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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ
NĂM – 2011

MỤC LỤC ( Luận văn dài 104 trang)


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




MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Sơ đồ hoạt động tổng quan của hệ thống Radar xuyên đất 4
Hình 1-2 Quá trình truyền và nhận của sóng GPR khi đi vào lòng đất . 5
Hình 1-3 Đường cong chỉ thời gian truyền của mỗi dạng sóng . 5
Hình 2-1 Môi trường điện môi đa lớp 16
Hình 2-2 Phương pháp mặt cắt phản xạ . 18
Hình 2-3 Phương pháp phản xạ và khúc xạ rộng WARR 18
Hình 2-4 Phương pháp điểm sâu chung (CMP) . 18
Hình 2-5 Phương pháp chiếu sóng . 19
Hình 3-1 Ví dụ về sự dịch chuyển vị trí điểm thời gian 0 . 23
Hình 3-2 Hình (a) dữ liệu thô và hình (b) dữ liệu sau khi đã qua xử lý trừ trace trung bình . 24
Hình 3-3 Minh họa cho xử lý xóa DC, hình được tham khảo từ [15] . 25
Hình 3-4 Trước khi áp dụng xóa bỏ Background 26
Hình 3-5 Sau khi áp dụng xóa bỏ Background 26
Hình 3-6 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11] 27
Hình 3-7 Tín hiệu gốc chưa qua xử lý DEWOW, hình tham khảo từ [11] 28
Hình 3-8 (a) Phản xạ đều của các trái đất (b) Sự thay đổi biên độ theo thời gian
tương ứng với mỗi phản xạ . 28
Hình 3-9 Khái niệm khuếch đại tín hiệu (a) Dữ liệu gốc (b) Hàm khuếch đại (c)
Tín hiệu sau khi khuếch đại, tham khảo [11] 29
Hình 3-10 Sơ đồ của tích chập xung đầu vào với hàm phản xạ . 31
Hình 3-11 Sơ đồ của lọc nghịch đảo 32
Hình 3-12 Sơ đồ của bộ lọc tối ưu Wiener 33
Hình 3-13 Minh họa cho kết quả thu được sau khi giải chập spiking . 35
Hình 3-14 Sơ đồ giải mã chập dự đoán sử dụng bộ lọc dự đoán . 37
Hình 3-15 Nguyên lý di trú dựa trên ngoại suy và tính tổng . 39
Hình 3-16 Ngoại suy từ p (x, z, t) với việc tăng dần độ trễ p (x, z, t - n z/c) 40
Hình 3-17 Cấu hình và hệ tọa độ cho di trú Kirchoff 41
Hình 3-18 Sơ đồ xử lý di trú Kirchoff . 42
Hình 3-19 Ánh xạ sóng từ miền thời gian sang tần số . 43
Hình 3-20 Sơ đồ xử lý di trú F-K . 44
Hình 4-1 Tín hiệu xung truyền từ nguồn phát Radar xuyên đất . 47
Hình 4-2 Tín hiệu nhận được sau khi phản xạ chỉ trên một trace . 48
Hình 4-3 Ảnh gốc thu được từ hệ thống GSSI 49
Hình 4-4 Lưu đồ thực hiện điều chỉnh vị trí 0 51
Hình 4-5 Dữ liệu trước khi xử lý 52
Hình 4-6 Dữ liệu sau khi xử lý 53
Hình 4-7 Lưu đồ thực hiện xóa bỏ Bad Traces . 54
Hình 4-8 Ảnh gốc trước khi xử lý loại bỏ trace xấu . 55
Hình 4-9 Kết quả sau khi thực hiện xóa bỏ trace xấu . 55
Hình 4-10 Ảnh chưa qua xử lý xóa bỏ background 56
Hình 4-11 Ảnh đã qua xử lý xóa bỏ background 57
Hình 4-12 Lưu đồ thực hiện quá trình Dewow . 58
Hình 4-13 Ảnh gốc sau khi thực hiện xóa DC, trace xấu chưa xử lý dewow . 59
Hình 4-14 Ảnh sau khi thực hiện xử lý dewow và background . 59
Hình 4-15 Lưu đồ thực hiện khuếch đại AGC 61
Hình 4-16 Dữ liệu gốc ban đầu trước khi xử lý AGC 62
Hình 4-17 Hình ảnh sau khi được khuếch đại AGC 62
Hình 4-18 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 20 66
Hình 4-19 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 50 67
Hình 4-20 Kết quả của giải chập dự đoán với n = 50 67
Hình 4-21 Tỉ số của năng lượng trước và sau khi giải chập dự đoán 68
Hình 4-22 Giải mã chập dự đoán với các khoảng cách dự đoán khác nhau 70
Hình 4-23 Kết quả của giải chập dự đoán với = 1 71
Hình 4-24 Kết quả của giải chập dự đoán với = 5 71
Hình 4-25 Kết quả của giải chập dự đoán với = 10 . 72
Hình 4-26 Sơ đồ thực hiện giải mã chập dự đoán 73
Hình 4-27 Năng lượng của một điểm nguồn bị phân tán trên các bộ nhận . 74
Hình 4-28 Dạng sóng thu tương đương trong miền thời gian 74
Hình 4-29 Biểu diễn hình học của mô hình nguồn phát 75
Hình 4-30 Di trú dựa trên nguyên lý tính tổng tán xạ (a) Một hyperbol tán xạ (b) Sau khi di trú 76
Hình 4-31 Hiển thị hình ảnh B-scan chưa xử lý di trú (hình hyperbolic) 77
Hình 4-32 Hình ảnh B-Scan qua xử lý di trú tổng tán xạ 78
Hình 4-33 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 1 81
Hình 4-34 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 1 . 82
Hình 4-35 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 2 82
Hình 4-36 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 2 . 83
Hình 4-37 Kết quả di trú dịch pha Gazdag với mô hình vận tốc 3 84
Hình 4-38 Kết quả di trú dịch pha Stolt với mô hình vận tốc 3 . 84
Hình 4-40 (a) Thuật toán di trú Stolt (b) Thuật toán di trú Gazdag 86



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 giả