Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn áp dụng những thành quả của vật lý, kỹ thuật điện tử và công cụ tính toán hiện đại vào việc nghiên cứu phương pháp và triển khai chế tạo những thiết bị khoa học kỹ thuật, thực hiện các giải pháp ứng dụng phù hợp và nhanh chóng áp dụng vào thực tiễn Việt Nam

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Trần Vĩnh Thắng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ KHẢO SÁT ĐỊA ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Trần Vĩnh Thắng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ KHẢO SÁT ĐỊA ĐIỆN Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 9440130.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Đức Vinh 2. TS. Đỗ Trung Kiên XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN Chủ tịch hội đồng đánh giá Người hướng dẫn khoa học Luận án Tiến sĩ GS.TS. Bạch Thành Công TS. Nguyễn Đức Vinh Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án chưa từng được công bố trong công trình nào khác. Các số liệu, thông tin, minh chứng và so sánh kết quả từ các nguồn tài liệu tham khảo chỉ phục vụ cho mục đích học thuật và đã được trích dẫn tài liệu theo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Vĩnh Thắng
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đức Vinh và TS. Đỗ Trung Kiên, vì nhờ sự hướng dẫn của các thầy tôi mới có thể hoàn thành các nội dung nghiên cứu trong luận án. Tôi cũng xin cảm ơn Ban Lãnh đạo Khoa Vật lý vì những điều kiện thuận tiện trong công việc để giúp tôi thực hiện nghiên cứu. Cảm ơn các đồng nghiệp tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến - Khoa Vật lý với nhiều giúp đỡ dành cho tôi. Với tình cảm và sự kính trọng của mình, tôi xin cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Thị Thục Hiền, PGS. TS. Lê Hồng Hà, PGS.TS. Lê Thị Thanh Bình vì các cô đã dành cho tôi tình cảm và sự hỗ trợ về tinh thần trước và trong khi thực hiện luận án. Tôi cũng chân thành cảm ơn ThS. Đỗ Anh Chung đã giúp tôi trong quá trình thí nghiệm hiện trường. Chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Vật lý, Phòng Sau đại, học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong công tác cũng như quá trình thực hiện luận án. Và cuối cùng, tất cả là dành cho gia đình của tôi, bởi đó là lý do và là động lực để tôi thực hiện và hoàn thành mọi việc trong đó bản luận án này. Tác giả luận án Trần Vĩnh Thắng
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN BẢNG VIẾT TẮT ..................................................................................................... 3 CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN ............................. 13 1.1. Phương pháp ảnh điện ERT, EIT hiện trường ................................................... 14 1.1.1. Cơ sở phương pháp ảnh điện ...................................................................... 14 1.1.2. Phương pháp đo điện trở suất một chiều .................................................... 18 1.1.3. Phương pháp đo IP theo miền thời gian ..................................................... 18 1.1.4. Phép đo theo miền tần số ............................................................................ 20 1.1.5. Xử lý số liệu toàn dạng sóng ...................................................................... 23 1.2. Thiết bị khảo sát ảnh điện .................................................................................. 25 1.2.1. Thiết kế khảo sát ......................................................................................... 26 1.2.2. Thiết bị đo DC, IP, SIP ............................................................................... 28 1.2.3. Tái tạo hình ảnh .......................................................................................... 31 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo trong thí nghiệm hiện trường ...................... 32 1.3.1. Ảnh hưởng của điện cực ............................................................................. 32 1.3.2. Ảnh hưởng của nguồn nhiễu ngoài............................................................. 34 1.3.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng ghép cặp EM ...................................................... 37 1.3.4. Phương pháp ước lượng DC, IP, CR .......................................................... 39 Kết luận chương ........................................................................................................ 42 Chƣơng 2. XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ CHO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG ...................................................................................................... 43 2.1. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo phổ tổng trở ........................................................... 44 2.1.1. Phần điện tử ................................................................................................ 44 2.1.2. Phần mềm thu thập dữ liệu và điều khiển .................................................. 52 2.1.3. Phương pháp kiểm chuẩn - hiệu chỉnh EMCE ........................................... 58 1
2.2. Đánh giá các đặc trưng của thiết bị.................................................................... 63 2.2.1. Đánh giá trong phòng thí nghiệm ............................................................... 63 2.2.2. Đánh giá ngoài hiện trường ........................................................................ 69 Kết luận chương ........................................................................................................ 76 Chƣơng 3. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG.................................................................... 77 3.1. Giải pháp triển khai nhanh thiết bị khảo sát địa điện ERT đa cực .................... 77 3.1.1. Phần cứng ................................................................................................... 78 3.1.2. Phần mềm ................................................................................................... 80 3.1.3. Kiểm chuẩn ................................................................................................. 83 3.1.4. Thí nghiệm hiện trường .............................................................................. 85 3.1.5. Kết quả xử lý dữ liệu .................................................................................. 86 3.1.6. So sánh kết quả với SuperSting R1, AGI ................................................... 88 Kết luận................................................................................................................. 90 3.2. Giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho thiết bị quan trắc địa điện ............... 91 3.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 91 3.2.2. Giải pháp nguồn điện dùng năng lượng mặt trời........................................ 94 3.2.3. Kết quả thử nghiệm .................................................................................... 95 Kết luận................................................................................................................. 96 3.3. Ước lượng mật độ phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ ............ 96 3.3.1. Nhiễu địa điện do các phương tiện giao thông đường bộ .......................... 96 3.3.2. Giải pháp ước lượng mật độ phương tiện qua nhiễu địa điện .................. 101 Kết luận............................................................................................................... 107 Kết luận chương ...................................................................................................... 108 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..................................................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 113 2
BẢNG VIẾT TẮT Đại lƣợng Đơn vị  - Điện trở suất .m a - điện trở suất biểu kiến .m m0 độ tích (nạp) điện mV/V mint độ tích (nạp) điện tích phân mV/V max góc pha MPA Mrad  - thời gian hồi phục Cole-Cole s c - Hệ số tần số mũ Cole-Cole c K - Geometric Factor Hệ số cấu hình cực, hệ số thiết bị Z- Tổng trở  - Ôm Y- Tổng dẫn Siemen - (mÔ) CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tẳt - Tiếng Anh Giải nghĩa ADC - Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số AVG - Average Trung bình BW - Band Width Băng thông CPA - Constant Phase Angle Góc pha không đổi CR - Complex Resistivity Điện trở suất phức CNLS - Complex Non-linear Least Square Bình phương tối thiểu phi tuyến phức DAC - Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự DAQ - Data Acquisition Bộ thu thập dữ liệu DC - Direct current Điện một chiều DCIP- Direct current Induced Polarization Điện một chiều và phân cực cảm ứng EEC - Electrical Equivalent Circuit Mạch điện tương đương EMCE - Electromagnetic Coupling effect Hiệu ứng ghép cặp điện từ 3
EMD - Electromagnetic Decoupling Tách cặp điện từ EIS - Electrical Impedance Spectroscopy Phổ tổng trở EIT - Electrical Impedance Tomography Ảnh tổng trở ERT - Electrical Resistance (Resistivity) Ảnh điện trở (suất) Tomography FD - Frequency domain Miền tần số FE - Field Experiment Thí nghiệm hiện trường, thực địa FFT - Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GN - Geoelectrical Noise Nhiễu địa điện IP - Induced Polarization Phân cực cảm ứng KSTĐ Khảo sát thực địa LMA - Levenberg- Marquardt Algorithm thuật toán Levenberg- Marquardt LS - Least Square Bình phương tối thiểu MSE - Mean Square Error Sai số bình phương trung mình SIP - Spectral Induced Polarization Phổ phân cực cảm ứng (kích thích) SSIP - Spread Spectrum Induced Phân cực cảm ứng trải phổ Polarization TD - Time Domain Miền thời gian TNHT Thí nghiệm hiện trường TVS - Transient Voltage Suppresor Bộ dập điện quá độ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phép đo tổng trở hiện trường ........................................ 15 Hình 1.2. Minh họa phương pháp đo TDIP ............................................................. 19 Hình 1.3. Minh họa phương pháp đo theo miền tần số ............................................ 21 Hình 1.4. Các cấu hình điện cực thông dụng và hệ số K tương ứng ....................... 27 Hình 2.1. Sơ đồ khối thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường ....................................... 45 Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu DAQ DNA-AI-211 ................................. 45 Hình 2.3. Sơ đồ khối và hình ảnh module DAC DNA-AO-308 .............................. 47 Hình 2.4. Sơ đồ khối của mạch xử lý tín hiệu tương tự ........................................... 48 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cách ly AD203SN ............................. 48 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch ASP...................................................................... 49 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh mạch nguồn cao áp .................................... 51 Hình 2.8. Hình ảnh minh họa hệ thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường..................... 52 Hình 2.9. Lưu đồ thuật toán phần mềm ................................................................... 53 Hình 2.10. Minh họa phần mềm đo phổ tổng trở (a) giao diện, (b) sơ đồ chương trình............................................................................................... 54 Hình 2.11. Cách tính sai số của Z............................................................................. 57 Hình 2.12. Module ước lượng tham số Zm() .......................................................... 58 Hình 2.13. Sơ đồ tương đương của tổng trở có tính EMCE .................................... 59 Hình 2.14. Giản đồ pha của tổng trở ........................................................................ 61 Hình 2.15. Độ lớn và pha của Z theo EM ................................................................ 62 Hình 2.16. Biên độ và pha của Z theo CP với R =100 Ohm ..................................... 63 Hình 2.17. Minh họa thiết bị thí nghiệm .................................................................. 64 Hình 2.18. Nhiễu nền của bộ thu dữ liệu U và I ...................................................... 64 Hình 2.19. Đặc trưng dòng - tần số .......................................................................... 65 Hình 2.20. Đặc trưng tải của nguồn phát dòng ........................................................ 66 Hình 2.21. Phổ biên độ và pha của M ...................................................................... 67 Hình 2.22. Phổ phổ biên độ và pha của Cp............................................................... 67 Hình 2.23. Phổ tổng trở: biên độ (a) và pha (b) của thuần trở R .............................. 68 5
Hình 2.24. Phổ tổng trở của mạch RC song song .................................................... 69 Hình 2.25. Thí nghiệm hiện trường .......................................................................... 69 Hình 2.26. Phổ nhiễu nền tại khu vực khảo sát ........................................................ 70 Hình 2.27. Phổ nhiễu theo trục logarit ..................................................................... 70 Hình 2.28. Phổ FFT của dòng phát và hiệu điện thế phản hồi ................................. 71 Hình 2.29. Dữ liệu thu toàn dạng sóng ở các tần số phát khác nhau ....................... 72 Hình 2.30. Phổ tổng trở của cấu hình Wenner  và Dipole - Dipole ...................... 73 Hình 2.31. Phổ tổng trở cường độ dòng phát khác nhau.......................................... 74 Hình 2.32. Kết quả đo ảnh hưởng của cùng và tách cáp .......................................... 74 Hình 2.33. Kết quả hiệu chỉnh EMCE ..................................................................... 75 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ ERT ................................................................................... 78 Hình 3.2. Hình ảnh minh họa thiết bị ERT hiện trường........................................... 80 Hình 3.3. Phần mềm GUI ......................................................................................... 83 Hình 3.4. Sơ đồ minh họa mạng điện trở chuẩn....................................................... 83 Hình 3.5. Biểu đồ phân bố kết quả đo với các điện trở chuẩn ................................. 84 Hình 3.6. Hình ảnh minh họa thí nghiệm hiện trường ............................................. 85 Hình 3.7. Kết quả các quá trình xử lý dữ liệu .......................................................... 87 Hình 3.8. Hai cách ước lượng điện trở suất biểu kiến ............................................. 88 Hình 3.9. Kết quả so sánh hai thiết bị ...................................................................... 89 Hình 3.10. Hình ảnh 2D được tạo bởi phần mềm tái tạo hình ảnh Earth Imager .... 90 Hình 3.11. Sơ đồ khối thiết bị nguồn tối ưu năng lượng mặt trời ............................ 94 Hình 3.12. Nguyên lý hoạt động của nguồn tối ưu năng lượng ............................... 95 Hình 3.13. Phổ tương quan của nhiễu điện từ do ô-tô gây ra .................................. 97 Hình 3.14. Phổ FFT theo tốc độ vòng tua động cơ .................................................. 98 Hình 3.15. Thiết bị dùng module ADS1282 EVM và sơ đồi khối........................... 99 Hình 3.16. Nhiễu nền của bộ thu thập dữ liệu 31 bit ............................................. 100 Hình 3.17. TD và Phổ time-FFT của nhiễu địa điện tại 334 Nguyễn Trãi ............ 101 Hình 3.18. Mô tả phương pháp và thiết bị ước lượng mật độ và tốc độ trung bình .......................................................................................................... 105 6
MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Phương pháp khảo sát ảnh điện EIT (Electrical Impedance Tomography), ERT (Electrical Resistance Tomography) là phương pháp đo lường không phá hủy, sử dụng nguồn kích thích chủ động nhằm mục đích thiết lập bản đồ phân bố cấu trúc bên trong một đối tượng dựa trên việc đo tính chất điện của đối tượng đó thông qua các điện cực gắn trên bề mặt. Trong khi ERT chỉ cho thông tin về thành phần một chiều của điện trở hay điện trở suất thì EIT cho nhiều thông tin về tính phân cực của môi trường qua trở kháng phức tại một hay nhiều tần số khác nhau. Phương pháp này đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực thăm dò địa vật lý, quan trắc môi trường đất, khảo sát địa chất cũng như những ứng dụng liên quan đến các cấu trúc lớp nông của bề mặt trái đất như địa chất công trình hay nông nghiệp công nghệ cao nói riêng. Để có được ảnh phân bố tổng trở EIT hay ERT của đối tượng, ta cần đo được tổng trở Z hoặc thuần trở R, tại các vị trí khác nhau trên đối tượng đo. Phép đo Z cơ bản sử dụng nguồn kích phát chủ động có cường độ dòng điện I() theo miền tần số hay I(t) theo miền thời gian phát qua hai điện cực dòng tới đối tượng quan sát. Hiệu điện thế phản hồi U() (hay U(t)) được thu lại tại hai điện cực khác ở các vị trí khác nhau. Trở suất phức biểu kiến thu được qua công thức a() = K.U()/I() hay phổ tổng trở EIS (Electrical Impedance Spectroscopy) và/hoặc độ phân cực cảm ứng (IP - Induced Polarization) thông qua độ tích-nạp điện m phụ thuộc tần số. Tuy nhiên, với các thí nghiệm hiện trường (TNHT) hay khảo sát thực địa (KSTĐ) như ứng dụng trong lĩnh vực khảo sát địa vật lý, đối tượng thí nghiệm là bề mặt trái đất có cấu trúc phức tạp kết hợp với nhiều nguồn nhiễu tự nhiên và nhân tạo có biên độ lớn và băng tần rộng. Điều đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của kết quả thu được do tín hiệu có khả năng bị chìm trong nhiễu. Đồng thời, do khoảng cách giữa các điện cực lớn nhất là với các phép đo sâu, các hiệu ứng ghép cặp điện từ - EMCE giữa dây tín hiệu và bề mặt trái đất ảnh hưởng mạnh nhất là khi đo ở tần số cao lớn hơn 100 Hz. Ngoài ra, nhiều nguyên nhân đến hiệu quả của thí nghiệm 7
cũng gặp phải đối với các phép đo EIT hiện trường khác với thí nghiệm trong phòng thí nghiệm như: sự phân cực điện cực, thiết kế cấu hình khảo sát, thiết bị đặc thù, chi phí và thời gian khảo sát. Nhiều nghiên cứu phát triển phương pháp EIT, ERT trong điều kiện TNHT đã và đang được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau trong nhiều thập kỷ qua. Các nghiên cứu thường được thực hiện theo ba công đoạn của thí nghiệm là: (1) thiết kế khảo sát để có cấu hình cực tối ưu, (2) phát triển thiết bị cũng như phương pháp thu thập, xử lý dữ liệu và (3) tái tạo hình ảnh thông qua phát triển phương pháp cũng như thuật toán giải bài toán ngược từ 1 đến 4 chiều (1D-4D). Mục tiêu chung đều hướng tới là nâng cao được độ tin cậy của phép đo cũng hiệu quả của thí nghiệm thông qua các đánh giá về độ chính xác của giá trị của trở suất biểu kiến, độ phân giải, độ sâu khảo sát, chi phí, thời gian khảo sát và mức năng lượng tiêu thụ. Gần đây, nhiều mục tiêu ứng dụng trong các lĩnh vực như khảo sát các công trình ngầm, ô nhiễm môi trường đất hay phát triển nông nghiệp công nghệ cao đang trở nên cấp bách không chỉ với các nước đang phát triển. Phương pháp khảo sát ảnh điện có nhiều ưu điểm nhất là chi phí khảo sát thấp hơn các phương pháp địa vật lý khác. Trong khi đó, nền nhiễu địa điện ở khu vực đô thị rất cao do nguyên nhân từ các hoạt động nhân tạo, điều đó làm sai lệch kết quả đo điện trở suất phức nhất là khi đo theo tần số. Việc triển khai các hệ đa điện cực để tăng hiệu quả khảo sát đòi hỏi chi phí cao và phải xét đến EMCE rất phức tạp giữa các cáp tín hiệu. Gần đây, một số nghiên cứu kết hợp đo đồng thời nhiều đại lượng DC và IP theo miền thời gian, cũng như các hiệu chỉnh biên độ-pha của điện trở suất phức để giảm thời gian khảo sát và hiệu chỉnh EMCE ở tần số cao đối với KSHT. Những nghiên cứu này góp phần làm tăng độ chính xác và hiệu quả khảo sát trong môi trường đô thị. Trước đây việc tính toán số phức tạp trên các chip vi điều khiển hay máy tính nhúng cấu hình thấp là không thực hiện được với các thiết bị thăm dò ảnh điện có chất lượng cao bởi khả năng thu nhận dữ liệu được ít và tốn nhiều thời gian. Hiện nay, nhờ sự phát triển của công nghệ điện tử viễn thông như các bộ thu thập số liệu độ phân giải cao, hệ thống thông tin vô tuyến, các công cụ xử lý tín hiệu và số liệu hiện đại như các mạch lọc số, ước lượng tham số dữ liệu lớn, việc áp dụng những 8
thành quả đó vào bài toán ước lượng tổng trở cho thí nghiệm EIT hiện trường có nhiều cơ hội để thử nghiệm. Ngoài ra, sự phát triển và giảm giá thành của các tấm pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao, các thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện, pin Lithium Polymer cũng hứa hẹn nhiều giải pháp ứng dụng lý thú. Trước những thách thức nghiên cứu, nhu cầu triển khai ứng dụng thực tiễn, cũng như các thành quả lý thú của công nghệ hiện đại chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện” nhằm góp phần phát triển phương pháp và các giải pháp ứng dụng trong điều kiện KSTĐ Việt Nam. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Mục tiêu chung: Áp dụng những thành quả của vật lý, kỹ thuật điện tử và công cụ tính toán hiện đại vào việc nghiên cứu phương pháp và triển khai chế tạo những thiết bị khoa học kỹ thuật, thực hiện các giải pháp ứng dụng phù hợp và nhanh chóng áp dụng vào thực tiễn Việt Nam. - Mục tiêu cụ thể: Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo EIS đáng tin cậy cho thí nghiệm hiện trường, qua đó thử nghiệm phương pháp ước lượng tham số đối với Z() đo đồng thời DCIP theo miền tần số FD, đánh giá nguồn nhiễu ở khu vực đô thị do các phương tiện giao thông đường bộ gây ra, đánh giá khả năng sử dụng cáp viễn thông thương mại cho thiết bị EIT, ERT đa cực và cuối cùng là đề xuất và thực hiện giải pháp triển khai nhanh việc chế tạo thiết bị ERT đa cực cho TNHT cũng như các ứng dụng liên quan. - Phạm vi nghiên cứu: Trong ba công đoạn của khảo sát ảnh điện thực địa, phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn ở nội dung (2) nghiên cứu phương pháp và xây dựng thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu cho TNHT, cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Đối tượng tượng khảo sát là tín hiệu địa điện và tổng trở suất của lớp nông bề mặt trái đất ở khu vực đô thị, các đại lượng cần ước lượng là các giá trị các biểu kiến của điện trở suất thực và phức, nhiễu nền tự nhiên và nhân tạo, và các giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả của phương pháp EIT hiện trường cũng như những ứng dụng liên quan. 9
Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan phương pháp ERT, EIT cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo EIS khi áp dụng cho điều kiện thí nghiệm trong lĩnh vực địa vật lý - KSTĐ. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo EIS cho thí nghiệm hiện trường về phần cứng, phần mềm, áp dụng các phương pháp xử lý số liệu và đánh giá các thông số kỹ thuật của thiết bị trong phòng thí nghiệm thông qua các chuẩn hóa với mẫu chuẩn, đánh giá khả năng TNHT. Tiến hành TNHT: đo và phân tích các nguồn nhiễu ngoài (tự nhiên, nhân tạo) tại khu vực đô thị, đo và ước lượng giá trị và độ bất định của tổng trở phức. Qua đó đánh giá về phổ của nhiễu nền và độ tin cậy của phép đo với thiết bị thử nghiệm. Đề xuất giải pháp kỹ thuật và triển khai nhanh việc chế tạo chế tạo thiết bị đo đa cực phù hợp với điều kiện Việt Nam. Tiếp đó tiến hành các KSTĐ tại các vị trí ở các khu vực khác nhau trên địa bàn Hà Nội, đồng thời có sự so sánh với thiết bị thương mại đang phổ biến ở Việt Nam là SuperSting R1 ở cùng điều kiện thí nghiệm, qua đó đánh giá được hiệu quả của giải pháp đề xuất. Đề xuất các giải pháp ứng dụng qua những kết quả thu được cũng như hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ được thực hiện. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp thực nghiệm, kết hợp tính toán và thực hiện qua lập trình qua các bước từ việc xây dựng thiết bị trong phòng thí nghiệm, và triển khai thí nghiệm ngoài hiện trường đến các ứng dụng thực tiễn của kết quả nghiên cứu. Thiết bị được xây dựng các mạch điện tử tự thiết kế từ các linh kiện rời đáng tin cậy và các chip, modul thu thập dữ liệu có độ phân giải cao 16-31 bit (Texas Instruments, Apex Technology, Analog Devices, National Instruments, United Electronics), chuẩn hóa với các đối tượng đã biết và so sánh với các thiết bị tiêu chuẩn đã được thương mại (SuperSting AGI), kết hợp với phần mềm lập trình, xử lý số liệu và biểu diễn kết quả bằng các ngôn ngữ Labview, Visual Basics và R. Số liệu thu thập được có thể xử lý ngay hoặc lưu trữ vào file có cấu trúc phù hợp cho các xử lý về sau. 10
Ý nghĩa khoa học của luận án + Thông tin về nhiễu địa điện khu vực đô thị, trường hợp ví dụ là khu vực tại Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội. Nhiễu địa điện khu vực đô thị trong dải tần số từ vài Hz đến vài kHz nằm trong vùng tần số của EIT hiện trường có nguyên nhân từ các phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ sinh ra. Nhiễu này tỷ lệ với tốc độ và mật độ giao thông trung bình của các phương tiện. + Đóng góp thêm thông tin để hoàn thiện phương pháp EIT hiện trường như: kỹ thuật thu phát toàn dạng sóng tùy ý, phương pháp ước lượng tham số với dạng sóng thu được, phương pháp thực nghiệm hiệu chỉnh EMCE, đo đồng thời điện trở suất một chiều và IP bằng phương pháp FDIP ở tần số > 1Hz với chỉ vài chu kỳ, điều đó giảm được thời gian khảo sát ảnh điện. Những điểm mới của luận án + Việc áp dụng được những thành quả của vật lý, kỹ thuật điện tử và công cụ tính toán hiện đại trong nghiên cứu và triển khai chế tạo thiết bị khảo sát địa điện đã đóng góp thêm thông tin bổ sung hữu ích để hoàn thiện phương pháp EIT hiện trường, đó là: bổ sung kết quả thực hiện phép đo theo miền tần số, ước lượng tham số các giá trị tổng trở (độ lớn - pha), phương pháp hiệu chỉnh EMCE toàn dải thông qua giá trị của tổng trở ở tần số thấp, các ảnh hưởng của nhiễu địa điện, đặc biệt khi việc khảo sát được thực hiện ở khu vực đô thị. Bổ sung thông tin về nhiễu địa điện trong dải tần số thấp thường dùng trong khảo sát địa điện và cả vùng tần số cao hơn đến 3 kHz ở khu vực đô thị. Những kết quả này đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả của việc khảo sát EIT ở khu vực đô thị có nhiều nguồn nhiễu băng thông rộng, làm giảm thời gian kháo sát, nâng cao độ chính xác của phép đo. + Xây dựng được thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường EIS cơ bản hoàn chỉnh và có khả năng hoạt động trong điều kiện thực địa ở khu vực đô thị có nền nhiễu địa điện cao. + Triển khai chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị khảo sát địa điện ERT đa cực dùng điện một chiều với giải pháp mô-đun hóa và đạt được các tiêu chí: nhanh chóng triển khai, chi phí thấp, thu nhận và xử lý số liệu toàn dạng sóng và cho hiệu quả cao. 11
+ Đưa ra được các giải pháp ứng dụng ban đầu với nguồn điện mặt trời qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị đo và quan trắc, giải pháp ước lượng mật độ và tốc độ trung bình của các phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ dựa vào nhiễu địa điện. Cấu trúc của luận án Luận án gồm ba chương:  Chương 1: Tổng quan về bài toán khảo sát ảnh điện EIT hiện trường, cơ sở lý thuyết, phương pháp đo, các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo, các nghiên cứu đã thực hiện và nêu ra những vấn đề còn đang tồn tại cả về lý luận cũng như thực tiễn.  Chương 2: Xây dựng hệ đo phổ EIS cho thí nghiệm hiện trường gồm: xây dựng phần cứng bộ phát tín hiệu dòng có dạng sóng tùy ý, bộ chuyển đổi điện áp-dòng điện có hiệu điện thế bám cao, bộ thu thập dữ liệu đa kênh, thuật toán và giao diện chương trình phần mềm, các tính toán cho ước lượng tham số và hiệu chỉnh EMCE giữa cáp và cáp. Kiểm chuẩn qua các đối tượng biết trước để đánh giá các thông số của cáp tín hiệu và hệ thống. Trình bày các kết quả thu được trong quá trình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và KSTĐ, cũng như các so sánh, biện luận liên quan đến kết quả thu được. Từ đó, chứng minh tính đúng đắn của phương pháp cũng như độ tin cậy của thiết bị.  Chương 3: Đề xuất các giải pháp và ứng dụng thực tiễn: triển khai nhanh thiết bị ERT hiện trường phù hợp điều kiện Việt Nam, chi phí thấp, các kết quả đạt được và so sánh với thiết bị thương mại. Đề xuất giải pháp nguồn năng lượng quan trắc ERT sử dụng điện mặt trời và ứng dụng của nhiễu địa điện trong quan trắc mật độ phương tiện giao thông. Kết quả công bố Kết quả đạt được: 01 báo cáo hội nghị cấp quốc gia, 03 công trình khoa học công bố trong tạp chí khoa học cấp quốc gia, 01 công trình công bố trên tạp chí quốc tế, 02 đăng ký sở hữu trí tuệ liên quan đã được chấp nhận đơn hợp lệ. 12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN Phương pháp ảnh điện trở ERT dùng cho khảo sát thực địa còn gọi là phương pháp khảo sát hay thăm dò điện xuất hiện cách đây đã hơn 100 năm và là một trong phương pháp thăm dò địa vật lý thông dụng nhất hiện nay [87, 151]. Phương pháp này dùng để vẽ ảnh phân bố điện trở suất của khu vực cần khảo sát với độ phân giải có thể từ vài milimet đến hàng kilomet thông qua việc đo điện trở một chiều ở các vị trí khác nhau với cùng cấu hình điện cực [15]. Ứng dụng của phương pháp ERT trải rộng ở nhiều lĩnh vực như: khảo sát môi trường, tìm kiếm tài nguyên, nước, khoáng sản, phát hiện tai biến ngầm, trượt lớp [22, 152, 167]. Hiện nay, các nghiên cứu phương pháp cũng như ứng dụng ERT được phát triển theo ba hướng chính: (1) phát triển thuật toán khảo sát được tối ưu hóa nhằm tiết kiệm thời gian nhưng vẫn cho độ phân giải cao [146, 169] (2) phát triển thiết bị mới có khả năng thu thập xử lý dữ liệu lớn 3D, có khả năng đo 4D - trên sơ sở sự phụ thuộc của điện trở suất (tham số của thăm dò địa điện) vào nhiều quá trình cần khảo sát theo thời gian[16, 145, 170]) (3) các phương pháp nâng cao độ chính xác của kết quả giải bài toán ngược áp dụng cho khảo sát 3D và 4D [87, 168]. Trong khi ERT là phép đo ở tần số rất thấp hay dòng điện một chiều, khi mà các hiệu ứng về phân cực thể hiện các tính chất điện hóa diễn ra trên các mặt phân lớp hoặc các biên hạt [113] bên trong môi trường không được tính đến, EIT là phương pháp ảnh tổng trở có tính đến các hiệu ứng phân cực cảm ứng IP thông qua hệ số tích điện m và cho biết nhiều thông tin về đối tượng đo [14]. Khái niệm về IP thực tế hay bị lẫn với các hiệu ứng EMC do trước đây không tính đến hiệu ứng này, đại lượng đánh giá cụ thể hơn là tham số tổng trở suất phức CR biểu kiến () với các thành phần thực-ảo hay biên độ - pha được hồi quy theo các mô hình khác nhau như mô hình Cole-Cole với các tham số thời gian hồi phục phản ánh độ phân tán của trở kháng theo tần số [111]. Các phép đo EIT được thực hiện ở một hoặc nhiều tần số tại nhiều vị trí khác nhau, các phép đo có nhiều tên gọi tùy vào phương pháp đo cũng như mục đích đo nhưng sự chuyển đổi giữa các đại lượng này hoàn toàn 13
thực hiện được dễ dàng. Phổ tổng trở đo được với TNHT được gọi điện trở suất (thực-phức) biểu kiến.Giá trị IP đo được theo các tần số khác nhau gọi là khảo sát SIP - phổ phân cực cảm ứng, đo CR theo các tần số gọi là phổ trở suất phức hay phổ tổng trở EIS, thông tin thu được là biên độ - pha hay phần Z thực-ảo. Khảo sát SIP hay phổ trở suất phức CR, EIS cho nhiều thông tin hơn khảo sát điện trở nhưng cũng gặp nhiều khó khăn hơn trong việc ước lượng giá trị của các đại lượng. Thông tin về SIP hay phổ CR được dùng để hoàn thiện những hiểu biết về tính chất điện của các môi trường xốp hay sinh hóa bởi độ dẫn phức có độ nhạy cao với các môi trường này [71]. Điều đó khiến SIP có nhiều giá trị trong khảo sát các đặc trưng bề mặt, tìm kiếm khoáng kim loại [111], ô nhiễm [158], quan trắc quá trình hồi phục môi trường [47] hay hoạt động của vi khuẩn [127], nông nghiệp [88]. Tuy nhiên, ở tần số cao hơn 100 Hz, sai số về pha trở nên đáng kể do các hiệu ứng về điện dung ngoài mong muốn tạo bởi bởi các tụ điện ký sinh trong mạch điện tử cấu thành thiết bị được quan sát bởi một số nghiên cứu [14, 71, 141]. Những hiệu ứng này khiến các phép đo SIP trở nên bất định ở tần số cao. Gần đây, phương pháp IP và SIP được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển, như mô hình hóa bài toán thuận [11, 29, 69], thu thập dữ liệu [41, 45, 97, 106, 148], minh giải bài toán ngược và tái tạo hình ảnh [44, 73, 80]. 1.1. Phƣơng pháp ảnh điện ERT, EIT hiện trƣờng 1.1.1. Cơ sở phƣơng pháp ảnh điện Về cơ bản, phương pháp ảnh điện ERT, EIT dựa trên phép đo điện trở suất () hay độ dẫn () thông qua việc phát một dòng điện có cường độ I() = FT[I(t)] xuống bề mặt đối tượng qua hai điện cực dòng, hiệu điện thế phản hồi được thực hiện qua hai điện cực khác các điện cực gắn với đối tượng cần đo U(). Hàm truyền phức H() trong trường hợp (phép đo) này là tỷ số: U ( ) FFT U (t ) H ( )  Z ( )   (1.1) I ( ) FFT I (t ) Với đối tượng là bề mặt trái đất phép đo được thực hiện với thí nghiệm hiện trường - (TNHT) hay khảo sát thực địa - (KSTĐ), không phải trong phòng thí 14
nghiệm. Do đó, bài toán đối với phương pháp đo cho TNHT khác với bài toán đo tổng trở cơ bản ở chỗ áp dụng cho đối tượng là nửa không gian vô hạn, đồng nhất hoặc phân lớp dọc, ngang và phải tính đến các hiệu ứng ghép cặp điện cảm và điện dung hay hiệu ứng ghép cặp điện từ - (EMC) gây ra. Trong trường hợp lý tưởng, xét hệ thí nghiệm gồm vật dẫn điện chiếm nửa không gian đồng nhất, trên đó có gắn bốn điện cực bao gồm hai điện cực phát dòng và hai điện cực thu thế phản hồi. Hệ điện cực trên tạo thành hai lưỡng cực điện như trên hình 1.1 Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phép đo tổng trở hiện trường Tổng trở Zmeas() được tính qua định luận Ohm qua các giá trị đo được của cường độ dòng điện I() và U(). U ( ) 2 2   Q  r   C P 2 Z meas ( )      P  r  cos   dsdS (1.2) I ( ) C1 P1  sS  Trong đó, C1, C2, P1 và P2 là các điểm cuối của đường dây nối bộ phát và bộ thu (điểm cắm đất), dS và ds là các phần tử vi phân của hai dây (các lưỡng cực ảo),  là góc giữa phần tử dây ds và dS [149]. Với nửa không gian đồng nhất và dòng điện dịch trong không khí bỏ qua được thì: 1  ( ) Q r     Q( C1P1 )  Q( C2 P1 )  Q( C1P2 )  Q( C2 P2 ) (1.3) 2 ( )r 2 r 15
là hàm phản ánh thông tin cấu trúc bề mặt của đối tượng (mặt đất), r là khoảng cách giữa hai phần từ ds và dS, () là độ dẫn điện và *()=1/*() là điện trở suất phức. i0 1  1   r  e   r P r     (1.4) 2 r   r  2  là hàm số đặc trưng cho trở kháng liên kết đặc trưng cho ghép cặp điện từ EMC giữa hai dây với mặt đất [161, 162],   i0    1/2 là hằng số điện soáy với:  là tần số góc, 0 là hằng số từ thẩm chân không. Tuy nhiên, trong thực tế khi vỏ trái đất bị phân lớp và / hoặc dị hướng, dạng Z được đưa ra bởi phương trình (1.2) vẫn còn hiệu lực nhưng P(r) và Q(r) có dạng phức tạp hơn [38, 65, 161, 163]  i0    TE  P r      R    J 0   r  d  (1.5) 4 0  u0 u0   i0     Q r   2  4 k0 0  u0 1  RTE      RTE     RTM   J 0   r  d  (1.6) u0  Với u0   2  k02 và k02   2 0 0 , k0 là hằng số truyền của chân không, J0 là hàm Bessel bậc 0 và  là biến tích phân. RTE và RTM là hệ số phản xạ cho mode điện trường và từ trường ngang. Những tham số đó phụ thuộc vào sự phân lớp của bề mặt và tính chất điện từ của mỗi phân lớp. Phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng: Z meas    Z IP    Z EM  K ,  ,  *    (1.7) Với C2 P2  2Q  r   *   Z IP ( )    sS C1 P1 dsdS  K (1.8) C2 P2 Z EM  K ,  ,  ( )     P  r  cos dsdS (1.9) C1 P1 16