Radar dò tìm vật thể, công trình ngầm

Phạm vi / Tổng quan

Các hệ thống MIRA là một tập hợp của các thiết bị thiết yếu, được thiết kế dựa trên một số điều kiện đặc biệt. Tài liệu này nhằm mục đích giới thiệu các thiết bị cơ bản trong hệ thống cũng như giải thích các điều kiện về mặt lý thuyết. Cần chỉ ra rằng hệ thống được mô tả ở đây bao gồm các công nghệ mới, có bản quyền.

MALA cung cấp một số hệ thống MIRA tiêu chuẩn; tuy nhiên, nhiều khách hàng của chúng tôi đang thực hiện các dự án nghiên cứu hoặc làm việc trong các tổ chức với rất nhiều ứng dụng khác nhau. Khó có thể xác định một hệ thống thiết bị chuẩn để đáp ứng nhu cầu của tất cả các ứng dụng chuyên ngành. Do đó, các mô tả và thông số kỹ thuật sau đây tập trung vào những gì chúng tôi đã lựa chọn như là cấu hình tiêu chuẩn, khách hàng muốn áp dụng công nghệ mảng vào những ứng dụng chuyên biệt ngoài những ứng dụng phổ biến, không nên cảm thấy rằng tài liệu này tạo thành giới hạn. Các thông số kỹ thuật tùy chọn, phương án thu thập dữ liệu, tần số antenna, hệ thống định vị, giao diện truyền dữ liệu v.v. đều có thể được chuyển giao theo yêu cầu. Một nhóm chuyên gia đặc biệt thuộc Mala chịu trách nhiệm về các sản phẩm MIRA sẽ giúp khách hàng lựa chọn một hệ thống phù hợp.

3D-GPR mảng - đường cơ sở
Thuật ngữ Array thường được sử dụng rộng rãi trên thị trường cho hầu như bất kỳ hệ thống Radar nào có cấu hình nhiều antenna, và điều này đang gây ra một số nhầm lẫn. Có một nhu cầu ngày càng tăng về việc phân biệt giữa các hệ thống thu dữ liệu 3D đúng nghĩa và các hệ thống chỉ thích hợp cho vận hành nhiều antenna cùng lúc và do đó Mala đưa ra các định nghĩa sau đây cho thuật ngữ Array.

Mala định nghĩa rằng một hệ thống Array đúng nghĩa cần đáp ứng đầy đủ 4 điều kiện dưới đây. Đối với bất cứ ai thực sự cần thu dữ liệu 3D, các điều kiện này có tầm quan trọng sống còn và phải được tuân thủ chặt chẽ nhất có thể:

Điều kiện 1: Khoảng cách giữa các kênh radar đơn phải nhỏ hơn một phần tư của bước sóng trung tâm trong môi trường khảo sát.

Điều kiện này xác định những gì là cần thiết cho khoảng cách giữa các kênh vật lý để tránh hiệu ứng răng lược gây mất mát thông tin do lấy mẫu dưới ngưỡng. Tránh lấy mẫu dưới ngưỡng điều kiện cốt yếu để thu thập dữ liệu 3D thực sự, nhưng vẫn là một điều kiện gần như không bao giờ thực hiện được khi sử dụng các hệ thống GPR tiêu chuẩn.

Một số người có thể cho rằng vì đối tượng tìm kiếm có thể có một kích thước lớn hơn nhiều, điều kiện này có thể được nới rộng và khoảng cách giữa các kênh vào khoảng 0.5 - 1m cũng là đủ. Tuy nhiên, thậm chí ngay cả nếu cho rằng điều kiện này không phải là một giới hạn tuyệt đối, tức là việc minh giải dữ liệu 3D chắc chắn vẫn sẽ có thể thực hiện được ngoài giới hạn này, nhưng khi khoảng cách giữa các kênh vượt qua giới hạn trên, chất lượng của các kết quả cuối cùng xấu đi nhanh chóng. Điều này đặc biệt đúng đối với các khảo sát với các đối tượng phi tuyến tính, sẽ khó khăn hơn nhiều khi minh giải nếu dữ liệu được lấy dưới ngưỡng.

Giả dụ một hằng số điện môi trung bình địa chất là 9 (tương ứng với vận tốc truyền sóng trong đất khoảng 100m/μs) sẽ qui định khoảng cách tối đa giữa các kênh lần lượt là 12.5, 6.3 và 2cm tương ứng với các tần số 200, 400 và 1300 MHz. Những con số này trả lời cho lý do tại sao việc thu dữ liệu 3D thường bị lảng tránh trong quá khứ; ví dụ: với khoảng cách giữa các kênh là 6.3cm khảo sát trên diện tích hàng ngàn mét vuông, đơn giản là không khả thi với các hệ thống tiêu chuẩn.

Điều kiện 2: Phải thực hiện được việc ghép cặp giữa mọi đầu phát và đầu thu có trong Array, có nghĩa là tín hiệu từ một đầu phát phải có khả năng đến được bất kỳ đầu thu nào trong Array.

Điều kiện này cho phép giảm một cách hiệu quả khoảng các giữa kênh vật lý đi một nửa bằng cách cho phép bất kỳ đầu thu nào trong Array nhận được tín hiệu từ ít nhất hai đầu phát. Điều này có tầm quan trọng lớn nhất vì có những giới hạn nhất định về mặt vật lý đối với việc thu nhỏ các antenna. Bên cạnh việc là một điều kiện phụ cần thiết về mặt thực tế cho điều kiện thứ nhất ở trên, điều kiện này mở rộng khả năng ứng dụng của Array bằng cách cho phép thu thập nhiều dữ liệu bổ xung tại mỗi điểm đo.

Điều kiện 3: Tất cả các antenna trong một Array 3D, cần phải tạo ra một phản ứng "gần như giống hệt nhau".

Để tạo ra hình ảnh chất lượng cao, tuyệt đối cần thiết là mỗi kênh phải nhận được thông tin tương tự từ một mục tiêu nhất định. Nếu điều kiện này không được tuân thủ, những hình ảnh kết quả sẽ chứa những “bóng ma” và các thiếu sót khác. Có thể lập luận rằng lỗi này có thể được xử lý bỏ đi, nhưng những tác động của việc điều chỉnh thái quá antenna sẽ tạo ra sự mơ hồ trong dữ liệu mà trong đa số trường hợp sẽ rất khó để hiệu chính. Trong điều kiện tối ưu, dữ liệu từ mỗi đầu thu phải tạo ra phổ tần số giống nhau, bất kể là tín hiệu nhận được từ đầu phát nào. Điều này bắt buộc tất cả các antenna tạo ra một tần số trung tâm giống hệt nhau cũng như sử dụng định hướng antenna giống hệt nhau (phân cực). Vì vậy, phải có sự chú ý đặc biệt tới việc điều chỉnh và kiểm soát các antenna trong Array.

Điều 4: Hệ thống Radar Array cần phải có một thiết bị hoặc hệ thống phụ trợ để định vị, cung cấp độ chính xác ít nhất một nửa khoảng cách giữa các kênh, trên toàn bộ diện tích cần khảo sát.

Phương pháp thông thường để xử lý dữ liệu và hình ảnh hóa 3D là chia vùng cần khảo sát thành các thể tích đơn vị. Mỗi thể tích đơn vị đó được "lấp đầy" với dữ liệu nhận được từ một điểm cụ thể trong thể tích đó, trước khi xử lý và minh giải. Qui trình này thường được gọi là "binning". Kích thước của thể tích đơn vị/bin nên được lựa chọn gần bằng khoảng cách giữa các kênh hiện hữu để định vị dữ liệu một cách chính xác, độ chính xác của vị trí cần phải đạt một nửa khoảng cách các kênh. Tầm quan trọng của việc định vị chính xác không hề được phóng đại bởi vì dữ liệu mà không được định vị chính xác là dữ liệu vô ích.

Các điều kiện trên tạo ra những hiệu quả nhất định cho một hệ thống Radar Array và làm rõ các khúc mắc xung quanh GPR Array. Bất cứ khi đánh giá một hệ thống Radar Array nào đó, cần nghiên cứu các thông số kỹ thuật của hệ thống và sau đó quay lại với những điều kiện trên để đánh giá tính đáp ứng. Tạo hình ảnh 3D GPR đúng nghĩa với Array chứa các antenna với tần số trung tâm khác nhau hoặc phân cực khác nhau chưa khả thi trong thời điểm hiện tại. Tương tự, các Array với khoảng cách các kênh bằng một bước sóng hoặc hơn là đáng nghi vấn cao, chất lượng hình ảnh kết quả và các minh giải sau đó sẽ không đáng tin cậy.

Bộ điều khiển, tùy chọn cho Array

Bộ điều khiển được sử dụng trong các hệ thống MIRA là bộ điều khiển ProEx cùng với tùy chọn Array, do đó không có Bộ điều khiển riêng cho Array. Bộ điều khiển là cốt lõi của hệ thống MIRA. Nó tạo ra các tín hiệu điều khiển cho các antenna đơn theo chương trình thu dữ liệu đã chọn và quản lý các dữ liệu thu được. Hiệu suất cao đạt được nhờ một thiết kế kiểu mới về thế hệ tín hiệu điều khiển (đang chờ cấp bản quyền) cũng như một thiết kế quản trị dữ liệu tiên tiến với sự tham gia của nhiều máy tính riêng rẽ. Một cấu hình thông thường cho 16-kênh hoạt động sẽ bao gồm 10 máy tính được thiết kế đặc biệt, làm việc song song với việc thu thập dữ liệu, tạo bộ đệm và truyền dữ liệu.

Tùy chọn mảng, có thể mở rộng lên đến 16 antenna phát và thu riêng biệt, được cấu hình với một số lượng giao diện antenna cụ thể khi Mala tiến hành giao hàng. Các bộ điều khiển có thể được cấu hình cho bất kỳ sự kết hợp đầu thu – đầu phát tại mỗi điểm đo bất kỳ. Trong quá trình thu thập dữ liệu, bộ điều khiển sẽ theo dõi vị trí dọc theo tuyến khảo sát và thu thập dữ liệu từ các cặp đầu thu – đầu phát tại mỗi điểm đo theo trình tự đã lựa chọn.
Bộ điều khiển được kết nối với antenna bằng các đường cáp đồng trục, truyền tín hiệu điều khiển và dữ liệu được số hóa. Nó được cấp nguồn từ ProEx, 12V @ 3A, và được kết nối với máy tính xách tay thu dữ liệu thông qua một cáp Ethernet. Khi triển khai để thu thập dữ liệu, nhiều sợi cáp sẽ được kết nối với bộ điều khiển và do đó cần được lắp đặt, cố định chắc chắn trên phương tiện di chuyển radar. Cũng cần có sự quan tâm thích đáng đến điều kiện môi trường như mưa, thay đổi nhiệt độ tác động đến thiết bị. Tuy nhiên, khi đặt hàng trọn gói với Mala, các vấn đề thực tế trên sẽ do Mala đảm trách.
Bất cứ khi nào có thể, nên tiến hành thu thập các gói dữ liệu có kích thước vừa phải, có thể gọi là các “gói dữ liệu” (thuận tiện cho việc tính toán và xử lý dữ liệu - ND). Mặc dù các hệ thống MIRA có hiệu suất rất cao, nhưng việc thu thập dữ liệu theo “gói” như trên và khoảng cách giữa các điểm đo cũng tạo ra một số giới hạn về tốc độ khảo sát tối đa. Ví dụ, với tần số ghi mẫu 200KHz và khoảng cách giữa các điểm đo 8cm và 350 mẫu, tốc độ khảo sát tối đa được liệt kê trong bảng dưới đây, tương ứng với số lượng “gói dữ liệu” khác nhau.

Số lượng

“gói dữ liệu”

Tốc độ khảo sát tối đa, km/h

Cũng nên lưu ý rằng, nếu tốc độ khảo sát cao hơn được sử dụng, hệ thống định vị cũng phải có tốc độ cao hơn tương ứng.

Bắt buộc phải kiểm soát được vị trí của dụng cụ đo khoảng cách, dù ở bất kỳ tốc độ khảo sát nào.
Trong thực tế, các điều kiện ngoài thực địa sẽ gây ra những giới hạn về tốc độ khảo sát. Độ bằng phẳng của mặt đường, các chướng ngại vật làm cản trở việc di chuyển theo đường thẳng của phương tiện, việc lưu thông qua các giao lộ và các chi tiết khác thường giới hạn tốc độ khảo sát dưới 20km/h.

Antennas

Hệ thống MIRA được thiết kế có màn chắn chống nhiễu để chứa các antenna (Phát và Thu) riêng biệt. Đầu phát (T - Transmitter) có một cáp nối nguồn và một cáp kích hoạt, trong khi đó đầu thu (R – Receiver) có thêm 1 cáp để truyền dữ liệu số hóa. Các antenna riêng biệt của MALA được thiết kế để có thể đưa ra các tín hiệu đáp ứng tương tự nhau một cách tốt nhất và mỗi kênh dữ liệu trong Array đều được thử nghiệm riêng rẽ với các thông số này. Cả hai đầu thu và phát đều có các đèn LED để thông báo tình trạng của các cáp nối. Các antenna của MALA hiện tại có các tần số trung tâm 200Mz, 400MHz và 1,3 GHz.

Hộp chứa antenna bao gồm tất cả các thiết bị điện tử để tạo ra các xung, thu nhận các tín hiệu đến và số hóa các tín hiệu thu được ở tốc độ 16 bit. Dữ liệu thô 16-bit được truyền đến Array tùy chọn lưu vào bộ nhớ đệm và truyền ra máy tính để lưu trữ và hiển thị.

Một số antenna phát và thu được kết hợp với nhau thành một Array đơn lập và gắn chung trong một vỏ máy phù hợp để khảo sát ngoài thực địa. Các vỏ cho antenna 200MHz và 400MHz được thiết kế để có thể chứa luôn bộ điều khiển.

Hệ thống định vị

Việc sử dụng bất kỳ hệ thống MIRA nào đều đòi hỏi một hệ thống định vị chính xác, có khả năng giám sát vị trí Array với độ chính xác cỡ centimeter, trên toàn bộ hiệ trường khảo sát. Điều này có thể được thực hiện với một máy toàn đạc điện tử tự động (tự bắt gương) hoặc một hệ thống định vị vệ tinh kiểu RTK GPS. Một gương đo hoặc một antenna GPS được gắn vào hộp chứa Array, và một phương tiện kết nối vô tuyến sẽ truyền dữ liệu định vị từ các trạm GPS cơ sở / Máy toàn đạc trở lại máy tính xách tay thu dữ liệu.
Đối với mỗi mặt cắt khảo sát, từng kênh sẽ được định vị chính xác và tùy thuộc người điều khiển, tuyến kế tiếp sẽ trùng một phần lên tuyến trước đó để đảm bảo không bỏ sót đối tượng khảo sát. Việc quét trùng này sẽ được phần mềm xử lý tự động trong quá trình binning, trong khi đó các khu vực quét sót sẽ gây ra những dữ liệu giả trong hình ảnh kết quả. Phần mềm xử lý đã được thiết kế để giảm thiểu những hiệu ứng này, nhưng tuy nhiên, một quy trình thu dữ liệu cẩn thận là điều cần thiết cho chất lượng của hình ảnh kết quả.

Cả Máy toàn đạc điện tử và hệ thống GPS đều có những ưu và khuyết điểm nhưng nó nằm ngoài phạm vi thảo luận của tài liệu này. Các điểm này nên được đề cập đến, mặc dù việc tạm thời mất dữ liệu vị trí sẽ không đến mức phải loại bỏ dữ liệu Radar, miễn là điểm bắt đầu và kết thúc được xác định rõ.

Triển khai – Di chuyển hệ thống

Mục tiêu ứng dụng cho các hệ thống MIRA là khảo sát bằng Radar trên một vùng rộng lớn và, trên thực tế, sẽ là không khả thi để di chuyển Array bằng tay trên diện tích hàng ngàn mét vuông. Một số loại phương tiện cơ giới có thể dùng để di chuyển radar. Có thể chuyển giao các bộ phận của radar và các phụ kiện và lắp đặt các hệ thống vào bất kỳ phương tiện nào, nhưng điều này đòi hỏi phải xử lý mỗi lần mỗi khác và khó có thể mô tả chính xác.

Dù lựa chọn loại xe nào thì một số công cụ gá lắp cho hệ thống radar cũng phải có, bao gồm:

· Gá lắp để cố định hộp chứa Array

· Nguồn cung cấp điện, thông thường máy phát điện của xe phải được thay đổi sang loại cho dòng phát cao hơn.

· Cáp, cầu chì và công tắc phải được lắp đặt thêm.

· Các vị trí gá lắp cho hệ thống đánh dấu và đặt máy tính

Nếu xe mang antenna là một phần trong đơn đặt hàng, các chi tiết này sẽ do Mala chịu trách nhiệm thực hiện. Tuy nhiên, khách hàng có thể tìm mua phương tiện tại địa phương, trong trường hợp này việc thiết kế, bố trí các gá lắp sẽ do khách hàng chịu trách nhiệm thực hiện.

Thu thập dữ liệu

Trước khi thu thập dữ liệu radar, cần phải lập kế hoạch khảo sát chi tiết. Chúng tôi khuyến cáo nên thực hiện việc thu dữ liệu theo các tuyến thẳng tại tất cả những nơi có thể được. Hệ thống không yêu cầu các tuyến thẳng nhưng các lỗi về định vị sẽ ít hơn và việc quét hết diện tích sẽ dễ thực hiện hơn khi di chuyển theo các tuyến hình học đơn giản.

Cần thiết phải đảm bảo công việc định vị thích hợp trên toàn bộ khu vực khảo sát bao gồm cả việc thông hướng từ Máy toàn đạc đến hộp radar nếu sử dụng Máy toàn đạc để định vị. Cần phải lập kế hoạch về số lượng điểm đứng máy toàn đạc cũng như các điểm tham chiếu (cao ốc, các hố nhân tạo, các tuyến đường…) là tốt nhất thực hiện trước khi thu nhận dữ liệu radar.
Để kiểm soát việc thu dữ liệu trong thực tế, một bánh xe đo đường (Odometer) cần được sử dụng để xác định chính xác khoảng cách cho mỗi lần đo (khoảng cách giữa các điểm đo). Bánh xe đo đường được gắn trên các xe mang radar và trực tiếp kết nối với bộ điều khiển ProEx. Bánh xe này sẽ điều khiển thu thập dữ liệu dọc theo tuyến khảo sát trong khi hệ thống định vị sẽ ghi lại các vị trí tại các thời điểm hoặc theo sự kiện định trước. Khi lựa chọn khoảng cách giữa các điểm đo, nên sử dụng tối thiểu là một lần khoảng cách giữa các kênh trong Array. Để có được dữ liệu tốt cho cả radar và thiết bị định vị, tốc độ di chuyển thích hợp là khoảng 20 km/giờ.
Array sẽ thu dữ liệu theo khoảng cách đã định ra trong phần mềm thu nhận dữ liệu của MIRA và người điều khiển cần thường xuyên quan sát các dữ liệu và thông tin định vị trong quá trình khảo sát. Trong hình 7 dưới đây, đường di chuyển của gương hoặc máy thu GPS gắn trên Array được đánh dấu bằng các đường màu (xanh, đỏ), các diện tích màu trắng có thể được nhìn thấy giữa các tuyến khảo sát. Những khu vực màu trắng là diện tích bị Array bỏ qua và người vận hành thiết bị phải cố gắng giảm thiểu sự xuất hiện của các diện tích như vậy. Tuy nhiên, các vùng trắng nhỏ sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả khảo sát.

Phần mềm / Xử lý dữ liệu

Hai loại phần mềm được sử dụng để tạo ra kết quả 3D cuối cùng từ các hệ thống MIRA, MIRAsoft cho việc thu thập dữ liệu và rSlicer cho xử lý và minh giải dữ liệu. Phần mềm này được thiết kế để làm việc trong Windows 2000/XP. Đối với việc thu dữ liệu tại thực địa, nên sử dụng loại máy tính xách tay

Key words: phát hiện, "hố tử thần", Georadar, Radar xuyên đất, GPR, dò tìm, công trình ngầm