Thạc Sĩ Nghiên cứu và mô phỏng các phương pháp xử lý tín hiệu dùng trong hệ thống radar xuyên đất

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây trên một số vùng lãnh thổ của cả nước đã xảy ra những hiện tượng địa chất, gọi là tai biến địa chất, đe dọa rất nhiều đến tính mạng của con người, các công trình giao thông đô thị, các công trình xây dựng cao ốc, các tuyến đường bờ sông, gây hoang mang cho người dân trong khu vực và chính quyền địa phương. Có 2 nhóm yếu tố liên quan mật thiết đến các tai biến trên. Một là nhóm yếu tố thuộc về môi trường địa chất, môi trường đất – đá đặc trưng cho khu vực lãnh thổ đó. Hai là nhóm yếu tố thuộc về các hoạt động kinh tế - xã hội đang diễn ra rầm rộ như xây dựng các khu công nghiệp, cao ốc, Thực tế đã gây ra các vụ lún sụp trong một số khu dân cư như ở phường Phước Long A, quận 9, Thành Phố Hồ Chí Minh năm 2005, 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 hay gọi là ―hố tử thần‖, đã gây những vụ tai nạn đáng tiếc cho người đi đường, và người dân sống xung quanh đó. Ngày qua ngày, các hố tử thần vẫn liên tục xuất hiện một số nơi ở Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh với mật độ dày hơn và nguy hiểm hơn đã gây ra bao thiệt hại kèm theo. Điều này đã dấy lên hồi chuông cảnh báo về một sự thay đổi rất lớn về địa chất trong lòng đất. Biện pháp duy nhất để hạn chế sự xuất hiện của các 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 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 địa chất trong lòng đất, chỉ ra những dị thường trong lòng đất.
Trên vùng lãnh thổ Việt Nam, kể từ sau chiến tranh kết thúc đến nay, bom mìn vẫn còn chôn vùi trong lòng đất khá nhiều rải rác từ nam ra bắc, hàng ngày nó đã gây ra những tai nạn thương tâm cho những người dân vô tình đạp phải nó. Để giảm mức nguy hại do bom mìn gây ra cho người dân trong thời bình, các nhà khoa học đã tiến hành đề xuất và nghiên cứu các robot dò bom mìn để phát hiện và gỡ bỏ 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.
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 phải đập phá, lấy mẫu, đo đạc, . gây hư hỏng cho các công trình đặc biệt là các công trình xây dựng và các đồ vật khảo cổ, . Phương pháp 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. Radar xuyên đất có nhiều thuận lợi như dễ di chuyển, không phá hủy, tốc độ xử lý nhanh, độ phân giải cao, nhưng ở Việt Nam 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 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 kĩ thuật radar xuyên đất giá thành thấp hơn phù hợp với nhu cầu ở Việt Nam, học viên đã bắt tay đi vào tìm hiểu hệ thống Radar xuyên đất và đặc biệt là các phương pháp xử lý tín hiệu cần thiết sử dụng 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 một chương trình xử lý tín hiệu Radar xuyên đất bằng Matlab. Thông thường, dữ liệu phản xạ Radar xuyên đất thu được trong trường có nhiễu, clutter, đa phản xạ, và thường chứa các phản xạ lạ như sóng không khí, đa phản xạ và các hyperbol nguồn điểm làm khó khăn cho tiến trình biên dịch. Ngoài ra, các dữ liệu phản xạ thu về thường không được thu thập đúng độ sâu hoặc đúng tỉ lệ, Do đó, dữ liệu phản xạ gốc cần được ―làm sạch‖ và điều chỉnh bằng một số phương pháp xử lý trước khi đi vào biên dịch và minh giải.
Để thực hiện các phương pháp xử lý 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 xử lý thường được sử dụng trong Radar xuyên đất đặc biệt trong các thiết bị hay phần mềm hiện có trên thị trường của các nhà sản xuất như Mala (Ground Vision), GSSI (RADAN), Pulse Ekko (Ekko View), . Sau đó, tác giả tiếp tục tìm tòi tài liệu, nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và tác dụng thật sự của từng phương pháp lên tín hiệu như thế nào . Cuối cùng, tác giả tiến hành xây dựng thuật toán thực hiện và chương trình Matlab mô phỏng các phương pháp xử lý 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 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, 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.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp 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 vận tốc truyền dưới môi trường điện môi. Cuối cùng là giới thiệu các phương pháp thu thập số liệu để ước lượng quá trình tính vận tốc.
Chương 3: Các phương pháp xử lý tín hiệu Radar xuyên đất
Đây là phần tương đối quan trọng của luận văn, khái quát các phương pháp từ xử lý cơ bản đến xử lý phức tạp bao gồm: điều chỉnh vị trí 0, xóa bỏ DC, xóa bỏ Background, khuếch đại AGC, giải chập hay di trú. Chương này chủ yếu trình bày về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động, các phép toán thực hiện hoặc sơ đồ tổng quan của các phương pháp xử lý, kết quả có được nếu sử dụng phương pháp, mục đích của chương là chuẩn bị tiền đề cho việc thực hiện các phương pháp xử lý thực tế ở chương sau.
Chương 4: Mô phỏng kết quả thực hiện trên Matlab
Xử lý tín hiệu trên dữ liệu gốc của hệ thống Radar xuyên đất có 2 mục tiêu chính. Mục tiêu đầu tiên là làm suy giảm clutter, clutter là những tín hiệu tán xạ ngược có thể không xuất phát từ mục tiêu nhưng xảy ra cùng cửa sổ thời gian và có đặc tính phổ tương tự như tín hiệu thật. Một số nguồn tạo clutter như bề mặt không khí – mặt đất, đa phản xạ giữa ăngten và mặt đất, phản xạ do sự không đồng nhất của các lớp đất đá, Mục tiêu thứ hai là cải thiện chất lượng hình ảnh để dễ dàng hơn và chính xác hơn cho quá trình minh giải. Các kĩ thuật tăng độ hội tụ của hình ảnh làm giảm ảnh hưởng của độ rộng chùm tia của ăngten được gọi là kĩ thuật di trú cũng được giới thiệu trong phần này.
Chương này là phần chính của luận văn, phần này được chia thành hai nhóm là nhóm xử lý căn bản và nhóm xử lý cấp cao. Mỗi một phương pháp xử lý đều được tiến hành thiết kế, thực hiện chương trình xử lý trên Matlab. Chương trình xử lý Matlab có khả năng đọc các định dạng khác nhau của dữ liệu đầu vào như tập tin có đuôi .DZT, .RD3, .DT1. Sau mỗi phương pháp xử lý, là hiển thị các kết quả hình ảnh đạt được cùng những so sánh và nhận xét so vói ảnh gốc. Trọng tâm chính của chương là hai phương pháp giải chập dự đoán và di trú. Hai phương pháp này cải thiện tốt độ phân giải của hình ảnh, tuy nhiên thuật toán thực hiện tương đối khó và phức tạp đặc biệt ở phép xử lý di trú.

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ RADAR XUYÊN ĐẤT . 1
1.1 Lịch sử phát triển . 1
1.2 Giới Thiệu Chung Về Radar Xuyên Đất 2
1.3 Nguyên Lý Hoạt Động . 3
Chương 2 CƠ SỞ TOÁN HỌC DÙNG TRONG RADAR XUYÊN ĐẤT . 7
2.1 Sóng điện từ . 7
2.2 Sự tổn thất và suy giảm của sóng điện từ 11
2.3 Một Số Phương Pháp Thu Thập Dữ Liệu 17
2.3.1 Phương pháp mặt cắt phản xạ 17
2.3.2 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng (WARR) . 18
2.3.3 Phương pháp chiếu sóng 19
2.4 Đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến tính toán độ sâu 20
Chương 3 CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU RADAR XUYÊN ĐẤT 22
3.1 HIệu Chỉnh Thời Gian 0 (Time Zero Adjust) 22
3.2 Trừ Trace Trung Bình (Subtract Mean Trace) . 23
3.3 Loại Bỏ DC (DC Removal) . 24
3.4 Xóa Bỏ Nền (Background Removal) . 25
3.5 Lọc Dewow 27
3.6 Khuếch Đại AGC . 28
3.7 Giải Chập (Deconvolution) 29
3.7.1 Lọc Nghịch Đảo (Inverse Filtering) . 31
3.7.2 Lọc Wiener Tối Ưu (Optimal Wiener Filter) . 32
3.7.2.1 Giải Chập Nhọn (Spiking) . 34
3.7.2.2 Giải Chập Dự Đoán (Predictive Deconvolution) . 35
3.7.3 Các tham số dùng trong bộ lọc Wiener 37
3.7.4 Kĩ Thuật Di Trú (Migration) 38
3.7.4.1 Di trú tổng tán xạ và di trú Kirchoff 40
3.7.4.2 Di Trú Tần Số - Số Sóng (FK) . 43
Chương 4 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ XỬ LÝ TRÊN MATLAB 46
4.1 Mô Tả Tín Hiệu Thu Phát 47
4.2 Các Phương Pháp Xử Lý Cơ Bản 50
4.2.1 Điều Chỉnh Vị Trí Tín Hiệu (Adjust Signal Position) . 50
4.2.2 Xóa Bỏ Trace Xấu 53
4.2.3 Xóa Bỏ Background . 56
4.2.4 Lọc Dewow 57
4.2.5 Khuếch Đại AGC Biên Độ Hiệu Dụng (RMS) 60
4.3 Các Phương Pháp Xử Lý Cấp Cao 63
4.3.1 Giải Chập Dự Đoán 63
4.3.1.1 Thiết Kế Bộ Lọc Dự Đoán . 64
4.3.1.2 Chọn Khoảng Cách Dự Đoán 68
4.3.2 Kĩ Thuật Xử Lý Di Trú (Migration) . 74
4.3.2.1 Di Trú Dựa Trên Nguyên Lý Tổng Tán Xạ . 76
4.3.2.2 Ngoại suy trường sóng và di trú tần số - số sóng (FK) 78