Chương 1 giới thiệu ngắn gọn về lý do và mục đích của đề tài. Mục tiêu của đề tài là áp dụng phương pháp phân tích phổ Periodogram, MUSIC, WMUSIC để giải quyết bài toán xác định khoảng cách đến mục tiêu có tín hiệu phản xạ yếu trong hệ thống GPR FMCW đồng thời so sánh đánh giá hiệu quả các phương pháp này. Chương 2: Chương 2 trình bày các kiến thức căn bản về hệ thống GPR. Radar xuyên đất là một phương pháp sử dụng sóng điện từ đi xuyên vào lòng đất, khi gặp mục tiêu sóng điện từ phản xạ ngược lại và thông tin về mục tiêu được xác định bằng cách phân tích sóng phản xạ này.
Do tính không đồng nhất của đất, tín hiệu GPR ngoài suy hao ra còn chịu ảnh hưởng rất lớn của các loại nhiễu, clutter gây nên bởi các hiện tượng phản xạ, tán xạ giữa đất và không khí, giữa các lớp đất và trong cùng một lớp đất. Việc xử lý tín hiệu để lấy được tín hiệu phản xạ của mục tiêu, loại bỏ các thành phần không mong muốn là rất quan trọng trong hệ thống GPR. Dựa vào kỹ thuật điều chế tín hiệu thu phát có thể phân ra hai loại GPR: GPR xung (Pulse) và GPR sóng liên tục (Continous Wave – CW). Các hệ thống GPR xung phát ra một xung hẹp và chờ xung phản xạ quay trở về, dựa vào sai lệch thời gian giữa phát và thu để xác định vị trí của mục tiêu, các hệ thống này được xem là hoạt động trong miền thời gian.
Trong khi đó hệ thống GPR CW truyền sóng sin liên tục với tần số thay đổi theo thời gian, dựa vào sự sai lệch tần số giữa phát và thu để xác định vị trí mục tiêu được xem là hoạt động trong miền tần số. Hệ thống xung độ phân giải không cao nhưng lại có thiết kế rất đơn giản và giá thành thấp nên được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thương mại. Hệ thống CW nhìn chung cho độ phân giải cao hơn, tuy nhiên Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 11 yêu cầu độ thiết kế phức tạp và giá thành đắt. Các phương pháp ước lượng phổ đề cập trong luận văn này là áp dụng cho hệ thống FMCW.
Chương 3: Chương 3 trình bày lý thuyết của các phương pháp ước lượng phổ Periodogram, MUSIC và WMUSIC. Ước lượng phổ được chia ra làm hai loại phương pháp chính: nonparametric và parametric. Các phương pháp nonparametric ước lượng phổ không dựa trên dự đoán về mô hình của tín hiệu (nên được gọi là nonparametric). Các phương pháp parametric ước lượng phổ dựa trên dự đoán về mô hình tín hiệu.
Phương pháp không gian con có thể được xếp vào nhóm phương pháp Parametric hoặc tách riêng thành nhóm phương pháp ước lượng tần số. Periodogram là phương pháp nonparametric tiến hành ước lượng tham số mà không có một giả sử nào về mô hình tham số đó. Periodogram thực chất là biến đổi FFT và do vậy là một phương pháp rất đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên phương pháp này không có độ chính xác cao: có tính phân cực (bias) và phương sai (variance) lớn.
MUSIC có thể xem là phương pháp parametric vì ước lượng phổ dựa trên giả sử về mô hình tham số. Tuy nhiên do phổ của phương pháp MUSIC không mang thông tin thực sự về phân bố công suất theo tần số như các phương pháp ước lượng phổ thông thường nên nó còn được xếp vào nhóm phương pháp ước lượng tần số. MUSIC có độ chính xác rât tốt nhưng lại có nhược điểm là độ tính toán phức tạp đồng thời tồn tại đỉnh phổ giả. Phương pháp WMUSIC là sự kết hợp phương pháp Periodogram và MUSIC, tận dụng được điểm mạnh của MUSIC là có độ phân giải cao và sử dụng Periodogram để hạn chế số lượng đỉnh phổ giả (là nhược điểm của MUSIC).
Chương 4: Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 12 Chương 4 trình bày và phân tích các kết quả khi áp dụng phương pháp ước lượng phổ Periodogram, MUSIC và WMUSIC để giải quyết hai bài toán: bài toán 1 và bài toán 2. Bài toán 1: Tín hiệu yếu so với can nhiễu Mục tiêu đặt gần sát mặt đất, tín hiệu phản xạ từ mục tiêu sẽ bị ảnh hưởng bởi tín hiệu phản xạ từ mặt đất. Do mục tiêu ở rất gần mặt đất nên tần số fb phản xạ từ mục tiêu rất gần với tần số fb phản xạ của mặt đất nhưng lại có biên độ nhỏ hơn do vậy rất khó để phân tách tần số này. Bài toán 2: Tín hiệu yếu so với nền nhiễu Mục tiêu nằm khá xa mặt đất nên tín hiệu phản xạ thu về rất yếu trong khi đó nhiễu của hệ thống GPR thì rất cao.
Vì vậy vấn đề là phân tách được thành phần tần số này trong điều kiện nhiễu cao (SNR thấp). Mỗi thuật toán được khảo sát lần lượt khi tiến hành thay đổi các giá trị: số lượng mẫu N, số lượng điểm NFFT, tỉ số SNR. Việc tăng NFFT làm cho độ chính xác ước lượng tốt hơn nhưng hầu như không thể cải thiện tình trạng một mục tiêu từ chỗ không phân tách được trở thành phân tách được. Trong khi đó việc tăng N thông thường cải thiện tình trạng này nhưng lại không cải thiện nhiều về độ chính xác một khi đã phân tách được.
Ở các điều kiện SNR thấp thì WMUSIC luôn có hiệu quả cao hơn so với hai thuật toán trên. Chương 5: Chương 5 đánh giá các kết quả đạt được và nêu hướng phát triển của đề tài. Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 13 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG GPR (GROUND PENETRATING RADAR) 1. Giới thiệu về hệ thống GPR Hệ thống radar xuyên mặt đất GPR(Ground Penetrating Radar – còn có một số tên gọi khác như subsurface radar, ground probating radar, surface penetrating radar) là hệ thống radar sử dụng sóng điện từ đi sâu vào lòng đất để xác định các mục tiêu nằm trong lòng đất.
Khối xử lý và hiển thị Ắcqui Khối thu phát và anten Hình 2.1 - Thiết bị GPR thực tế Một hệ thống GPR điển hình như ở hình vẽ gồm một cặp anten: một anten phát và một anten nhận, kết nối đến bộ thu phát và khối xử lý và hiển thị. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Radar xuyên đất như sau: anten phát phát ra sóng vô tuyến tần số cao truyền vào lòng đất, khi gặp mục tiêu thì sóng sẽ được phản xạ và truyền ngược về, anten thu ghi lại các tín hiệu phản xạ này, khối xử lý phân tích và tạo thành một hình ảnh về vị trí mục tiêu trên giao diện người dùng. Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 14 Các hệ thống GPR hoạt động trên dải tần số/công suất theo quy định của quốc gia. Thông thường công suất phát của hệ thống GPR khá nhỏ để không gây nhiễu lên các hệ thống vô tuyến khác.
GPR hoạt động ở dải UWB (UltraWideBand) với tần số hoạt động nằm trong khoảng từ vài MHz đến 10GHz và băng thông đến 1 decade (thông thường từ 2-3 octave). Thông thường GPR dùng để xác định các mục tiêu ở dưới lòng đất khoảng một vài mét do suy hao của đất rất lớn. Suy hao của sóng điện từ sau khi truyền trong lòng đất một vài bước sóng có thể lên đến 100dB/m hoặc hơn tùy thuộc vào loại đất. Do tính không đồng nhất của đất, một hệ thống GPR ngoài suy hao ra còn chịu ảnh hưởng rất lớn của các loại nhiễu, clutter gây nên bởi các hiện tượng phản xạ, tán xạ giữa đất và không khí, giữa các lớp đất và trong cùng một lớp đất.
Điều này ảnh hưởng rất lớn đến tín hiệu thu về và do vậy việc xử lý tín hiệu để lấy được tín hiệu phản xạ của mục tiêu, loại bỏ các thành phần không mong muốn là rất quan trọng trong hệ thống GPR. Tính chất của việc truyền sóng xuyên đất trong hệ thống GPR 2. Phương trình Maxwell Sóng được sử dụng trong hệ thống GPR là sóng điện từ và do vậy việc phân tích sóng GPR tuân theo lý thuyết trường điện từ EM (Electromagnetic) được đặc trưng bởi hệ phương trình Maxwell. Hệ phương trình Maxwell cho thấy mối quan hệ giữa điện trường và từ trường và sự phụ thuộc của điện từ trường vào loại vật liệu.
Phương trình Maxwell bao gồm 4 phương trình con như sau: .1) t D H J (Định luật Ampere) t Trong đó: Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 15 E: Cường độ điện trường (V/m) H: Cường độ từ trường (A/m) D: Độ điện thẩm (C/m2) B: Vectơ cảm ứng từ (Tesla, weber/m2) ρ: Mật độ điện tích (C/m3) J: Mật độ dòng điện (A/m2) Mối quan hệ giữa D và E, B và H, J và E. D E B H J E Với ԑ là hằng số điện môi của môi trường, μ là độ từ thẩm của môi trường và σ là độ dẫn điện của môi trường. Tóm tắt ý nghĩa của các phương trình này như sau: Định luật Gauss về điện trường Sự hiện diện của điện tích (vế phải) sẽ gây nên một điện trường có điện cảm D thể hiện ở vế trái. Định luật Gauss về từ trường Thông lượng của từ trường qua một mặt kín S luôn luôn bằng không.
Định luật cảm ứng Faraday (còn gọi là Định luật Faraday-Lenz) cho biết mối liên hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó. Định luật Ampere cho biết sự lan truyền từ trường trong mạch kín với dòng điện đi qua đoạn mạch. Hệ phương trình Maxwell chính là cơ sở để giải thích sự lan truyền sóng điện từ trong bất cứ môi trường nào. Ngoài ra, cũng có thể thấy được sự phụ thuộc của điện từ trường vào loại vật liệu được đặc trưng bằng tham số ԑ, ρ và σ.
Vận tốc Vận tốc lan truyền sóng: Ước lượng phổ xác định khoảng cách đến vật thể có tín hiệu phản xạ yếu Trang 16 1 v (2.2) Trong môi trường chân không, 0 4 107 ( H / m) , 0 8.85 1012 ( F / m) và sóng được truyền đi với vận tốc ánh sáng: 1 v c (2.3) 0 0 Trong các môi trường khác, vận tốc truyền đi sẽ là: c v (2.
