Thạc Sĩ Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế cho hệ thống Radar xuyên đất GPR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử (hướng kỹ thuật)
LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ
(HƯỚNG KỸ THUẬT)
Năm 2012

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



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


Chương 4. CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THỰC HIỆN TRÊN MATLAB


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



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 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.