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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Quảng Dương Đại Vương

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

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử (hướng kỹ thuật)
Mã số chuyên ngành: 60 44 03 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ
(HƯỚNG KỸ THUẬT)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI HỮU PHÚ

Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2012


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

MỤC LỤC

MỤC LỤC.............................................................................................................. 1 
CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................................. 4 
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... 5 
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 6 
Chương 1. 

TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT .................................. 13 

1.1 

Lịch sử phát triển...................................................................................... 13 

1.2 

Giới thiệu chung về radar xuyên đất ......................................................... 15 

1.3 

Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 16 

Chương 2. 

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

2.1 

Sóng điện từ - Phương trình Maxwell ....................................................... 19 

2.2 

Tính chất của vật liệu ............................................................................... 21 

2.3 

Sự truyền sóng của trường điện từ ............................................................ 22 

2.4 

Tính chất của sóng.................................................................................... 25 

2.5 

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

2.6 

Độ phân giải và vùng tác động ................................................................. 28 

2.7 

Sự suy hao tán xạ ..................................................................................... 30 

2.8 

Vận tốc truyền .......................................................................................... 31 

2.9 

Tiêu chuẩn lấy mẫu .................................................................................. 32 

Chương 3. 

CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT

GPR

34 
 

1


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

3.1 

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

3.1.1 

Dynamic range ................................................................................... 35 

3.1.2 

Băng thông ........................................................................................ 35 

3.1.3 

Range resolution ................................................................................ 36 

3.1.4 

Unambiguous range ........................................................................... 36 

3.1.5 

Tiêu chuẩn thiết kế cho GPR.............................................................. 37 

3.2 

Pulse GPR ................................................................................................ 38 

3.2.1 

Tổng quan .......................................................................................... 38 

3.2.2 

Chu kỳ, độ rộng xung và băng thông .................................................. 40 

3.2.3 

Các thông số thiết kế hệ thống ........................................................... 41 

3.2.4 

Ưu nhược điểm .................................................................................. 43 

3.3 

FMCW GPR ............................................................................................. 43 

3.3.1 

Tổng quan .......................................................................................... 43 

3.3.2 

Băng thông, chu kỳ ............................................................................ 45 

3.3.3 

Time-of-fly, tần số fB ......................................................................... 46 

3.3.4 

Phổ tín hiệu IF ................................................................................... 47 

3.3.5 

So sánh FMCW radar và Pulse radar .................................................. 49 

3.4 

SFCW GPR .............................................................................................. 52 

3.4.1 

Tổng quan .......................................................................................... 52 

3.4.2 

Pha tần số .......................................................................................... 54 

3.4.3 

Băng thông ........................................................................................ 56 

3.4.4 

Bước tần số ........................................................................................ 56 

3.4.5 

So sánh SFCW radar với FMCW radar và Pulse radar ....................... 57 
 
2


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

Chương 4. 

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THỰC HIỆN TRÊN MATLAB
60 

4.1 

FMCW GPR ............................................................................................. 61 

4.1.1 

Cơ sở lý thuyết................................................................................... 61 

4.1.2 

Sơ đồ khối FMCW radar .................................................................... 62 

4.1.3 

Chương trình mô phỏng matlab ......................................................... 63 

4.2 

SFCW GPR .............................................................................................. 66 

4.2.1 

Cơ sở lý thuyết................................................................................... 66 

4.2.2 

Sơ đồ khối ......................................................................................... 68 

4.2.3 

Chương trình mô phỏng matlab ......................................................... 68 

4.3 

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

4.3.1 

Độ sâu ............................................................................................... 71 

4.3.2 

Công suất-độ sâu ............................................................................... 75 

4.3.3 

Công suất-tần số ................................................................................ 76 

4.3.4 

Bước tần số ........................................................................................ 77 
.......................................................................................................... 81 

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 82
 
 
 
 

 
3


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

CÁC TỪ VIẾT TẮT
 
RADAR 

Radio Detection and Ranging 

GPR  

Ground Penetrating Radar 

FMCW 

Frequency Modulated Continuous Wave 

SFCW 

Stepped Frequency Continuous Wave 

EM 

Electromagnetic 

PRI 

Pulse Repetition Interval 

PRF 

Pulse Repetition Frequency 

ADC 

Analog Digital Converter 

EST 

Equivalent Time Sampling 

LPF 

Low Pass Filter 

B 

Bandwith 

FFT 

Fast Fourier Transform 

IFFT 

Inverse Fast Fourier Transform 

 
 
 
 

 
4


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Sơ đồ hoạt động tổng quát Radar xuyên đất

Hình 1-2: Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất
 
Hình 1-3: Đường cong thời gian truyền của mỗi dạng sóng
Hình 2-1: Hướng truyền sóng EM trong không gian
Hình 2-2: Phương truyền của sóng
Hình 2-3: Quá trình truyền sóng EM tại một vận tốc xác định và có biên độ giảm dần.
Hình 2-4: Hướng truyền sóng của trường EM
Hình 2-5: Độ Phân giải của GPR.
Hình 2-6: Độ rộng xung tại một nữa biên độ.
Hình 2-7: Tín hiệu bị tán xạ trong vật liệu truyền.
Hình 3-1: Sơ đồ khối Pulse GPR
Hình 3-2: Chuỗi xung của Pulse GPR
Hình 3-3: Chuỗi xung truyền và nhận của Pulse GPR
Hình 3-4: Sơ đồ khối của FMCW GPR
Hình 3-5: Tín hiệu FMCW
Hình 3-6: Khoảng cách từ bộ phát và thu tới mục tiêu
Hình 3-7: Tín hiệu truyền và nhận FMCW GPR
Hình 3-8: Tín hiệu truyền và nhận trong Pulse GPR.
Hình 3-9: Tín hiệu truyền và nhận trong FMCW GPR
Hình 3-10: Sơ đồ khối của SFCW GPR
Hình 3-11: Tín hiệu SFCW GPR
Hình 3-12: Bộ Quadrature Mixer
Hình 4-1: Truyền và nhận tín hiệu tại các vị trí quan sát
Hình 4-2: Hình ảnh biểu diễn tín hiệu thu được
Hình 4-3: Sơ đồ khối hoạt động của FMCW GPR
Hình 4-4: Giao diện chính chương trình mô phỏng
Hình 4-5: Giao diện mô phỏng FMCW GPR
Hình 4-6: Tín hiệu nhận được ở độ sâu 5m
Hình 4-7: Biên độ tín hiệu ở offset 30
Hình 4-8: Sơ đồ khối hoạt động bộ phát SFCW GPR

Hình 4-9: Sơ đồ khối hoạt động bộ thu SFCW GPR
Hình 4-10: Giao diện chương trình mô phỏng SFCW GPR
Hình 4-11: Tín hiệu thu được ở độ sâu 5m bằng mô phỏng SFCW GPR
Hình 4-12: Biên độ tín hiệu ở offset 30
Hình 4-13: Giao diện chương trình mô phỏng SFCW GPR theo độ sâu
Hình 4-14: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m
Hình 4-15: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5.5m
Hình 4-16: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m và 5.5m
Hình 4-17: Sự phụ thuộc công suất nhận theo độ sâu
Hình 4-18: Mối quan hệ giữa công suất nhận theo tần số
Hình 4-19: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=1MHz
Hình 4-20: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=4MHz
Hình 4-21: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=8MHz
 
Hình 4-22: Tín hiệu thu được qua mô phỏng SFCW GPR ở độ sâu 5m, Δf=15MHz
Hình 4-23: Đáp ứng  xung của SFCW GPR tại Δf=15MHz

 
5


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

 

LỜI MỞ ĐẦU
Khả năng quan sát, nắm bắt được các tầng địa chất dưới mặt đất là một đề tài 
thú vị thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Có rất nhiều phương pháp thăm dò 
dưới   mặt  đất  khác  nhau  được  đưa  ra  như  là  phương  pháp  địa  chấn,  điện  trở  suất, 
khảo sát trọng lực, khảo sát từ, bức xạ, … mỗi kỹ thuật có mặt mạnh cũng như mặt 

 
hạn  chế  riêng  tùy  vào  từng  ứng  dụng  của  nó.  Phương  pháp  radar  xuyên  đất  GPR 
 
(Ground penetrating radar) được đưa ra cho mục tiêu 
khảo sát các tầng địa chất là 
một giải pháp có rất nhiều ưu điểm nổi trội. 
 
Radar xuyên đất là một phương pháp địa vật lý thông dụng được sử dụng rộng 
rãi trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong lĩnh vực địa kỹ thuật, khảo cổ. Nó có nhiều 
thuận lợi như dễ di chuyển, không phá hủy, tốc độ xử lý nhanh, độ phân giải cao, … 
Một  ưu điểm  nổi  trội  nữa của  Radar  xuyên  đất  khiến  nó  trở  thành  tâm  điểm 
của mọi sự lựa chọn đó là khảo sát, dò tìm nhưng không phá hủy và thâm nhập vào 
công trình khác với các phương pháp truyền thống. Các phương pháp truyền thống 

 
6


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

đòi hỏi đập phá lấy mẫu, đo đạc, …gây hư hỏng cho các công trình đặc biệt là các 
công trình xây dựng và khảo cổ. 
Những năm gần đây trong nước ta xảy ra rất nhiều hiện tượng địa chất, gọi là 
tai biến địa chất như sụp lún, vết nứt địa chất, sạt lở ở các bờ sông…, ảnh hưởng rất 
nhiều đến đời sống xã hội. Thực tế đã xảy ra nhiều vụ sụp lún trong một số khu dân 
cư như vụ sụp lún ở phường Phước Long A, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh năm 
2005 làm hàng chục nhà cửa và đất vườn bị sụp lún nghiêm trọng. Kế đến là hiện 
tượng  sụp  lún  các  công  trình  giao  thông  đô  thị  mà  gần  đây  báo  chí  gọi  là  “hố  tử 
thần”, đã gây ra những vụ tai nạn đáng tiếc cho người đi đường và người dân sống 
quanh đó. Các hố tử thần này vẫn xuất hiện ngày một nhiều hơn ở một số nơi ở Hà 

Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh với mật độ dày hơn và nguy hiểm hơn. Biện pháp duy 
nhất  để  hạn  chế  sự xuất  hiện  của  hố  tử thần  là  phải  rà  soát,  kiểm  tra  trên  bề  mặt, 
khảo sát các tuyến đường xem có vết nứt hay không, nước có ngấm xuống dưới hay 
không, …Radar xuyên đất được xem là một giải pháp tối ưu được sử dụng để khảo 
sát. Về lâu dài cần tìm được nguyên nhân và xác định được vị trí chính xác của các 
tai  biến  địa  chất  này,  trước  hết  phải  hiểu  rõ  các  đặc  tính  môi  trường  địa  chất,  địa 
tầng, tính chất cơ, hóa, …Radar xuyên đất cũng là một  giải pháp đầy hứa hẹn cho 
việc thăm dò khảo sát trong long đất, chỉ ra những dị thường trong lòng đất. 
Trên lãnh thổ Việt Nam, kể từ sau chiến tranh kết thúc tới nay, bom mìn vẫn 
còn chôn vùi trong lòng đất khá nhiều rải rác từ Nam ra Bắc, gây ra những tai nạn 
cho  người  dân  vô  tình  đạp  phải.  Để  giảm  mức  nguy  hại  do  bom  mìn  gây  ra  cho 
người dân trong thời bình này, các nhà khoa học đã tiến hành đề xuất các robot dò 
bom  mìn để phát hiện và gỡ bom mìn. Công nghệ radar xuyên đất một lần nữa lại 
khẳng định được vai trò và vị trí của nó trong việc dò tìm và phát hiện bom mìn. 
Tình hình chung ở Việt Nam hiện nay hầu hết các thiết bị máy móc đều được 
mua từ nước ngoài với giá thành khá cao hoặc mượn máy móc từ các tổ chức nước 
ngoài  về  kiểm  tra,  khảo  sát. Điều  này  gây  rất  nhiều  trở  ngại  về  thời  gian, tiền  bạc 
 
7


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

cũng như tính chủ động trong công việc hay nghiên cứu. Nhằm mục đích góp phần 
vào nghiên cứu tính khả thi của việc chế tạo một máy dò tìm sử dụng kỹ thuật radar 
xuyên đất giá thành thấp hơn phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam, học viên đã bắt tay 
vào  tìm  hiểu  hệ  thống  radar  xuyên  đất  và  đặc  biệt  là  các  kỹ  thuật  điều  chế  dùng 
trong radar xuyên  đất. 
Trong  khuôn  khổ  luận  văn  tốt  nghiệp,  học  viên  đã  nghiên  cứu,  tìm  tòi,  tham 
khảo các tài liệu  khác nhau  và xây dựng nên  chương trình  mô phỏng các  kỹ thuật 

điều chế thường hay sử dụng trong radar xuyên đất bằng Matlab. Những nghiên cứ 
trong luận văn này góp phần đưa ra một cái nhìn tổng quan hơn về các kỹ thuật điều 
chế  trong  GPR  và  bước  đầu  thiết  kế  một  bộ  truyền  phát  tín  hiệu  dùng  cho  GPR 
trong những nghiên cứu sau này. 
 GPR (Ground Penetrating Radar) - Radar xuyên đất là một phương pháp địa 
lý ứng dụng các nguyên lý của sóng điện từ ở dải tần số rất cao (1-1000MHz) phát 
vào bên dưới mặt đất  và thu lại sóng phản hồi, từ đó ta phân tích các đặc tính vật 
chất  bên  dưới  lòng  đất.  Có  nhiều  kỹ  thuật  điều  chế  khác  nhau  dùng  trong  radar 
xuyên đất như kỹ thuật radar xung, kỹ thuật FMCW, SFCW …Tác  giả sẽ lần lượt 
giới thiệu từng loại kỹ thuật điều chế, các đặc tính của mỗi kỹ thuật, các ưu, nhược 
điểm  và  so  sánh  các  kỹ  thuật  điều  chế  này  với  nhau,  cuối  cùng  tác  giả  mô  phỏng 
bằng  chương  trình  matlab  trong  một  ứng  dụng  quan  sát  vật  chôn  dưới  mặt  đất  cụ 
thể. 
Để thực hiện đề tài này, bước đầu tác giả đã nghiên cứu một cách toàn diện và 
chi tiết về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động của hệ thống Radar xuyên đất cũng 
như các ưu, khuyết điểm của phương pháp. Tiếp đến, tác giả đi tìm hiểu các phương 
pháp điều chế thường được sử dụng trong Radar xuyên đất trên thế giới hiện có. Để 
có được những kiến thức này, tác giả tham gia hội nghị về Radar xuyên đất do Cty 
Mala  tổ  chức  ở  trường  ĐHKHTN  TPHCM  nhằm  có  cái  nhìn  tổng  quan  hơn  về 
Radar xuyên đất, bên cạnh đó tác giả tham gia cùng đi đo đạc thực tế cùng nhóm đo 
 
8


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

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

phương pháp như thế nào ... Cuối cùng là tiến hành xây dựng thuật toán thực hiện 
và chương trình Matlab mô phỏng các phương pháp điều chế đó. 
 
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận văn này sẽ bao gồm 
những phần sau : 
Chương 1: Tổng quan về GPR
Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất GPR, về lịch sử phát 
triển,  cho  người  đọc  có  cái  nhìn  tổng  quan  về  Radar  xuyên  đất.  Ngoài  ra,  chương 
này cũng đưa ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống Radar, các bộ phận cấu thành hệ 
thống.  Sau  đó,  sẽ  trình  bày  sơ  lược  về  kỹ  thuật  Radar  xuyên  đất,  nguyên  tắc  hoạt 
động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất nằm 
dưới bề mặt trái đất. 
 
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của GPR
Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường 
nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản 
xạ,  khúc  xạ,  tán  xạ,  suy  hao,  hấp  thụ,  …  của  các  vật  cản  hay  nguồn  điện  trường 
khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách 
tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm 
lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và độ phân 
giải, vận tốc truyền dưới môi trường điện môi.  
 
Chương 3: Các kỹ thuật điều chế dùng trong GPR
Chương này đi vào phân tích khái quát ba loại kỹ thuật điều chế thường được 
dùng  trong  radar  xuyên  đất  hiện  nay  bao  gồm  các  kỹ  thuật:  radar  xung,  FMCW, 
 
9


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

SFCW. Chương này chủ yếu trình bày về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động, các 
phép  toán  và  sơ  đồ  tổng  quan  của  các  kỹ  thuật  điều  chế,  giúp  cho  việc  thực  hiện 
chương trình mô phỏng bằng Matlab trong chương sau. 
  
Chương 4: Mô phỏng kết quả thực hiện trên Matlab
Chương này sẽ đi vào mô phỏng một ứng dụng cụ thể của GPR, quan sát một 
vật chôn sâu dưới lòng đất bằng Matlab. Các loại phương pháp điều chế ảnh hưởng 
tới  kết  quả  tín  hiệu  thu  được  cũng  như  các  yếu  tố  trong  một  phương  pháp  ảnh 
hưởng đến khả năng hoạt động của hệ thống. Tác giả sẽ tập trung vào hai kỹ thuật 
thường  hay  dùng  trong  radar  xuyên  đất,  đó  là  phương  pháp  FMCW,  SFCW  GPR. 
Tùy  vào  loại  dữ  liệu  thu  được  trong  miền  thời  gian  hay  miền  tần  số  mà  ta  có  thể 
phân ra thành hai loại là điều chế trong miền thời gian và điều chế trong miền tần 
số. Radar có dữ liệu đạt được trong miền thời gian được biết đến là radar xung, và 
radar có dữ liệu đạt được trong miền tần số được biết đến là FMCW và SFCW. Đây 
là phần nội dung chính của đề tài, là bước đầu để sau này phát triển thành một bộ 
thu phát tín hiệu dùng trong GPR. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10

HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

 
 
 

LỜI CẢM ƠN

 
  
 

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: 
TS. Bùi Hữu Phú, là giảng viên trực tiếp hướng dẫn. Thầy đã tạo điều kiện và 

 
giúp đỡ tôi hết mức trong quá trình làm luận văn. Dù rất bận rộn nhưng thầy luôn 
sắp  xếp  thời  gian  để  gặp  gỡ  tôi  hàng  tuần.  Thầy  đã  tận  tình  xem  xét  tình  hình, 
hướng  dẫn,  giúp  đỡ,  truyền  đạt  kiến  thức  và  phương  pháp  nghiên  cứu,  cung  cấp 
nhiều tài liệu hữu ích cho tôi. Những lời động viên nhắc nhở thường xuyên của thầy 
đã giúp cho tôi rất nhiều trong quá trình hoàn tất luận văn. 
Quý thầy cô trong khoa Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại Học Khoa Học Tự 
Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích trong 
suốt khóa học. 
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp 
đã quan tâm, đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn tất luận văn. 

 

Xin chân thành cảm ơn 

 

Quảng Dương Đại Vương 

 

 
 

 
12


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN
ĐẤT
Đây là chương giới thiệu tổng quan về Radar xuyên đất, về lịch sử phát triển, 
cho  người  đọc  có  cái  nhìn  tổng  quan  về  Radar  xuyên  đất.  Ngoài  ra,  chương  này 
cũng  đưa  ra  sơ  đồ  tổng  quát  của  một  hệ  thống  Radar,  các  bộ  phận  cấu  thành  hệ 
thống. Sau đó, tác giả sẽ trình bày sơ lược về kĩ thuật Radar xuyên đất, nguyên tắc 
hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng, lợi ích của nó trong việc dò tìm các vật chất 
nằm dưới bề mặt trái đất. 
 
1.1 Lịch sử phát triển
Việc  sử  dụng  các  tín  hiệu  điện  từ  đầu  tiên  để  xác  định  sự  hiện  diện  của  vật 
bằng  kim loại từ xa trên đất liền được Hulsmeyer đưa ra vào năm 1904, nhưng sự 
mô  tả  đầu  tiên  của  nó  sử dụng  cho  xác  định  vị  trí  của  các  đồ  vật  được  chôn  xuất 
hiện sáu năm sau đó bởi một sáng chế của Leimbach và Lowy người Đức. Kỹ thuật 

của họ bao gồm chôn một anten lưỡng cực  trong một dãy các lỗ khoan thẳng đứng 
và so sánh các biên độ của tín hiệu nhận được khi các cặp antenna liên tiếp được sử 
dụng để truyền  và nhận. Bằng cách này, một hình ảnh thô có thể được hình thành 
trong khu vực bất kỳ trong mảng đó. 
 Các tác giả này mô tả một kỹ thuật thay thế, mà được sử dụng riêng biệt, bề 
mặt  được  gắn  ăng  ten  để  phát  hiện  các  phản  xạ  từ  một  giao  diện  dưới  bề  mặt  do 
nước ngầm hoặc  quặng của một quặng sắt. Một phần mở rộng của kỹ thuật này đã 
dẫn đến  một biểu thị độ sâu  của  một  giao diện vật được chôn, thông qua  kiểm tra 
giao  thoa  giữa  các  sóng  phản  xạ  và  rò  rỉ  trực  tiếp  giữa  các  ăng-ten  trên  mặt  đất. 
Tính  năng  chính  của  việc  này,  cụ  thể  là  hoạt  động  sóng  liên  tục  CW  (Continuous 
Wave), sử dụng che chắn hoặc các hiệu ứng nhiễu xạ do các tính năng dưới đất, và 
 
13


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

sự phụ thuộc vào các biến thể dẫn xuất tạo ra tán xạ, đã được đưa ra trong một số 
bằng sáng chế khác, bao gồm một số dành cho các ứng dụng ngập nước hoàn toàn 
trong hầm mỏ.  
Nghiên cứu của Hiilsenbeck năm 1926 đưa ra đầu tiên sử dụng kỹ thuật xung 
để xác định cấu trúc các vật được chôn. Ông lưu ý rằng bất kỳ sự thay đổi chất điện 
môi, không nhất thiết liên quan đến dẫn xuất, cũng sẽ tạo ra sự phản xạ dễ dàng hơn 
trên các nguồn hướng, có lợi thế hơn các phương pháp địa chấn. 
Kỹ thuật xung được phát triển từ những năm 1930 trở đi như một phương tiện 
thăm dò độ sâu đáng kể trong băng, nước ngọt, quặng muối, cát sa mạc và các vật 
có  hình  dạng  đá.  Thăm  dò  than  đá  cũng  đã  được  nghiên  cứu  bởi  Cook,  Roe  và 
Ellerbruch, mặc dù độ suy giảm cao hơn trong các tài liệu sau này, có nghĩa là có độ 
sâu  lớn  hơn  vài  mét  đã  không  thực  tế.  Một  phần  mở  rộng  hơn  lịch  sử  của  Radar 
xuyên  đất  GPR  (Ground  Penetrating  Radar)  và  sự  phát  triển  của  nó  cho  đến  giữa 

thập niên 1970 được đưa ra bởi Nilsson. 
Sự quan tâm đổi mới trong các chủ đề được đưa ra trong đầu những năm 1970 
khi nghiên cứu mặt trăng và đổ bộ lên mặt trăng đã được tiến hành. Đối với các ứng 
dụng  này,  một  trong  những  lợi  thế  của  GPR  hơn  kỹ  thuật  địa  chấn  đã  được  khai 
thác,  cụ  thể  là  khả  năng  sử  dụng  từ  xa,  bộ  chuyển  đổi  không  tiếp  xúc  của  năng 
lượng bức xạ, thay vì mặt đất liên hệ với các loại cần thiết cho điều tra địa chấn.  
Từ  những  năm  1970  cho  đến  ngày  nay,  một  loạt  các  ứng  dụng  đã  được  mở 
rộng  đều  đặn, bao  gồm  xây  dựng  và  thử nghiệm  cấu  trúc  không  phá  hủy,  khảo  cổ 
học, đường xá và đánh giá chất lượng đường hầm, vị trí của khoảng trống và các vật 
chứa,  đường  ống  và  phát  hiện  dây  cáp,  cũng  như  viễn  thám  bằng  vệ  tinh…  Mục 
đích xây dựng thiết bị cho mỗi các ứng dụng này đang được phát triển và người sử 
dụng hiện nay có một lựa chọn tốt hơn các thiết bị và kỹ thuật. 

 
14


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

1.2 Giới thiệu chung về radar xuyên đất
Khả năng phát hiện ra các đối tượng được chôn dưới đất từ lâu đã được quan 
tâm  qua  nhiều  thế  kỷ.  Một  kỹ  thuật  mà  có  thể  làm  sáng  tỏ  vật  dưới  bề  mặt  đất  là 
một thử thách đáng kể hấp dẫn các nhà khoa học nỗ lực nghiên cứu các kỹ thuật để 
đề ra phương pháp thăm dò phù hợp. 
Có nhiều phương pháp khác nhau dùng để quan sát các vật dưới lớp bề mặt đất 
như phương pháp địa chấn, điện trở suất, độ phân cực, khảo sát trọng lực, khảo sát 
từ, phương pháp nucleonic, bức xạ, thermographic và phương pháp điện từ…, mỗi 
phương pháp có ưu điểm riêng. 
 Phương  pháp  Radar  xuyên  đất  GPR  (Ground  Penetrating  Radar)  dùng  để 
thăm dò lớp dưới bề mặt trái đất là một lựa chọn đặc biệt thu hút đối với các kỹ sư 

và các nhà khoa học ứng dụng ở điểm nó bao trùm một loạt các chuyên ngành như 
truyền  sóng  điện  từ,  điện  suy  hao  trong  truyền  thông,  công  nghệ  anten  ultra 
wideband và thiết kế các hệ thống radar, xử lý tín hiệu dạng sóng và xử lý hình ảnh 
biệt  thức.  Hầu  hết  các  GPR  là  một  ứng  dụng  cụ  thể  của  công  nghệ  radar  ultra 
wideband impulse.  
Thuật  ngữ  “Ground  Penetrating  Radar  (GPR)”,  hay  “Groud  Probing  Radar”, 
hay  “sub  –  surface  radar”  hoặc  “surface-penetrating  radar  (SPR)”  đều  đề  cập  cho 
một loạt các  kỹ thuật điện từ trường được thiết kế chủ yếu cho xác định  vị trí của 
đối tượng hoặc các vật được chôn bên dưới bề mặt của trái đất hoặc nằm trong một 
cấu trúc nhìn không rõ. Các công nghệ của GPR phần lớn được ứng dụng theo định 
hướng và thiết kế triết lý tổng thể, cũng như các phần cứng, thường phụ thuộc vào 
loại mục tiêu và nguyên liệu của các mục tiêu và môi trường xung quanh nó. Phạm 
vi của các ứng dụng cho phương pháp GPR rộng và sự tinh tế của các kỹ thuật phục 
hồi tín hiệu, thiết kế phần cứng và hoạt động thực tiễn gày càng nâng cao khi công 
nghệ ngày càng hoàn thiện. 

 
15


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

1.3 Nguyên lý hoạt động
Radar xuyên đất - GPR là một phương pháp địa lý ứng dụng các nguyên lý của 
sóng  điện  từ ở  dải  tần  số  rất  cao  (1-1000MHz)  để  nghiên  cứu cấu  trúc  và  các  đặc 
tính của vật chất bên dưới lòng đất mà không phải đào bới, phá hủy cấu trúc của nó. 
Thiết  bị  Radar  xuyên  đất  sử  dụng  các  sóng  vô  tuyến  tần  số  cao  để  thu  thập 
thông tin phản hồi từ dưới lòng đất. Năng lượng phát ra từ ăngten phát, lan truyền 
vào trong lòng đất với vận tốc phụ thuộc vào đặc tính điện môi của môi trường, khi 
gặp vật dị thường sẽ tạo ra các sóng phản xạ và được ăngten thu ghi lại các tín hiệu 

phản xạ này một cách liên tục, xử lý và tái tạo thành một hình ảnh. 

 
Hình 1-1: Sơ đồ hoạt động tổng quát Radar xuyên đất
Do các sóng phản xạ này được tạo ra từ những  mặt ranh  giới trung  gian  môi 
trường  địa  chất,  nên  các  sóng  phản  xạ  thường  liên  quan  đến  những  điều  kiện  tạo 
thành tự nhiên trong cấu trúc địa chất như: ranh giới đá móng, các lớp vật liệu trầm 
tích  có  tính  vật  lý  khác  nhau,  nồng  độ  sét,  những  khuyết  tật,  các  khe  nứt  nẻ,  các 
khối xâm thực cũng như các vật liệu bị chôn vùi do nhân tạo hoặc các khối bê tông, 
các vật thể không đồng nhất liên quan tới vị trí hang hốc, hàm ếch, tổ mối,… 
Một trong những  vấn đề lớn nhất của Radar  xuyên đất là phản xạ từ mặt đất 
quá  lớn,  với  hằng  số  điện  môi  cao  giữa  mặt  đất  và  không  khí  chỉ  cho  phép  một 
lượng  nhỏ  năng  lượng  truyền  qua  mặt  phân  cách,  phản  xạ  vào  mục  tiêu  và  đi  qua 
mặt phân cách đến Ăngten nhận. 
Độ sâu thẩm thấu của các phương pháp phụ thuộc vào tần số của Ăngten phát 
16


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

thu  tín  hiệu  và  phụ  thuộc  vào  tính  chất  của  đất  đá  trong  môi  trường  địa  chất.  Các 
loại  Ăngten  thông  thường  được  sử  dụng  để  khảo  sát  cấu  trúc  địa  chất  có  tần  số  là 
12,5: 25; 100; 200;400 MHz và độ sâu khảo sát 40- 0,1 m. 
Sau  đây  là  hình  ảnh  minh  họa  cho  quá  trình  truyền,  bị  phản  xạ,  khúc  xạ  của 
sóng điện từ khi đi vào trong lòng đất: 

 
Hình 1-2: Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất
Hình dưới đây là đường cong chỉ thời gian truyền từ bộ phát đến bộ nhận của 
mỗi dạng sóng ở trên. 

 
Hình 1-3: Đường cong thời gian truyền của mỗi dạng sóng
Khi  sóng  được  phát  từ nguồn  phát  đi  đến  các  mục  tiêu  trong  lòng  đất  thì  bộ 
 
17


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

thu  sẽ  nhận  các  sóng  đến  gồm  các  loại  khác  nhau  như  sau:  sóng  đến  trực  tiếp  từ 
trong  không  khí  và  trong  lòng  đất,  sóng  phản  xạ  và  sóng  khúc  xạ.  Đường  đi  của 
sóng khúc xạ là xa nhất, và gần nhất là sóng đến trực tiếp. 
Tóm lại, chương này đã cho người đọc thấy được cái nhìn tổng quan như thế 
nào về Radar xuyên đất, về cơ sở hình thành phát triển của nó cũng như những hiệu 
quả mà nó  mang lại cho công tác nghiên cứu, khảo sát trên thực tế. Do đó, để bắt 
tay vào việc nghiên cứu và phát triển, trước hết ta cần nắm các cơ sở lý thuyết mấu 
chốt của sóng điện từ, là tín hiệu truyền và phát trong các hệ thống Radar xuyên đất. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
18


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA RADAR
XUYÊN ĐẤT
 
Tín hiệu thu và phát của hệ thống Radar xuyên đất là tín hiệu điện từ trường 
nên khi truyền vào trong môi trường vật chất sẽ bị ảnh hưởng của các yếu tố phản 
xạ,  khúc  xạ,  tán  xạ,  suy  hao,  hấp  thụ,  …  của  các  vật  cản  hay  nguồn  điện  trường 
khác nhau xung quanh hoặc dưới lòng đất. Do đó, chương này sẽ trình bày một cách 
tổng quát cơ sở lý thuyết của phương pháp thăm dò bằng Radar xuyên đất bao gồm 
lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ trong môi trường và độ phân 
giải, vận tốc truyền dưới môi trường điện môi. 
2.1 Sóng điện từ - Phương trình Maxwell
Cơ  sở  của  GPR  nằm  ở  lý  thuyết  trường  điện  từ  EM  (Electromagnetic),  phát 
minh bởi Jackson (1962) và Smythe (1989). 
Phương trình toán học Maxwell diễn tả các tính chất vật lý của trường EM và 
các mối quan hệ của các tính chất vật liệu. Kết hợp hai cơ sở này dùng để mô tả tín 
hiệu GPR. 
Trường EM được biểu diễn bằng các biểu thức sau: 
 
 E  

B
t

 H  J 

.D  q

 
19

D
t

(2.1)

(2.2)
(2.3)


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

(2.4)

.B  0

Với  E  là  vector  sức  điện  trường  (V/m),  q  là  mật  độ  điện  tích  (C/m3);  B  là 
vector mật độ dòng từ trường (T); J là vector mật độ dòng điện (A/m2); D là vector 
thay  thế  điện  trường  (C/m2);  t  là  thời  gian  (s);  H  là  cường  độ  trường  từ  trường 
(A/m). 

 
Hình 2-1: Hướng truyền sóng EM trong không gian
Trong  GPR,  các  tính  chất  về  điện  và  từ rất  quan  trọng.  Các  phương  trình  cơ 

bản sau mô tả cách các eclectron, nguyên tử và phân tử ảnh hưởng tới một trường 
EM. 
J   E

(2.5)

D   E

(2.6)

H
B

(2.7)

Điện dẫn    đặc trưng cho sự chuyển động điện tích tự do (tạo ra dòng điện) 
khi  một điện trường được đưa vào. Hằng số điện môi    đặc trưng cho sự thay thế 
của  điện  tích  cưỡng  bức trong  cấu  trúc  vật  liệu  để  tạo  thành  một  điện  trường.  Độ 
 
20


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

thẩm từ    mô tả cách mà nguyên tử và phân tử từ di chuyển đáp ứng với một điện 
trường.  
Các tính chất của vật liệu cũng có thể phụ thuộc vào trường tới trước đó.  


J (t )    (  ).E (t   )d 

(2.8)

0

Đây là dạng phức của phương trình cơ bản được sử dụng khi các tính chất vật 
lý  được  phân  tán.  Đối  với  các  hầu  hết  ứng  dụng  GPR,  giả  định  rằng  dạng  tỷ  lệ 
không đổi cho ε, μ, σ phù hợp với ε và σ là quan trọng nhất. 
Đối với GPR, hằng số điện môi là một thông số quan trọng. Thông thường, từ 
điện môi tương ứng hay “hằng số điện môi” được sử dụng và được định nghĩa như 
sau: 
K


0

(2.9)

Với ε0 là điện môi của chân không 8.89 x 10-12 F/m. 
2.2 Tính chất của vật liệu
Trong hầu hết các ứng dụng GPR, sự thay đổi trong ε và σ là quan trọng nhất 
trong  khi sự thay đổi của μ đôi khi được quan tâm. GPR rất hữu ích trong các  vật 
liệu có độ tổn thất điện thấp. Nếu σ = 0, GPR quan sát được rất rộng do các tín hiệu 
sẽ thâm nhập vào độ sâu lớn. Trong thực tế, điều kiện độ tổn thất điện thấp là không 
phổ biến. Các môi  trường  giàu đất sét hay các khu  vực nước ngầm nhiễm  mặn có 
thể tạo điều kiện cho tín hiệu GPR thâm nhập rất hạn chế. 
Các  vật  liệu  trái  đất  là  các  tổng  hợp  không  thay  đổi  của  nhiều  vật  liệu  hay 
thành  phần.  Nước  và  băng  là  một  số  ít  trường  hợp  có  một  thành  phần  là  chủ  yếu. 
Một  bãi  cát  đơn  giản  là  một  hỗn  hợp  của  các  hạt  đất,  không  khí,  nước  và  các  ion 

 
21


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

hòa tan trong nước. Sự hiểu biết về các tính chất vật lý của hỗn hợp là một yếu tố 
quan trọng trong việc giải thích một đáp ứng GPR. 
Mặc  dù  các  thành  phần  của  hỗn  hợp  là  phức  tạp,  tổng  quan  quan  điểm  của 
GPR là đơn giản hơn. Trong dải tần số 10 – 1000 MHz, có hay không có nước trong 
vật liệu ảnh hưởng đến đáp ứng GPR, với tổng quan chung như sau: 
 Khoáng  sản  lớn  và  các  hỗn  hợp  thường  được  cách  ly  điện  môi  tốt.  Các  vật 
liệu  này  thường  có  một  hằng  số  điện  môi  trong  khoảng  từ 3-8  (tùy  thuộc  vào  loại 
khoáng chất và độ chặt) và được cách điện với độ dẫn điện hầu như là zero. 
 Đất, đá, các vật liệu cấu tạo có khoảng trống giữa các hạt (lỗ trống) có chứa 
không khí, nước hay các vật liệu khác. 
 Nước là vật liệu tự nhiên, phân cực nhất (hằng số điện môi cao K~80) 
 Nước trong các lỗ trống thường chứa các ion, và tính dẫn điện của nước liên 
quan với các ion di động thường là yếu tố chính trong  việc xác định tính dẫn điện 
của  vật  liệu  lớn.  Kết  quả  tính  dẫn  điện  của  đất  và  đá  thường  là  trong  khoảng  1100mS/m. 
 Do nước luôn hiện diện trong lỗ trống của vật liệu tự nhiên, ngoại trừ trong 
các trường hợp duy nhất là chân không khô hoặc một vài cơ chế khác đảm bảo hoàn 
toàn không có nước, nó có ảnh hưởng rất lớn vào các tính chất điện. 
2.3 Sự truyền sóng của trường điện từ
GPR sử dụng đặc tính sóng của các trường điện từ. Phương trình Maxwell mô 
tả một cặp trường điện từ và từ trường như thế nào khi các trường đó thay đổi theo 
thời gian. Tùy thuộc vào mức độ tổn hao năng lượng tương ứng (liên quan đến độ 
dẫn điện) với năng lượng lưu trữ (liên quan tới hằng số điện  môi  và thẩm từ), các 
trường có thể khuếch tán hoặc truyền như sóng. GPR khả thi khi các điều kiện thỏa 
đáp ứng giống như sóng. 

 
22


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

Các đặc tính sóng trở nên rõ ràng hơn khi phương trình Maxwell được viết lại 
để  loại  bỏ  một  trong  hai,  điện  từ hoặc  từ trường,  phương  trình  sóng  vector  ngang 
được viết lại như sau: 
  E   .

E
2 E
  . 2 2  0
t
t

(2.10)

Với số hạng A:   E  
Số hạng B:   .

E
 
t

Và số hạng C:   .

2 E

 
 2t 2

GPR có tác dụng hiệu quả trên các vật liệu có độ tổn thất thấp mà sự phân tán 
năng lượng (số hạng B) là nhỏ so với sự tích trữ năng lượng (số hạng C). 

 
Hình 2-2: Phương truyền của sóng
Phương trình sóng truyền được đưa ra như ở hình trên. Trường điện từ và từ 
trường là trực giao với nhau từng đôi một và có thể trực giao với chiều không gian 
của trường di chuyển K. 
Với  GPR,  trường  điện  từ  là  trường  được  đo  đạc  bình  thường  và  nó  có  dạng 
sau: 
 
23


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

E  f ( r.k , t )u

(2.11)

với  r  là vector vị trí không gian được mô tả và  f (r .k , t )  thoả phương trình tỷ 
lệ 
2

2
f
(


,
t
)


f
(

,
t
)


f ( , t )  0
 2
t
t 2

(2.12)

với    r.k  là khoảng cách trong hướng truyền. 
Trong điều kiện độ tổn thất thấp thì 
f ( , t )  f (   vt )e 

Với    v 

(2.13)

1


,  
 lần  lượt  là  vận  tốc  và  độ  suy  giảm.  Sóng  tự  nhiên 

2

1

được xác định bởi sự phân bổ không gian của trường chuyển theo hướng β với thời 
gian quan sát như ở hình dưới: 

 
Hình 2-3: Quá trình truyền sóng EM tại một vận tốc xác định và có biên độ giảm 
dần.
Trong nhiều công thức, các thảo luận được đưa ra trong số hạng của kích thích 
hình sin và tần số gốc ω . Trong dạng sau:  
f (  , t )  A exp( (i (

 
24


v

 t )))e 

(2.14)


HVTH: Quảng Dương Đại Vương 

Với A là biên độ tín hiệu đỉnh. 
Tín hiệu hình sin được đặc tính hoá bởi cả ω và bước sóng không gian λ , với 
λ = 2πv/ω. 
2.4 Tính chất của sóng
Các tính chất quan trọng của các trường sóng là vận tốc v, độ suy giảm α, và 
trở kháng  Z. Các tính chất sóng cho một môi trường đơn giản với hằng số điện môi, 
điện dẫn cố định, và độ thấm từ được diễn tả dễ dàng nhất nếu một sự thay đổi thời 
gian hình sin được xem xét. Sự thay đổi v và α so với tần số hình sin f được chỉ ra 
trong hình sau. (ω=2πf). 
Tất cả các tính chất sóng có hoạt động tương tự nhau. Tại tần số thấp, các tính 
chất  sóng  phụ  thuộc  vào   ,  biểu  thị  cho  trường  khuếch  tán.  Tại  tần  số  cao,  các 
tính chất sóng trở thành độc lập so với tần số (nếu ε, µ, và σ là độc lập so với  tần 
số). Hoạt động ở tần số cao là đặc tính quan trọng nhất của GPR.  
Sự chuyển từ khuếch tán sang truyền xuất hiện khi dòng điện chuyển từ ưu thế 
dẫn (tích điện tự do) sang sự thay thế ưu thế hiện thời (tích điện cưỡng bức ). Với 
vật liệu đơn giản, tần số chuyển được xác định như sau: 
ft 


2

(2.15)

Trong  khoảng tần số cao trên ft, tất cả các thành phần tần số chuyển động tại 
một vận tốc và chịu hao tổn  như nhau. Một tín hiệu xung sẽ chuyển động với hình 
dạng không bị ảnh hưởng, truyền mà không có sự phân tán. Trong trường hợp này, 
vận tốc, sự suy giảm và trở kháng có thể được biểu diễn như sau: 
v

1
c

 .
k

 
25

(2.16)