn tần với một phần tín hiệu phát đi, sau

đó cho qua bộ lọc, lấy mẫu và lượng tử hóa Dạng sóng lượng tử hóa sẽ được chuyển sang

miền thời gian, sau đó sẽ qua bộ phận xử lý cho ra dạng hiển thị ảnh

Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống GPR tần số quét FMCW

Hệ thống GPR FMCW tần số quét được sử dụng để khảo sát các mục tiêu có độ

sâu không quá lớn Ưu điểm chính của hệ thống này là có khoảng linh động (dynamic

range) rộng và nhiễu nhỏ hơn so với hệ thống GPR xung Tuy nhiên, kỹ thuật này khó

thiết kế và chi phí cao hơn nhiều so với hệ thống GPR xung Hệ thống GPR này yêu cầu

anten phải có băng thông rộng

2.5.3) Hệ thống GPR tần số bước SFCW

Hệ thống GPR FMCW tần số bước là một kỹ thuật radar xuyên đất mới, nhằm

khắc phục các nhược điểm của hệ thống GPR xung lẫn hệ thống GPR FMCW tần số quét

Hệ thống GPR FMCW tần số bước, về cơ bản giống hệ thống GPR FMCW tần số quét,

sử dụng anten băng thông rộng nhằm cung cấp hiệu suất hoạt động cao Nhưng tần số

phát được tăng từng “bước” tuyến tính trên một khoảng băng thông cố định từ tần số bắt

đầu đến tần số kết thúc, xem Hình 2.14 Do đó, tốc độ quét tần của hệ thống GPR này

nhanh hơn Tín hiệu thu được trộn và lấy mẫu tại mỗi bước tần số rời rạc, sau đó tín hiệu

dạng số hóa được chuyển sang miền thời gian nhằm tạo tín hiệu thu tổng hợp

Hình 2.14 Băng thông và tần số của GPR FMCW tần số bước

Ưu điểm của hệ thống GPR này là có thể kiểm soát được các tần số phát, hiệu suất

cao, và lấy mẫu tốc độ thấp vẫn có thể đảm bảo hiệu suất tốt Hệ thống GPR này dễ thiết

kế và chi phí thấp hơn so với hệ thống GPR FMCW tần số quét

Nhược điểm của hệ thống GPR FMCW tần số bước là bộ xử lý tín hiệu số và thiết

kế hệ thống phức tạp Việc chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian tạo ra các họa

tần có thể che lấp các tín hiệu phản xạ có cường độ yếu Trong một số trường hợp, hiệu

suất thấp do sự chồng lấp tần số trong quá trình thu phát tín hiệu

Bảng 2.2 so sánh những tính năng của các hệ thống GPR Hệ thống GPR FMCW

tần số bước có tính năng tốt hơn hẳn hai kỹ thuật còn lại Nó cho độ phân giải cao, khả

năng xuyên sâu tốt, cũng như tốc độ xử lý nhanh hơn Hệ thống GPR xung có thiết kế đơn

giản nhất nhưng hiệu quả không cao

Bảng 2.2 So sánh các hệ thống GPR theo phương pháp điều chế

Khoảng cách (m)

Vị trí thời gian 0 đối với 4m đầu tiên

Thay đổi vị trí thời gian 0

Đây là phần tương đối quan trọng của luận văn, chương này 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 chuẩn bị tiền đề cho việc

thực hiện xử lý thực tế ở chương sau

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

Hình 3.1 Ví dụ về sự dịch chuyển vị trí điểm thời gian 0