Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất gpr

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


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN 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 THƠNG

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 THƠNG
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

TS. NG UYỄN MI NH HOÀ NG

TRƢỞNG KHOA

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

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TAO5 (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
tơi thực hiện luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu tơi đã gặp khơng ít khó khăn, tuy
nhiên đƣợc thầy tận tình hƣớng dẫn nên tơi cũng đã hồn 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 khơng
những cung cấp kiến thức mà cịn dạy tơi cách làm việc, cách sống. Tôi xin gửi lời cảm
ơn chân thành đến các thầy cơ trƣờng Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận
tình giảng dạy, cung cấp những kiến thức hữu ích để tơi có thể thực hiện luận văn này.
Đồng thời đó cũng là những kiến thức nền tảng vững chắc để tơi có thể ứng dụng vào
cơng việc sau này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Minh Linh đã giúp đỡ tơi trong q
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 tơi hồn 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 lịng 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 dị tìm bom mìn, khảo sát địa chất, dị tìm khống sản,... Cùng với sự
phát triển của khoa học cơng 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 mơi trƣờng điện mơi cần khảo sát , sóng phản xạ từ mơi trƣờng thăm dị 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 đốn 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, khơng
cần phá hủy cấu trúc thăm dị, dễ di chuyển, độ phân giải cao và kết quả chính xác.
Thơng thƣờng, dữ liệu phản xạ radar xuyên đất thu đƣợc trong mơi trƣờng có
nhiều yếu tố ảnh hƣởng: nhiễu, đa phản xạ, ... làm khó khăn cho q trình xử lý. Để có thể
đo đạc và hiển thị chính xác dữ liệu địi hỏi q 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 xun đất GPR”
là cơng trình nghiên cứu riêng của tơi.

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 cơng bố tại bất kỳ cơng 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:
1.1)
1.2)

Lịch sử phát triển. ................................................................................................ 2
Giới thiệu chung. ................................................................................................. 3

1.2.1)
1.2.2)

1.3)

CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT........................................... 8

Sóng điện từ ......................................................................................................... 8

2.1.1)
2.1.2)
2.1.3)
2.2)
2.3)

Giới thiệu chung về Radar. ........................................................................... 3
Giới thiệu chung về Radar xuyên đất. .......................................................... 4

Nguyên lý hoạt động............................................................................................ 6

Chƣơng 2:
2.1)

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .................................................................... 2

Cơ sở lý thuyết sóng điện từ ......................................................................... 8
Vận tốc truyền sóng .................................................................................... 11
Sự suy hao sóng điện từ .............................................................................. 12

Tiêu chuẩn lấy mẫu tín hiệu .............................................................................. 14
Độ phân giải của hệ thống GPR ........................................................................ 15

2.3.1)

2.3.2)

Độ phân giải theo phƣơng nằm ngang ........................................................ 15
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)
2.5.3)

Hệ thống GPR tần số quét FMCW ............................................................. 22
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:
4.1)
4.2)

MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ ............................................................. 49

Mơ tả tín hiệu thu phát ....................................................................................... 50
Các phƣơng pháp xử lý cơ bản .......................................................................... 53

4.2.1)

4.2.2)
4.2.3)
4.2.4)
4.2.5)
4.2.6)
4.2.7)

Điều chỉnh vị trí tín hiệu (Adjust Signal Position) ..................................... 53
Xóa bỏ trace xấu ......................................................................................... 56
Lọc trung vị (median filter) ........................................................................ 59
Xóa bỏ Background .................................................................................... 61
Lọc Dewow ................................................................................................. 63
Khuếch đại AGC biên độ hiệu dụng (RMS) ............................................... 66
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 xun đất.

Hình 2.1

Sóng điện từ lan truyền trong khơng 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 mơi 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 thơng 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 đốn dùng bộ lọc dự đốn.

Hình 3.15

Ngun lý di trú dựa trên ngoại suy và tính tổng.

Hình 3.16

Ngoại suy từ

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 xun 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.

với việc tăng dần độ trễ

.

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 đốn với n=20.

Hình 4.19

Kết quả giải chập dự đốn với n=50.

Hình 4.20

Kết quả giải chập dự đốn với n=80.

Hình 4.21

Tỉ số của năng lƣợng trƣớc và sau khi giải chập dự đốn.

Hình 4.22

Giải mã chập dự đoán với các khoảng dự đoán khác nhau.

Hình 4.23

Giải chập dự đốn với

.

Hình 4.24

Giải chập dự đốn với

.

Hình 4.25

Giải chập dự đốn với

Hình 4.26

Lƣu đồ thực hiện giải mã chập dự đốn.

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 mơ hình nguồn phát.

Hình 4.30

Di trú dựa trên ngun lý tính tổng tán xạ

Hình 4.31

Thuật tốn di trú Scolt.

Hình 4.32

Di trú Scolt với mơ hình 1.

Hình 4.33

Di trú Sclot với mơ hình 2.

Hình 4.34

Di trú Scolt với mơ 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
FMCW

Common MidPoint
Frequency Modulated Continuous Wave

GPR

RMS

Ground Penetrating Radar
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 lịng 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 dị tìm bom mìn, khảo sát địa chất, dị tìm khống sản,... Cùng với sự
phát triển của khoa học cơng 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 mơi
trƣờng điện mơi cần khảo sát , sóng phản xạ từ mơi trƣờng thăm dị 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, khơng cần phá hủy cấu
trúc thăm dị, 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 xun đất thu
đƣợc trong mơi trƣờng có nhiều yếu tố ảnh hƣởng: nhiễu, đa phản xạ, ... làm khó khăn
cho q trình xử lý. Để có thể đo đạc và hiển thị chính xác dữ liệu địi hỏi q 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
Chƣơng 1:

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

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 mơ
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 thơ có thể đƣợc tạo cho bất kỳ vùng nào trong dãy đó, nhờ vào độ dẫn suất của
nó cao hơn mơi 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. Cơng trình nghiên cứu của Hiilsenbeck năm 1926 sử dụng lần đầu tiên các kỹ thuật
dùng xung để xác định các đặc điểm của cơng trình ngầm. Ơng 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 khơng 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 (dị
tìm và định vị bằng sóng vơ tuyến) hay Radio Angle Detection and Ranging (dị tìm và
định vị góc bằng sóng vơ tuyến). Radar là một kỹ thuật điện từ dùng để dị tìm và định vị
những vật phản xạ sóng điện từ. Hình 1.1 mơ 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 thơng 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 dị 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 mơ tả mặt đất và hiển thị rõ ràng những thứ chứa trong nó đó là radar thăm dị
xun 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 mơi trƣờng xung quanh nó. Khi cơng 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 tồn khơng cần phá vỡ và đào bới
cơng trình. Radar xun đất cải thiện đáng kể hiệu quả cơng tác thăm dị từ lĩnh vực cơ
bản cho tới cơng 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 (dị tìm): Dị tìm khống sản, các lỗ khoan hay khoan giếng, dị tìm
bom mìn, dị tìm các hệ thống trong cơng 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 cơng trình xây dựng, cơng
trình ngầm, cầu đƣờng, giao thơng.

-

Ngồi ra nó cịn 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 lịng đất mà khơng phải đào bới, phá hủy cấu trúc của nó.
Thiết bị Radar xun đất sử dụng các sóng vơ tuyến tần số cao để thu thơng tin từ

dƣới lịng đất. Năng lƣợng phát ra từ anten phát, lan truyền vào trong lịng 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


Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

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 khơng khí chỉ cho phép một lƣợng nhỏ năng
lƣợng 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 phƣơng pháp phụ thuộc vào tần số của Anten phát thu
tín hiệu và phụ thuộc vào tính chất của đất đá trong môi trƣờng địa chất. Các loại Anten
thông thƣờng đƣợc 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.

HVTH: Phan Văn Tuấn

7


Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR
Chƣơng 2:

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

CƠ SỞ HỆ THỐNG RADAR XUYÊN ĐẤT

Chƣơng này sẽ trình bày một cách tổng quát cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp thăm
dò bằng Radar xuyên đất bao gồm lý thuyết về sóng điện từ, sự suy giảm của sóng điện từ
trong mơi trƣờng và vận tốc truyền dƣới môi trƣờng điện môi. Cuối cùng là giới thiệu các
phƣơng pháp thu thập số liệu để ƣớc lƣợng q trình tính vận tốc.

2.1) Sóng điện từ
2.1.1) Cơ sở lý thuyết sóng điện từ
Phƣơng pháp GPR sử dụng sóng điện từ tần số cao phát xuống lịng đất để thăm
dị. Phƣơng trình tốn học Maxwell dùng để biểu diễn các tính chất vật lý của trƣờng sóng
điện từ, và những mối quan hệ liên quan đến các tính chất vật liệu trong phƣơng pháp
GPR. Đối với mơi trƣờng đồng nhất, đẳng hƣớng và tuyến tính, sóng điện từ tuân theo hệ
phƣơng trình Maxwell nhƣ sau:

Các vector trƣờng thỏa quan hệ:
(2.5)
(2.6)
(2.7)

Trong đó, E là vector sức điện trƣờng (V/m), B là vector mật độ dòng từ trƣờng
(T), H là cƣờng độ trƣờng từ trƣờng (A/m), J là vector mật độ dịng điện (A/m2), q là mật
độ điện tích (C/m3), D là vector thay thế điện trƣờng (C/ m2), t là thời gian (s).

HVTH: Phan Văn Tuấn

8


Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

Phƣơng 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 khơng sẽ khơng có suy hao và sự suy hao lan truyền chỉ xảy ra trong
môi trƣờng điện môi thực. Giả sử mật độ phân bố điện tích khối trong mơi trƣờng bằng 0
(ρυ = 0, thay phƣơng trình (2.6) vào (2.1) và lấy curl của phƣơng trình vừa tính sẽ thu
đƣợc:

Thay phƣơng trình (2.7) và (2.5) vào (2.2) ta thu đƣợc:

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

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

Ngồi ra, ta có:

Đẳng thức (2.12) đúng với mọi trƣờng A. Trong đó,

là tốn tử laplacian của

vector A, trong hệ tọa độ vng góc đƣợc xác định bởi:

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

HVTH: Phan Văn Tuấn

9


Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

Phƣơng trình đạo hàm riêng (2.14) và (2.15) đƣợc gọi là phƣơng trình sóng. Sự lan
truyền sóng dọc theo trục z, với trƣờng từ H vng góc với trƣờng điện E, biểu diễn bằng
phƣơng trình sau:

Hình 2.1 biểu diễn sự lan truyền sóng điện từ trong không gian theo trục z với
trƣờng điện E và trƣờng từ H vng góc với nhau.

Hình 2.1 Sóng điện từ lan truyền trong khơng gian.
Vận tốc lan truyền sóng vp đƣợc tính bằng cơng thức sau:
√

⁄

Trong chân khơng, sóng điện từ lan truyền với vận tốc c nhƣ sau:

√

⁄

Trong đó,
là hằng số điện môi tuyệt đối trong môi trƣờng.
là độ từ thẩm tuyệt đối trong môi trƣờng.
εr là hằng số điện mơi tƣơng đối, có giá trị từ 1 – 80 đối với hầu hết các môi trƣờng
địa chất.
HVTH: Phan Văn Tuấn

10


Xử lý tín hiệu trong hệ thống radar xuyên đất GPR

GVHD: TS Đỗ Hồng Tuấn

μr là độ từ thẩm tƣơng đối, có giá trị bằng 1 trong mơi trƣờng địa chất khơng 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 khơng.
Từ đó suy ra:
⁄

√

Trở kháng nội của mơi trƣờng là tỉ số giữa trƣờng điện và trƣờng từ:
√
Trong môi trƣờng điện mơi hồn hảo, sóng truyền theo chiều dƣơng của trục z có

thể đƣợc mơ tả bằng phƣơng trình sau:

Trong đó, k là hằng số pha và đƣợc 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 đƣợc xem nhƣ hằng số của mơi trƣờng ứng với tần số cụ thể nào đó và k
đƣợc gọi là số sóng. Bƣớc 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.

Từ (2.22) và (2.23) ta có biểu thức bƣớc sóng:

√
2.1.2) Vận tốc truyền sóng

HVTH: Phan Văn Tuấn

11