Thạc Sĩ Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế cho hệ thống radar xuyên đất gpr

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
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
7
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
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
8
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
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
9
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,
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
10
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.

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
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
2
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
HVTH: Quảng Dương Đại Vương
3
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
KẾT LUẬN
81
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 82