Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất gpr
- 115 trang
- file .pdf
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHAN VĂN TUẤN
XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG RADAR
XUYÊN ĐẤT GPR
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số ngành: 605270
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. LÊ CHÍ THÔNG
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
Ngày……tháng……năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN MINH HO ÀNG
2. TS. HUỲNH PH Ú MINH CƢ ỜNG
3. TS. LÊ CHÍ THÔNG
4. TS. TRƢƠNG C ÔNG DU NG NG HI
5. TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA
TS. NG UYỄN MI NH HOÀ NG TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN VĂN TUẤN MSHV:11146095
Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1988 Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270
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 phƣơng 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
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
TP. Hồ Chí Minh, tháng … năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRƢỞNG KHOA TRƢỞNG BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký) TAO5 (Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
iii
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ
tôi thực hiện luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy
nhiên đƣợc thầy tận tình hƣớng dẫn nên tôi cũng đã hoàn thành đƣợc luận văn đúng thời
hạn. Một lần nữa xin đƣợc gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Quá trình học tập tại trƣờng 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 trƣờng 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 ngƣời
thân trong gia đình đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Học viên
Phan Văn Tuấn
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhu cầu khảo sát cũng nhƣ tìm kiếm mục tiêu dƣới lòng đất là rất cần
thiết. Chẳng hạn nhƣ tìm kiếm các khiếm khuyết địa chất dƣới 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 phƣơng pháp ra đời để giải quyết bài toán
này. Một trong những phƣơng pháp nổi trội là sử dụng Radar xuyên đất – Ground
Penetrating Radar (GPR). Thấy đƣợc sự cần thiết của phƣơng pháp này, ngƣời viết chọn
đề tài: “Xử lý tín hiệu trong hệ thống Radar xuyên đất GPR” để tìm hiều và nghiên cứu
nhằm nắm bắt cũng nhƣ cập nhật những kiến thức cần thiết trong việc xây dựng ứng dụng
vào lĩnh vực cụ thể.
Phƣơng pháp Radar xuyên đất này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hƣớng vào
lòng đất hay môi trƣờng điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trƣờng thăm dò sẽ
đƣợc thu nhận và xử lý. Kết quả sau đó sẽ đƣợc hiển thị dƣới dạng hình ảnh hai chiều
hoặc ba chiều, từ đó có thể đƣa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trƣờng
đất khảo sát. Ƣu điểm của phƣơng 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 thƣờng, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu đƣợc trong môi trƣờng có
nhiều yếu tố ảnh hƣởng: 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 hƣớng
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 phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong hệ thống
radar xuyên đất, trong đó tập trung vào các phƣơng 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.
v
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.
vi
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.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Học viên
Phan Văn Tuấn
vii
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
Chƣơng 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
Chƣơng 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 phƣơng nằm ngang ........................................................ 15
2.3.2) Độ phân giải theo phƣơng thẳng đứng ....................................................... 17
2.4) Các phƣơng pháp thu thập dữ liệu ..................................................................... 19
2.4.1) Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ .................................................................... 19
2.4.2) Phƣơng pháp chiếu sóng ............................................................................ 19
2.4.3) Phƣơng pháp phản xạ và khúc xạ rộng ...................................................... 20
2.5) Các hệ thống radar xuyên đất ............................................................................ 21
2.5.1) Hệ thống GPR xung ................................................................................... 21
viii
2.5.2) Hệ thống GPR tần số quét FMCW ............................................................. 22
2.5.3) Hệ thống GPR tần số bƣớc SFCW ............................................................. 23
Chƣơng 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 ƣu (Optimal Wiener Filter) ................................................ 36
3.7.3) Kỹ thuật di trú (Migration).......................................................................... 41
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ ............................................................. 49
4.1) Mô tả tín hiệu thu phát ....................................................................................... 50
4.2) Các phƣơng 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 phƣơng 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 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 99
ix
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 2.3 Độ phân giải hệ thống GPR.
Hình 2.4 Vùng phủ sóng của nguồn bức xạ đẳng hƣớng.
Hình 2.5 Chập vùng phủ sóng ăn anten với mục tiêu.
Hình 2.6 Tích chập các tín hiệu phản xạ của môi trƣờng đa lớp.
Hình 2.7 Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ.
Hình 2.8 Phƣơng pháp chiếu sóng.
Hình 2.9 Phƣơng pháp phản xạ và khúc xạ rộng.
Hình 2.10 Phƣơng 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 bƣớc.
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 3.3 Xử lý DC.
Hình 3.4 Trƣớc khi áp dụng xóa bỏ Background.
Hình 3.5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background.
Hình 3.6 Tín hiệu gốc chƣa 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.
x
Hình 3.12 Sơ đồ bộ lọc tối ƣu 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 đƣợc sau khi phản xạ chỉ trên 1 trace.
Hình 4.3 Ảnh gốc thu đƣợc từ hệ thống GSSI.
Hình 4.4 Lƣu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí zero.
Hình 4.5 Dữ liệu trƣớc khi xử lý điều chỉnh vị trí zero.
Hình 4.6 Dữ liệu sau khi xử lý.
Hình 4.7 Lƣu đồ thực hiện xóa bỏ trace xấu.
Hình 4.8a Ảnh gốc trƣớc 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 thƣớc 3x3.
Hình 4.9b Lọc trung vị với kích thƣớc 10x10.
Hình 4.10 Ảnh chƣa qua xử lý xóa bỏ Background.
Hình 4.11 Ảnh đã qua xử lý xóa bỏ Background.
Hình 4.12 Lƣu đồ thực hiện quá trình lọc Dewow.
Hình 4.13a Ảnh gốc chƣa xử lý Dewow.
Hình 4.13b Ảnh sau khi qua xử lý lọc Dewow.
Hình 4.14 Lƣu đồ thực hiện khuếch đại AGC.
Hình 4.15a Trƣớc khi xử lý AGC.
Hình 4.15b Sau khi đƣợc khuếch đại AGC.
Hình 4.16 Biên độ trƣớc và sau khi khuếch đại AGC.
xi
Hình 4.17a Trƣớc 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 lƣợng trƣớc 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 Lƣu đồ thực hiện giải mã chập dự đoán.
Hình 4.27 Năng lƣợng của một điểm nguồn bị phân tán trên các bộ phận.
Hình 4.28 Dạng sóng thu đƣợc tƣơng đƣơng 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.
xii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tính chất dẫn điện của một số loại vật chất thƣờng gặp.
Bảng 2.2 So sánh các hệ thống GPR theo phƣơng pháp điều chế
xiii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMP Common MidPoint
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
GPR Ground Penetrating Radar
RMS Root Mean Square
SFCW Stepped Frequency Continuous Wave
xiv
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, nhu cầu khảo sát cũng nhƣ tìm kiếm mục tiêu dƣới lòng đất là rất cần
thiết. Chẳng hạn nhƣ tìm kiếm các khiếm khuyết địa chất dƣới 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 phƣơng pháp ra đời để giải quyết bài toán
này. Một trong những phƣơng pháp nổi trội là sử dụng Radar xuyên đất – Ground
Penetrating Radar (GPR).
Phƣơng pháp này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hƣớng vào lòng đất hay môi
trƣờng điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trƣờng thăm dò sẽ đƣợc thu nhận và
xử lý. Kết quả sau đó sẽ đƣợc hiển thị dƣới dạng hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều, từ đó
có thể đƣa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trƣờng đất khảo sát. Ƣu
điểm của phƣơng 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.
Phƣơng 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 nhƣ lấy mẫu, khuếch đại cao tần, tạo sóng, xử lý tín
hiệu, xử lý ảnh, hiển thị và anten. Thông thƣờng, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu
đƣợc trong môi trƣờng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng: 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 hƣớng nghiên cứu để cải thiện và nâng cao khả năng xử lý tín hiệu
của hệ thống radar xuyên đất. Việc này đã đƣợc nghiên cứu nhiều ở nƣớc ngoài, nhƣng ở
Việt Nam hiện nay hầu nhƣ có rất ít cá nhân và tổ chức nghiên cứu về hệ thống GPR cũng
nhƣ các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho hệ thống GPR này.
HVTH: Phan Văn Tuấn 1
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Chƣơng này sẽ trình bày tổng quan về Radar xuyên đất, lịch sử phát triển cũng nhƣ
sơ đồ tổng quát, các bộ phận cấu thành hệ thống. Bên cạnh đó, chƣơng 1 sẽ trình bày sơ
lƣợc 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 dƣới đất xuất hiện
trong một bằng sáng chế của Leimbach và Lowy, ngƣời Đức. Kỹ thuật của họ bao gồm
chôn những anten lƣỡng cực trong một dãy các lỗ khoan thẳng đứng và so sánh cƣờng độ
tín hiệu thu đƣợc khi các cặp anten lần lƣợt đƣợc sử dụng để phát và thu. Bằng cách này,
một ảnh thô có thể đƣợc tạo cho bất kỳ vùng nào trong dãy đó, nhờ vào độ dẫn suất của
nó cao hơn môi trƣờng xung quanh. Các tác giả này đã vạch ra một kỹ thuật khác, hoạt
động tách rời nhau, anten đƣợc đặt trên bề mặt để dò các phản xạ từ một bề mặt dƣới đất
hình thành bởi nƣớc ngầm hoặc từ một lớp trầm tích. Một sự mở rộng kỹ thuật này đã dẫn
đến phƣơng pháp biểu thị độ sâu của một bề mặt phân cách chôn dƣới 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 phƣơng pháp địa chấn, vì sự thực hiện các nguồn
định hƣớng dễ dàng hơn.
Những kỹ thuật dùng xung đƣợc phát triển từ những năm 1930 trở đi chỉ nhƣ là
một phƣơng pháp thăm dò, dùng để thăm dò độ sâu của băng, nƣớc ngọt, mỏ muối, hình
dạng cát sa mạc và đá. Thăm dò đá và than đá cũng đã đƣợc 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.
HVTH: Phan Văn Tuấn 2
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Mãi đến năm 1970, GPR mới đƣợc quan tâm trở lại khi những nghiên cứu về việc
đổ bộ lên mặt trăng đƣợc tiến hành. Đối với các ứng dụng này, một trong những ƣu điểm
của GPR hơn kỹ thuật địa chấn đã đƣợc khai thác, cụ thể là khả năng sử dụng từ xa, bộ
chuyển đổi năng lƣợng 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 đƣợc, bởi
vì tỷ lệ trở kháng điện môi giữa không gian tự do và vật liệu đất, thƣờng từ 2-4, rất nhỏ so
với tỷ lệ tƣơng ứng cho trở kháng âm thanh có hệ số thƣờng vào khoảng 100.
Từ những năm 1970 cho đến ngày nay, phạm vi của các ứng dụng GPR đƣợc mở
rộng đều đặn, và hiện nay bao gồm các lĩnh vực nhƣ kiểm tra không phá hủy cấu trúc xây
dựng và cao ốc, khảo cổ học, đánh giá chất lƣợng đƣờng bộ và đƣờng hầm, xác định vị trí
của những lỗ trống và các vật chứa, đƣờng hầm và giếng mỏ, phát hiện đƣờng ống và dây
cáp, cũng nhƣ viễn thám bằng vệ tinh. Thiết bị đƣợc thiết kế theo mục đích sử dụng của
mỗi ứng dụng này và ngƣời 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 đƣợc tóm lƣợc nhƣ sau:
- Radar dùng anten phát sóng điện từ, thƣờng là một chuỗi xung tƣơng đối hẹp,
hƣớng về mục tiêu. Sóng radar này sẽ bị mục tiêu chắn lại.
- Sóng bị chắn sẽ tạo sóng phản xạ theo nhiều hƣớng khác nhau.
- Những sóng điện từ phản xạ ngƣợc lại radar sẽ đƣợc anten thu nhận.
- Bộ thu của radar sẽ khuếch đại tín hiệu thu đƣợc và xử lý tín hiệu nhằm định vị và
thu thập nhiều thông tin hữu ích về mục tiêu.
HVTH: Phan Văn Tuấn 3
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Radar cơ bản.
Radar có thể dò tìm, xác định vận tốc tƣơng đối và định vị các mục tiêu ở các
khoảng cách gần xa khác nhau. Radar có nhiều kích thƣớc khác nhau, có thể cầm tay hoặc
có khi lớn bằng tòa nhà. Mục tiêu của radar rất đa dạng nhƣ máy bay, tàu bè, tên lửa, cũng
có thể là con ngƣời, những đặc điểm đất đai, biển, băng tuyết, sao băng, hành tinh và
những đối tƣợng dƣới lòng đất. Những radar đƣợc thiết kế tốt có thể xác định kích thƣớc
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 dƣới đất đã đƣợc 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 đƣợc xem là một sự lựa chọn đặc biệt hấp dẫn. Kĩ thuật này liên
quan đến truyền sóng điện từ trong môi trƣờng 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.
HVTH: Phan Văn Tuấn 4
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
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 đƣợc
thiết kế chủ yếu để định vị các vật thể hoặc các bề mặt phân cách chôn dƣới mặt đất, ...
Công nghệ Radar xuyên đất có những ứng dụng phong phú, việc định hƣớng và quan
điểm thiết kế, cũng nhƣ phần cứng, thƣờng phụ thuộc vào loại mục tiêu, vật liệu của mục
tiêu và môi trƣờng xung quanh nó. Khi công nghệ ngày càng hoàn thiện, phạm vi ứng
dụng của phƣơng 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 phƣơng 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 tƣ pháp, lực lƣợng an ninh, tình báo và khảo
cổ. Radar xuyên đất thƣờng đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ:
- 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 tƣ pháp, khảo sát đất bị ô nhiễm, khảo sát
điều kiện đƣờng xá.
- Để kiểm tra và đánh giá không phá huỷ: Chất lƣợng các công trình xây dựng, công
trình ngầm, cầu đƣờng, giao thông.
- Ngoài ra nó còn đƣợc sủ dụng trong lĩnh vực viễn thám máy bay và vệ tinh cũng
nhƣ giám sát và điều khiển các thiết bị tàu ngầm dƣới nƣớc hay trên các hành tinh.
HVTH: Phan Văn Tuấn 5
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
1.3) Nguyên lý hoạt động
Radar xuyên đất - GPR là một phƣơng 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 dƣới 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
dƣới lòng đất. Năng lƣợng phát ra từ anten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc
phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trƣờng, khi gặp dị thƣờng sẽ tạo ra các sóng
phản xạ và đƣợc 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 đƣợc tạo ra từ những mặt ranh giới trung gian môi trƣờng
địa chất, nên các sóng phản xạ thƣờng liên quan đến những điều kiện tạo thành tự nhiên
trong cấu trúc địa chất nhƣ: 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 nhƣ 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,…
HVTH: Phan Văn Tuấn 6
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHAN VĂN TUẤN
XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG RADAR
XUYÊN ĐẤT GPR
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số ngành: 605270
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HUỲNH PHÚ MINH CƢỜNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. LÊ CHÍ THÔNG
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
Ngày……tháng……năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. NGUYỄN MINH HO ÀNG
2. TS. HUỲNH PH Ú MINH CƢ ỜNG
3. TS. LÊ CHÍ THÔNG
4. TS. TRƢƠNG C ÔNG DU NG NG HI
5. TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA
TS. NG UYỄN MI NH HOÀ NG TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN VĂN TUẤN MSHV:11146095
Ngày, tháng, năm sinh: 16/10/1988 Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270
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 phƣơng 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
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
TP. Hồ Chí Minh, tháng … năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN TRƢỞNG KHOA TRƢỞNG BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký) TAO5 (Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
iii
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ
tôi thực hiện luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu tôi đã gặp không ít khó khăn, tuy
nhiên đƣợc thầy tận tình hƣớng dẫn nên tôi cũng đã hoàn thành đƣợc luận văn đúng thời
hạn. Một lần nữa xin đƣợc gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Quá trình học tập tại trƣờng 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 trƣờng 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 ngƣời
thân trong gia đình đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Học viên
Phan Văn Tuấn
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhu cầu khảo sát cũng nhƣ tìm kiếm mục tiêu dƣới lòng đất là rất cần
thiết. Chẳng hạn nhƣ tìm kiếm các khiếm khuyết địa chất dƣới 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 phƣơng pháp ra đời để giải quyết bài toán
này. Một trong những phƣơng pháp nổi trội là sử dụng Radar xuyên đất – Ground
Penetrating Radar (GPR). Thấy đƣợc sự cần thiết của phƣơng pháp này, ngƣời viết chọn
đề tài: “Xử lý tín hiệu trong hệ thống Radar xuyên đất GPR” để tìm hiều và nghiên cứu
nhằm nắm bắt cũng nhƣ cập nhật những kiến thức cần thiết trong việc xây dựng ứng dụng
vào lĩnh vực cụ thể.
Phƣơng pháp Radar xuyên đất này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hƣớng vào
lòng đất hay môi trƣờng điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trƣờng thăm dò sẽ
đƣợc thu nhận và xử lý. Kết quả sau đó sẽ đƣợc hiển thị dƣới dạng hình ảnh hai chiều
hoặc ba chiều, từ đó có thể đƣa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trƣờng
đất khảo sát. Ƣu điểm của phƣơng 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 thƣờng, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu đƣợc trong môi trƣờng có
nhiều yếu tố ảnh hƣởng: 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 hƣớng
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 phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong hệ thống
radar xuyên đất, trong đó tập trung vào các phƣơng 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.
v
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.
vi
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.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Học viên
Phan Văn Tuấn
vii
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
Chƣơng 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
Chƣơng 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 phƣơng nằm ngang ........................................................ 15
2.3.2) Độ phân giải theo phƣơng thẳng đứng ....................................................... 17
2.4) Các phƣơng pháp thu thập dữ liệu ..................................................................... 19
2.4.1) Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ .................................................................... 19
2.4.2) Phƣơng pháp chiếu sóng ............................................................................ 19
2.4.3) Phƣơng pháp phản xạ và khúc xạ rộng ...................................................... 20
2.5) Các hệ thống radar xuyên đất ............................................................................ 21
2.5.1) Hệ thống GPR xung ................................................................................... 21
viii
2.5.2) Hệ thống GPR tần số quét FMCW ............................................................. 22
2.5.3) Hệ thống GPR tần số bƣớc SFCW ............................................................. 23
Chƣơng 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 ƣu (Optimal Wiener Filter) ................................................ 36
3.7.3) Kỹ thuật di trú (Migration).......................................................................... 41
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ ............................................................. 49
4.1) Mô tả tín hiệu thu phát ....................................................................................... 50
4.2) Các phƣơng 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 phƣơng 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 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 99
ix
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 2.3 Độ phân giải hệ thống GPR.
Hình 2.4 Vùng phủ sóng của nguồn bức xạ đẳng hƣớng.
Hình 2.5 Chập vùng phủ sóng ăn anten với mục tiêu.
Hình 2.6 Tích chập các tín hiệu phản xạ của môi trƣờng đa lớp.
Hình 2.7 Phƣơng pháp mặt cắt phản xạ.
Hình 2.8 Phƣơng pháp chiếu sóng.
Hình 2.9 Phƣơng pháp phản xạ và khúc xạ rộng.
Hình 2.10 Phƣơng 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 bƣớc.
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 3.3 Xử lý DC.
Hình 3.4 Trƣớc khi áp dụng xóa bỏ Background.
Hình 3.5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background.
Hình 3.6 Tín hiệu gốc chƣa 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.
x
Hình 3.12 Sơ đồ bộ lọc tối ƣu 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 đƣợc sau khi phản xạ chỉ trên 1 trace.
Hình 4.3 Ảnh gốc thu đƣợc từ hệ thống GSSI.
Hình 4.4 Lƣu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí zero.
Hình 4.5 Dữ liệu trƣớc khi xử lý điều chỉnh vị trí zero.
Hình 4.6 Dữ liệu sau khi xử lý.
Hình 4.7 Lƣu đồ thực hiện xóa bỏ trace xấu.
Hình 4.8a Ảnh gốc trƣớc 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 thƣớc 3x3.
Hình 4.9b Lọc trung vị với kích thƣớc 10x10.
Hình 4.10 Ảnh chƣa qua xử lý xóa bỏ Background.
Hình 4.11 Ảnh đã qua xử lý xóa bỏ Background.
Hình 4.12 Lƣu đồ thực hiện quá trình lọc Dewow.
Hình 4.13a Ảnh gốc chƣa xử lý Dewow.
Hình 4.13b Ảnh sau khi qua xử lý lọc Dewow.
Hình 4.14 Lƣu đồ thực hiện khuếch đại AGC.
Hình 4.15a Trƣớc khi xử lý AGC.
Hình 4.15b Sau khi đƣợc khuếch đại AGC.
Hình 4.16 Biên độ trƣớc và sau khi khuếch đại AGC.
xi
Hình 4.17a Trƣớc 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 lƣợng trƣớc 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 Lƣu đồ thực hiện giải mã chập dự đoán.
Hình 4.27 Năng lƣợng của một điểm nguồn bị phân tán trên các bộ phận.
Hình 4.28 Dạng sóng thu đƣợc tƣơng đƣơng 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.
xii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tính chất dẫn điện của một số loại vật chất thƣờng gặp.
Bảng 2.2 So sánh các hệ thống GPR theo phƣơng pháp điều chế
xiii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMP Common MidPoint
FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
GPR Ground Penetrating Radar
RMS Root Mean Square
SFCW Stepped Frequency Continuous Wave
xiv
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, nhu cầu khảo sát cũng nhƣ tìm kiếm mục tiêu dƣới lòng đất là rất cần
thiết. Chẳng hạn nhƣ tìm kiếm các khiếm khuyết địa chất dƣới 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 phƣơng pháp ra đời để giải quyết bài toán
này. Một trong những phƣơng pháp nổi trội là sử dụng Radar xuyên đất – Ground
Penetrating Radar (GPR).
Phƣơng pháp này sử dụng sóng điện từ tần số cao phát hƣớng vào lòng đất hay môi
trƣờng điện môi cần khảo sát , sóng phản xạ từ môi trƣờng thăm dò sẽ đƣợc thu nhận và
xử lý. Kết quả sau đó sẽ đƣợc hiển thị dƣới dạng hình ảnh hai chiều hoặc ba chiều, từ đó
có thể đƣa ra những dự đoán vật thể hiện diện bên trong môi trƣờng đất khảo sát. Ƣu
điểm của phƣơng 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.
Phƣơng 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 nhƣ lấy mẫu, khuếch đại cao tần, tạo sóng, xử lý tín
hiệu, xử lý ảnh, hiển thị và anten. Thông thƣờng, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu
đƣợc trong môi trƣờng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng: 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 hƣớng nghiên cứu để cải thiện và nâng cao khả năng xử lý tín hiệu
của hệ thống radar xuyên đất. Việc này đã đƣợc nghiên cứu nhiều ở nƣớc ngoài, nhƣng ở
Việt Nam hiện nay hầu nhƣ có rất ít cá nhân và tổ chức nghiên cứu về hệ thống GPR cũng
nhƣ các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho hệ thống GPR này.
HVTH: Phan Văn Tuấn 1
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Chƣơng này sẽ trình bày tổng quan về Radar xuyên đất, lịch sử phát triển cũng nhƣ
sơ đồ tổng quát, các bộ phận cấu thành hệ thống. Bên cạnh đó, chƣơng 1 sẽ trình bày sơ
lƣợc 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 dƣới đất xuất hiện
trong một bằng sáng chế của Leimbach và Lowy, ngƣời Đức. Kỹ thuật của họ bao gồm
chôn những anten lƣỡng cực trong một dãy các lỗ khoan thẳng đứng và so sánh cƣờng độ
tín hiệu thu đƣợc khi các cặp anten lần lƣợt đƣợc sử dụng để phát và thu. Bằng cách này,
một ảnh thô có thể đƣợc tạo cho bất kỳ vùng nào trong dãy đó, nhờ vào độ dẫn suất của
nó cao hơn môi trƣờng xung quanh. Các tác giả này đã vạch ra một kỹ thuật khác, hoạt
động tách rời nhau, anten đƣợc đặt trên bề mặt để dò các phản xạ từ một bề mặt dƣới đất
hình thành bởi nƣớc ngầm hoặc từ một lớp trầm tích. Một sự mở rộng kỹ thuật này đã dẫn
đến phƣơng pháp biểu thị độ sâu của một bề mặt phân cách chôn dƣới 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 phƣơng pháp địa chấn, vì sự thực hiện các nguồn
định hƣớng dễ dàng hơn.
Những kỹ thuật dùng xung đƣợc phát triển từ những năm 1930 trở đi chỉ nhƣ là
một phƣơng pháp thăm dò, dùng để thăm dò độ sâu của băng, nƣớc ngọt, mỏ muối, hình
dạng cát sa mạc và đá. Thăm dò đá và than đá cũng đã đƣợc 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.
HVTH: Phan Văn Tuấn 2
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Mãi đến năm 1970, GPR mới đƣợc quan tâm trở lại khi những nghiên cứu về việc
đổ bộ lên mặt trăng đƣợc tiến hành. Đối với các ứng dụng này, một trong những ƣu điểm
của GPR hơn kỹ thuật địa chấn đã đƣợc khai thác, cụ thể là khả năng sử dụng từ xa, bộ
chuyển đổi năng lƣợng 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 đƣợc, bởi
vì tỷ lệ trở kháng điện môi giữa không gian tự do và vật liệu đất, thƣờng từ 2-4, rất nhỏ so
với tỷ lệ tƣơng ứng cho trở kháng âm thanh có hệ số thƣờng vào khoảng 100.
Từ những năm 1970 cho đến ngày nay, phạm vi của các ứng dụng GPR đƣợc mở
rộng đều đặn, và hiện nay bao gồm các lĩnh vực nhƣ kiểm tra không phá hủy cấu trúc xây
dựng và cao ốc, khảo cổ học, đánh giá chất lƣợng đƣờng bộ và đƣờng hầm, xác định vị trí
của những lỗ trống và các vật chứa, đƣờng hầm và giếng mỏ, phát hiện đƣờng ống và dây
cáp, cũng nhƣ viễn thám bằng vệ tinh. Thiết bị đƣợc thiết kế theo mục đích sử dụng của
mỗi ứng dụng này và ngƣời 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 đƣợc tóm lƣợc nhƣ sau:
- Radar dùng anten phát sóng điện từ, thƣờng là một chuỗi xung tƣơng đối hẹp,
hƣớng về mục tiêu. Sóng radar này sẽ bị mục tiêu chắn lại.
- Sóng bị chắn sẽ tạo sóng phản xạ theo nhiều hƣớng khác nhau.
- Những sóng điện từ phản xạ ngƣợc lại radar sẽ đƣợc anten thu nhận.
- Bộ thu của radar sẽ khuếch đại tín hiệu thu đƣợc và xử lý tín hiệu nhằm định vị và
thu thập nhiều thông tin hữu ích về mục tiêu.
HVTH: Phan Văn Tuấn 3
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Radar cơ bản.
Radar có thể dò tìm, xác định vận tốc tƣơng đối và định vị các mục tiêu ở các
khoảng cách gần xa khác nhau. Radar có nhiều kích thƣớc khác nhau, có thể cầm tay hoặc
có khi lớn bằng tòa nhà. Mục tiêu của radar rất đa dạng nhƣ máy bay, tàu bè, tên lửa, cũng
có thể là con ngƣời, những đặc điểm đất đai, biển, băng tuyết, sao băng, hành tinh và
những đối tƣợng dƣới lòng đất. Những radar đƣợc thiết kế tốt có thể xác định kích thƣớc
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 dƣới đất đã đƣợc 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 đƣợc xem là một sự lựa chọn đặc biệt hấp dẫn. Kĩ thuật này liên
quan đến truyền sóng điện từ trong môi trƣờng 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.
HVTH: Phan Văn Tuấn 4
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
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 đƣợc
thiết kế chủ yếu để định vị các vật thể hoặc các bề mặt phân cách chôn dƣới mặt đất, ...
Công nghệ Radar xuyên đất có những ứng dụng phong phú, việc định hƣớng và quan
điểm thiết kế, cũng nhƣ phần cứng, thƣờng phụ thuộc vào loại mục tiêu, vật liệu của mục
tiêu và môi trƣờng xung quanh nó. Khi công nghệ ngày càng hoàn thiện, phạm vi ứng
dụng của phƣơng 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 phƣơng 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 tƣ pháp, lực lƣợng an ninh, tình báo và khảo
cổ. Radar xuyên đất thƣờng đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ:
- 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 tƣ pháp, khảo sát đất bị ô nhiễm, khảo sát
điều kiện đƣờng xá.
- Để kiểm tra và đánh giá không phá huỷ: Chất lƣợng các công trình xây dựng, công
trình ngầm, cầu đƣờng, giao thông.
- Ngoài ra nó còn đƣợc sủ dụng trong lĩnh vực viễn thám máy bay và vệ tinh cũng
nhƣ giám sát và điều khiển các thiết bị tàu ngầm dƣới nƣớc hay trên các hành tinh.
HVTH: Phan Văn Tuấn 5
Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn
1.3) Nguyên lý hoạt động
Radar xuyên đất - GPR là một phƣơng 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 dƣới 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
dƣới lòng đất. Năng lƣợng phát ra từ anten phát, lan truyền vào trong lòng đất với vận tốc
phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trƣờng, khi gặp dị thƣờng sẽ tạo ra các sóng
phản xạ và đƣợc 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 đƣợc tạo ra từ những mặt ranh giới trung gian môi trƣờng
địa chất, nên các sóng phản xạ thƣờng liên quan đến những điều kiện tạo thành tự nhiên
trong cấu trúc địa chất nhƣ: 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 nhƣ 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,…
HVTH: Phan Văn Tuấn 6