NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LAI THỊ VÂN QUYÊN

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ
DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LAI THỊ VÂN QUYÊN

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ
DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số ngành: 9.52.02.03

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
Hướng dẫn 1. PGS.TSKH. Nguyễn Hồng Vũ
Hướng dẫn 2: GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin

Hà Nội, 2022


LỜI CAM ĐOAN

Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến
Điện tử và GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. TSKH. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học Bách Khoa St.
Peterburg.
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận án này là nghiên cứu của mình cùng với sự
hỗ trợ về kinh phí của Bộ cơng thương thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: “Tiếp nhận, làm chủ
cơng nghệ đo kích thước và vận tốc hạt bằng phương pháp quang học ứng dụng trong hệ thống quan trắc lượng
mưa phục vụ nghiên cứu chống biến đổi khí hậu” và sự hỗ trợ về máy móc, thiết bị, nhân lực của Viện NC Điện
tử, Tin học, Tự động hóa. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và một phần đã được cơng bố trên
các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các
thơng tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo.
Tác giả

Lai Thị Vân Quyên

i


LỜI CÁM ƠN
Để hồn thành được luận án này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ, tổng

thư ký Hội Vô tuyến Điện tử, GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. TSKH. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học
Bách Khoa St. Peterburg, và TS. Nguyễn Thế Truyện – Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã tận tình
hướng dẫn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa cùng các anh, chị, bạn
bè đồng nghiệp trong Viện đã chia sẻ, động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện bản luận án này.
Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình đã ln bên tơi, quan tâm, động viên, tạo điều
kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành bản luận án này.

Tác giả

Lai Thị Vân Quyên

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................................................... I
LỜI CÁM ƠN........................................................................................................................................................ II
CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG...................................................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT................................................................................................... VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................................................................................. IX
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA.................................................... 6

1.1.

Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa.............................................................................. 6

1.1.1.

Các phương pháp đo kích thước hạt mưa.............................................................................................. 6

1.1.2.

Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học............................................ 11

1.1.2.1.

Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện............................................... 12

1.1.2.2.

Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện................................................................ 21

1.2.

Đánh giá và lựa chọn phương pháp đo nghiên cứu, cải tiến.................................................................. 33

1.3.

Xây dựng bài toán nghiên cứu và nội dung công việc cần thực hiện.................................................... 34

1.4.

Kết luận chương I................................................................................................................................... 35

CHƯƠNG II.

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC,

KÍCH THƯỚC HẠT MƯA.................................................................................................................................. 36

2.1.

Mơ hình đo và những hạn chế............................................................................................................... 36

2.2.

Đề xuất về khoa học.............................................................................................................................. 38

2.2.1.

Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý số liệu............................................................. 38

2.2.1.1.

Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện........................................................... 38

2.2.1.2.

Phân tích các xung quang điện........................................................................................................... 39

2.2.2.

Đề xuất biểu thức, thuật tốn xử lý tính kích thước và tốc độ hạt...................................................... 45

2.2.2.1.

Biểu thức tính kích thước hạt............................................................................................................. 45

2.2.2.2.

Biểu thức tính vận tốc hạt................................................................................................................... 51

2.2.2.3.

Đề xuất thuật tốn tính kích thước và vận tốc hạt............................................................................... 54

2.3.

Đề xuất hồn thiện cơng nghệ............................................................................................................... 58

2.3.1.

Thay thế nguồn sáng........................................................................................................................... 58

2.3.2.

Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang................................................................................ 59

2.3.3.

Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu................................................................................................... 59

iii


2.3.4.

Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo............................................................................................... 60

2.3.5.

Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa của luận án......................................................................... 66

2.4.

Đánh giá mơ hình tốn học đề xuất cho dạng hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc................68

2.5.

Kết luận chương II................................................................................................................................ 69

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC
TRÊN MƠ HÌNH ĐỀ XUẤT................................................................................................................................ 71

3.1.

Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc bằng thực nghiệm............................... 71

3.1.1.

Tham số đánh giá................................................................................................................................ 71

3.1.2.

Mơ hình đánh giá................................................................................................................................ 72

3.1.3.

Kết quả và đánh giá............................................................................................................................ 75

3.2.

Triển khai, đánh giá thử nghiệm trong phịng thí nghiệm......................................................................... 76

3.2.1.

Kịch bản đánh giá 1 thử nghiệm với viên bi sắt................................................................................. 76

3.2.2.

Kịch bản đánh giá 2 thử nghiệm với hạt lỏng thả từ ống nhỏ giọt..................................................... 80

3.2.3.

Kịch bản đánh giá 3 thử nghiệm với mơ hình tạo mưa....................................................................... 88

3.3.

Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mịn............................................ 92

3.3.1.

Mơ hình kịch bản đánh giá................................................................................................................. 93

3.3.2.

Phân tích, xử lý số liệu thông số trận mưa đo được và đề xuất ứng dụng đánh giá xói mịn đất ở Việt

Nam

95

3.4.

Kết luận chương III................................................................................................................................ 99

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................................................................................. 100
CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN................................................................................................ 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................................. 103
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................................... 111
Phụ lục 1. Hình xung quang điện khi thả các viên bi sắt đường kính khác nhau qua khoảng đo của thiết bị và một
số đánh giá sơ bộ.............................................................................................................................................. 111
Phụ lục 2. Bản vẽ thiết kế phần điện tử của thiết bị đo mưa cải tiến................................................................ 118
Phụ lục 3. Các kết quả đo với mơ hình thử nghiệm với viên bi sắt................................................................... 123
Phụ lục 4: Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo......................................................................126
Phụ lục 5. Module phần mềm tính tốn các tham số hạt mưa và trận mưa.......................................................... 135

iv


CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG
Ký
hiệu

Ý nghĩa

D

Đường kính

I

Cường độ mưa

ix_y

Giá trị rời rạc trong tập giá trị mô tả xung quang điện thu được tương ứng
với giá trị mức x% của biên độ xung lớn nhất trên sườn xung thứ y

KE

Động năng của mưa

lc

Chiều dài của khe nhạy sáng

ld

Độ bằng đầu của xung quang điện thu được

M

Độ sâu điều chế

R

Lượng mưa

Umax

Biên độ cực đại của xung quang điện thu được

Umin

Biên độ cực tiểu của xung quang điện thu được

v

Vận tốc

g

Khoảng cách giữa các khe nhạy sáng

w

Chiều rộng của khe nhạy sáng


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết

Từ gốc

Nghĩa tiếng Việt

tắt
2DVD

Two Dimension Video Disdrometer

Thiết bị đo mưa bằng hình ảnh hai
chiều

D

Diameter

Đường kính

DIA

Dynamic Image Analysis

Phân tích hình ảnh động

DLS

Dynamic Lighty Scattering

Tán xạ ánh sáng động

I

Intensity

Cường độ

JWD

Joss Waldvogel Disdrometer

Thiết bị đo mưa Joss Waldvogel

KE

Kinetic Energy

Động năng

LALLS

Low Angle Laser Light

Tán xạ góc hẹp ánh sáng laser

Scattering
LD

Laser Diode

Laser điốt

LD-DM

Laser Diffraction – Dynamic

Nhiễu xạ laser chế độ động

Mode
LD-SM

Laser Diffraction – Static Mode

Nhiễu xạ laser chế độ tĩnh

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

OP

Optical Counting

Đếm quang học

Parsivel

Particle Size Velocity

Tốc độ và kích thước hạt

P-POD

Paired pulse optical Disdrometer

Thiết bị đo mưa quang học loại hai
xung

RUSLE

Revised Universal Soil Loss

Phương trình mất đất hiệu chỉnh

Equation
SEM

Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử qt

SIA

Static Image Analysis

Phân tích hình ảnh tĩnh

SNR

Signal To Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu

SVI

Snowflake Video Imager

Thiết bị đo tuyết bằng hình ảnh

TEM

Transmission electron

Kính hiển vi điện tử truyền qua

microscopy
TLPM

Thies Laser Precipitation

Máy đo lượng mưa bằng laser Thies

Monitor
USLE

Universal Soil Loss Equation

Phương trình mất đất tổng quát


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ngun lý đo kích thước bằng tác động cơ học [22]..............................................................................7

Hình 1.2. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22]..................................................................................8
Hình 1.3. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hình ảnh [22,57]..........................................................9
Hình 1.4. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hiệu ứng quang.........................................................10
Hình 1.5. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạt.........................................................................11
Hình 1.6. Mơ hình đo của thiết bị P-POD [30]....................................................................................................12
Hình 1.7. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26].............................................................................13
Hình 1.8. Hai mơ hình đo Thies LPM và Parsivel 2............................................................................................14
Hình 1.9. Mơ tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8]...................................................14
Hình 1.10. Mơ tả các mặt chiếu của mơ hình đo Parsivel1 [38]..........................................................................15
Hình 1.11. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38].....................................................16
Hình 1.12. Mặt khe nhạy sáng trong mơ hình D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin
.............................................................................................................................. 21
Hình 1.13. Sơ đồ khối thiết bị đo hạt từ hai xung quang điện [14]......................................................................22
Hình 1.14. Mơ tả một dạng xung quang điện thu được trong mơ hình D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin [16] khi
hạt rơi qua khoảng đo..........................................................................................................................................23
Hình 1.15. Một đường cong hiệu chỉnh M(R)-1 và C(R)-2 trong mơ hình đo bằng độ sâu điều chế [14]..........25
Hình 1.16. Mơ hình thực tế thiết bị đo kích thước hạt trong nghiên cứu [14,16]................................................26
Hình 1.17. Mơ hình thiết bị cải tiến của Bryson Evan Winsky............................................................................27
Hình 1.18. Xung quang điện thu được trên thiết bị đo ở cơng trình [3]..............................................................28
Hình 1.19. Các dường cong phân tích đa thức và hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa
đường kính hạt thực với đường kính
D1
2

ma
x

........................................................... 29

Hình 2.1. Sơ đồ kết cấu hệ đo do D. V. Kiesewetter and V. I. Malyugin đề xuất ... 37 Hình 2.2. Mơ hình thực

nghiệm xác định xung quang điện.......................................................................................................................39
Hình 2.3. Hình dạng xung hai chồi trên cảm biến quang ứng với vị trí rơi của hạt . 39 Hình 2.4. Hình dạng xung
hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi............................................................................................40
Hình 2.5. Mơ tả hình dạng một chồi xung sau xử lý với phần cứng của luận án......................................................44


Hình 2.6. Mơ tả các điểm lựa chọn trong xung quang điện dạng hai chồi...........................................................46
Hình 2.7. Sự phụ thuộc của đường kính D vào k075........................................................................................... 48
Hình 2.8. Dạng xung quang điện có một chồi......................................................................................................49
Hình 2.9. Mơ tả xung quang điện ứng với vị trí của hạt khi bay vào khoảng đo.................................................52
Hình 2.10. Sơ đồ thuật tốn xác định dạng xung và biến số tương ứng..............................................................56
Hình 2.11. Sơ đồ thuật tốn xác định đường kính và vận tốc hạt.........................................................................57
Hình 2.12. Mơ tả cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất........................................................................60
Hình 2.13. Sơ đồ khối thiết bị đo mưa của luận án..............................................................................................61
Hình 2.14. Lị xo chỉnh nguồn quang của hệ quang.............................................................................................64
Hình 2.15. Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất...................................................................................65
Hình 2.16. Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa của luận án....................................................67
Hình 2.17. Kết quả hiệu chỉnh mềm với các hạt nhỏ hơn 3,5mm........................................................................68
Hình 3.1. Mơ hình kịch bản đánh giá hai phương pháp đo..................................................................................73
Hình 3.2. Lưu đồ thuật tốn đo D và so sánh theo hai phương pháp M và k075................................................. 74
Hình 3.3. So sánh đường kính trung bình của hai phương pháp tính với hạt mẫu...............................................75
Hình 3.4. So sánh sai số của hai phương pháp tính với hạt mẫu..........................................................................75
Hình 3.5. Hình ảnh viên bi mẫu có đường kính biết trước...................................................................................77
Hình 3.6. Đường kính đo của từng cỡ bi mẫu trong mơ hình thử nghiệm 1........................................................79
Hình 3.7. Đường kính trung bình của viên bi trong mơ hình thử nghiệm 1.........................................................79
Hình 3.8. Sai số tương đối của viên bi trong mơ hình thử nghiệm 1...................................................................80
Hình 3.9. Mơ hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 2...........................................................................................81
Hình 3.10. Các loại đầu nhỏ giọt sử dụng............................................................................................................82
Hình 3.11. Kết quả đo kích thước hạt nước với từng cỡ đầu khi tốc độ không đổi . 83 Hình 3.12. Kết quả đo kích
thước hạt nước khi tốc độ thay đổi......................................................................................................................84

Hình 3.13. Các kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt................................................87
Hình 3.14. Thiết bị đo mưa The Rain Collector II của Davis Mỹ.......................................................................90
Hình 3.15. Mơ hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 3.........................................................................................90
Hình 3.16. Trung bình lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3...................................................................91
Hình 3.17. Sai số tuyệt đối lượng mưa đo trong mơ hình thực nghiệm 3............................................................91
Hình 3.18. Bố trí thiết bị trong hệ thử nghiệm đo mưa........................................................................................92


Hình 3.19. Thiết bị đo và mơ hình thực nghiệm đo các thơng số mưa..................................................................93
Hình 3.20. Trạm đo các thơng số mưa đặt tại trạm khí tượng Hà Đơng................................................................94
Hình 3.21. Phân bố kích thước, vận tốc hạt trong một trận mưa điển hình............................................................96
Hình 3.22. Mối quan hệ giữa xác suất xuất hiện và kích thước hạt.......................................................................97
Hình 3.23. Mơ tả mối quan hệ KEtime(I) trong khoảng thời gian quan sát...........................................................98
Hình P1.1. Mô tả cách xác định độ rộng xung dương và xung âm của oscillo....................................................111
Hình P2.1. Mạch nguyên lý khối phát quan của thiết bị đo mưa.........................................................................118
Hình P2.2. Sơ đồ mạch in của khối phát quang của thiết bị đo mưa...................................................................119
Hình P2.3. Mạch nguyên lý khối thu quang.........................................................................................................120
Hình P2.4. Sơ đồ mạch in của khối thu quang của thiết bị đo mưa.....................................................................120
Hình P2.5. Sơ đồ nguyên lý khối CPU của thiết bị đo mưa.................................................................................121
Hình P2.6. Sơ đồ mạch in của khối CPU của thiết bị đo mưa.............................................................................122
Hình P3.1. Các kết quả đo với mơ hình thử nghiệm viên bi sắt...........................................................................125


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các cơng trình đã nghiên cứu về phương pháp đo thông số hạt mưa dựa trên một xung quang điện. . .18
Bảng 1.2. Các công trình nghiên cứu về phương pháp hai xung quang điện.......................................................31
Bảng 1.3. So sánh, đánh giá các cơng trình nghiên cứu đo bằng hai xung..........................................................33
Bảng 2.1. So sánh các thông số của LED và LD [63]..........................................................................................59
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo mưa đề xuất trong luận án..............................................................70
Bảng 3.1. Đường kính hạt chuẩn dùng cho so sánh đề xuất với nghiên cứu gốc......................................................73

Bảng 3.2. Kết quả so sánh về hiệu quả đo của hai phương pháp M và k075............................................................ 76
Bảng 3.3. Đường kính hạt chuẩn từ 1 ÷ 10 mm được đo bằng thước panme...........................................................77
Bảng 3.4. Các kết quả đo đạc khi thả rơi từng cỡ hạt nước.....................................................................................85
Bảng 3.5. Các kết quả đo đạc khi thả rơi các cỡ hạt nước cùng lúc.........................................................................88
Bảng 3.6. Bảng số liệu đo thử nghiệm thiết bị đo của luận án với mưa thực tế...................................................95
Bảng P1.1. Bảng dạng xung ứng với các cỡ hạt và một vài thông số liên quan đến các điểm đặc biệt..............112


MỞ ĐẦU
Đo kích thước hạt mưa, phân bố kích thước hạt mưa có ý nghĩa lớn đối với nhiều ứng dụng trong nghiên
cứu khoa học, thương mại và công nghiệp. Ví dụ như đánh giá suy giảm, méo tín hiệu trong lan truyền sóng điện
từ khi có mưa, đánh giá vấn đề trượt, trôi của đất trong canh tác nông nghiệp, là tham số cần thiết trong các nghiên
cứu thuộc lĩnh vực khí tượng, mơi trường, vật lý khí quyển, quang dẫn đám mây và đo lường cấu trúc của tầng đối
lưu.[2]
Máy đo thông số mưa tự động được sử dụng phổ biến hiện nay là thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Thiết bị
này chỉ có thể đo lượng mưa, cường độ mưa và thời gian mưa. Khi cần đo kích thước hạt mưa người ta phải dùng
các dịng thiết bị khác. Dựa trên nguyên lý ứng dụng có thể phân thành các nhóm thiết bị: đo bằng tác động cơ
học, đo bằng hình ảnh, đo bằng hiệu ứng quang học.
Nhóm đo kích thước hạt mưa bằng tác động cơ học có thể kể đến nghiên cứu của Joss and Waldvogel
(1967) [51] đo kích thước bằng tác động của hạt lên cảm biến cơ điện (thiết bị JWD – Joss Waldvogel
Disdrometer). Sau đó các nghiên cứu của Tokay và cộng sự (2001), Krajewski và cộng sự (2006) [34] đã chỉ ra
rằng JWD thích hợp với các trận mưa có cường độ mưa nhỏ và trung bình, với các trận mưa có cường độ lớn, gió
to và các hạt mưa bị vỡ khi va chạm xuống cảm biến sẽ gây ra các sai số lớn do cảm biến bị rung liên tục. Cơng
trình của Thurai và cộng sự (2013) đã chứng minh JWD không thể đo vận tốc hạt [6, 19].
Nhóm thiết bị đo bằng hình ảnh sử dụng camera để chụp ảnh của hạt mưa rồi dùng các phần mềm xử lý
ảnh trên máy tính để phân tích, tính tốn các thơng số của hạt. Các nghiên cứu của Kruger và Krajewski (2002)
[33], Schönhuber và cộng sự (2007) [57] đã đưa ra loại thiết bị 2DVD (Two Dimension Video Disdrometer)
dùng đo các thông số hạt mưa. Để đo các thông số hạt tuyết, nghiên cứu của Newman và cộng sự (2009) đưa ra
loại thiết bị SVI - Snowflake Video Imager [6, 19]. Nhóm thiết bị này có ưu điểm đo được nhiều thơng số như
kích thước, vận tốc, hình dạng. Tuy nhiên, với cấu tạo gồm phần cảm biến ngồi trời và máy tính xử lý bên trong

tủ khiến kích thước của thiết bị khá cồng kềnh, khó triển khai ở những nơihạn chế về khơng gian, ngồi ra giá
thành cũng đắt gấp ba đến năm lần so với nhóm sản phẩm đo kích thước và vận tốc hạt mưa khác.
Nhóm đo bằng hiệu ứng quang học sử dụng nguồn sáng và điốt quang để đo các thông số kích thước và
vận tốc của hạt mưa. Tùy theo số lượng xung quang điện thu được trên điốt quang có thể phân ra thành hai loại là:
loại một xung - theo các nghiên cứu của Löffler-Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005) [8] và
loại hai xung – các nghiên cứu của Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I (2004) [16], (2009) [14], Michael Peter
Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6]. Các cơng trình này đã khắc phục được những nhược điểm
của nhóm đo bằng tác động cơ học và đo bằng hình ảnh đã nêu trên. Nhóm thiết bị đo bằng hiệu ứng quang học là
lựa chọn hợp lý cho những ứng dụng đo đồng thời các thông số hạt mưa và thông số trận mưa. Tuy nhiên, với
từng loại thiết bị thuộc nhóm này cũng có những khác biệt. Với loại một xung, kích thước hạt mưa được nội suy
từ biên độ của xung, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng xung. Biên độ và độ rộng của xung quang điện phụ
thuộc vào vị trí hạt đi qua dải sáng khi mà mật độ năng lượng của dải sáng chiếu đến điốt quang không đồng đều.
Nghiên cứu của Fransson và cộng sự (2011) [13] chỉ ra rằng với cùng một hạt có kích thước xác định, ở vị trí
trung tâm của dải sáng, đường kính hạt đo được q lớn cịn ở rìa của dải sáng thì lại quá nhỏ. Với loại hai xung,
kích thước và vận tốc hạt được nội suy từ biên độ và độ rộng của hai xung nên những sai số do vị trí hạt cắt qua
dải sáng đã được hạn chế. Nghiên cứu của Bryson Evan Winsky (2012) [6] đã tính vận tốc hạt từ phân tích các
xung thu được rồi nội suy ra đường kính từ vận tốc đó, cịn trong nghiên cứu của V.I. Malygin và D.V.
Kiesewetter (2004) [16], (2009) [14], đường kính của hạt được tính từ độ sâu điều chế M của các xung thu được
chứ không nội suy từ vận tốc hạt, nên phương pháp này cịn gọi là phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung

12


quang điện tính theo độ sâu điều chế. Điều này hạn chế sai số tính tốn. Trên cơ sở xem xét về dải kích thước hạt
có thể đo được, tính thời gian thực của phép đo, môi trường ứng dụng của phép đo, tác giả lựa chọn phương pháp
đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai hai xung quang điện do Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I đề
xuất để nghiên cứu, nâng cao độ chính xác.
Hiện nay, các thiết bị ứng dụng phương pháp đo kích thước hạt mưa ngày càng địi hỏi phải hồn thiện
hơn về độ chính xác để đáp ứng được tốt hơn nữa nhu cầu sử dụng. Vì thế, các nghiên cứu hồn thiện phương
pháp đo nói trên ln được các nhà khoa học quan tâm. Luận án nghiên cứu đề xuất biểu thức, thuật tốn xử lý dữ

liệu để tính tốn đường kính và vận tốc tương đương của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp
đo kích thước hạt khi đi qua hai dải sáng. Hoàn thiện và chế tạo thiết bị đo kích thước hạt mưa ứng dụng trong khí
tượng. Đây là một nhiệm vụ có tính cần thiết bởi vấn đề không chỉ phù hợp với xu hướng và mục đích phát triển,
bổ sung về mặt lý thuyết, phương pháp luận mà cịn góp phần hồn thiện cơng nghệ chế tạo thiết bị đo các thông
số hạt mưa, trận mưa đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: bài tốn đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai xung quang điện.
Phạm vi nghiên cứu: tập trung nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu dựa trên hai xung quang điện thu được
sau khi đã khử nhiễu và hồn thiện một phần cơng nghệ đo trong bài tốn đo kích thước tương đương của hạt mưa
bằng hai xung quang điện tính theo độ sâu điều trên mơ hình đo do hai nhà khoa học D. V. Kiesewetter và V. I.
Malyugin đề xuất.
Mục tiêu của luận án

-

Về khoa học: Đề xuất được biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính tốn đường kính và vận tốc tương

đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung
quang điện.

-

Về cơng nghệ: Hồn thiện cơng nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mơ hình đo gốc như

nguồn sáng, trục quang và phần xử lý, tính tốn, từ đó thiết kế, chế tạo ra thiết bị có thể hoạt động được trong
thực tế.

-

Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa và các tham số mưa có khả năng nhúng vào

hệ thống giám sát khí tượng. Thử nghiệm thiết bị trong thực tế.
Phương pháp nghiên cứu của luận án.
Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích cơng trình của hai nhà khoa học V.I. Malygin và D.V. Kiesewetter, xây
dựng mơ hình tốn học của bài toán đo các tham số hạt mưa, từ đó tìm ra mối quan hệ của các tham số trong mơ
hình bằng thực nghiệm và lý thuyết thống kê. Hồn thiện cơng nghệ, chế tạo thiết bị đo các thông số hạt mưa,
trận mưa ứng dụng lý thuyết thực nghiệm, nguyên lý thiết kế máy.
Nội dung nghiên cứu của Luận án
Bố cục của Luận án gồm ba chương:
Chương I. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng quang học. Trong chương I: Trình bày
những kết quả nghiên cứu, khảo sát và đánh giá về đo kích thước hạt mưa bằng quang học, tổng quan đánh giá những
tồn tại, từ đó đưa ra những vấn đề cần nghiên cứu giải quyết của luận án. Lựa chọn phương pháp đo, nâng cao độ
chính xác của phép đo và phương pháp tính kích thước hạt. Cụ thể lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt hai
xung quang điện với phần cứng theo nguyên mẫu của D.

13


V.

Kiesewetter và V. I. Malyugin để nghiên cứu. Cũng trong chương I, những nội dung nghiên cứu của luận án

đã được xác định.
Chương II. Nghiên cứu, nâng cao độ chính xác của phương pháp đo kích thước hạt và đề xuất giải
pháp. Từ những kết luận của Chương I, trong Chương II, luận án xem xét những cơ sở đề xuất nâng cao hiệu
quả của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện theo mơ hình đo do D. V. Kiesewetter và V. I.
Malyugin đề xuất trong các nghiên cứu [14,16]. Những đề xuất ở chương II gồm đề xuất thuật tốn và biểu thức
tính kích thước và vận tốc tương đương của hạt mưa;

đề xuất hoàn thiện cơng nghệ bằng việc cải tiến một phần

mơ hình đo gốc bao gồm nguồn sáng, hệ gá đỡ và hiệu chỉnh quang học, phần cứng xử lý, tính tốn kích thước
hạt. Sau đó đưa ra thiết kế thiết bị đo mưa trên cơ sở kế thừa mơ hình đo [14,16] và những đề xuất cải tiến. Đưa ra
các cách thức hiệu chuẩn phần cứng, phần mềm của thiết bị sau khi chế tạo trước khi ra thực địa.
Chương III. Xây dựng mơ hình thực nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả đo. Trong Chương III,
luận án tập trung vào đánh giá hiệu quả biểu thức, thuậttoán đề xuất trong thiết bị đo mưa so với nghiên cứu
gốc. Thử nghiệm thiết bị đo với các mơ hình thực nghiệm trong phịng thí nghiệm với viên bi sắt được coi như
một vật đen tuyệt đối, các đầu nhỏ giọt nước, hệ tạo mưa giả lập và đánh giá các kết quả đạt được. Cũng trong
chương này, tác giả đã bước đầu đưa ra phương pháp xử lý đánh giá các thông số hạt mưa, thông số trận mưa đo
được trong ngành khí tượng, khí quyển và đánh giá xói mịn đất do hạt rơi khi tiến hành thử nghiệm thiết bị đo
trong thực tế.
Phần cuối trình bày một số kết luận về kết quả đạt được của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Phụ lục của luận án trình bày về thiết kế phần điện tử của thiết bị đo mưa ứng dụng thuật toán đề xuất; các
kết quả thử nghiệm với viên bi, với giọt nước, với mưa thực tế; mã chương trình phần xác định dạng xung và các
tham số của biểu thức.
Dự kiến kết quả của luận án

1.

Về khoa học: Đề xuất được biểu thức, thuật tốn xử lý dữ liệu để tính tốn đường kính và vận tốc tương

đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung
quang điện.

2.

Về cơng nghệ: Hồn thiện công nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mơ hình đo gốc như

nguồn sáng, trục quang và phần xử lý, tính tốn rồi từ đó thiết kế, chế tạo ra thiết bị có thể hoạt động được trong
thực tế.

3.

Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa và các tham số mưa có khả năng nhúng vào

hệ thống giám sát khí tượng.

14


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA
Theo các nghiên cứu [4, 22, 66, 67, 68], đường kính hạt mưa có kích thước phổ biến trong dải từ 0,5mm ÷
6mm và tốc độ hạt mưa từ 2 ÷ 12m/ giây. Hạt mưa có kích thước dưới 0.5mm được coi là những hạt mưa phùn.
Những hạt mưa lớn hơn rất hiếm do tác động của ngoại cảnh nên các hạt to như thế khi rơi xuống sẽ bị va đập vào
nhau, vỡ ra thành các hạt có kích thước nhỏ hơn. Những thống kê về phân bố kích thước và vận tốc hạt mưa đã được
đưa ra dựa theo kết quả của nhiều phương pháp đo khác nhau. Những phương pháp đo đã được công bố này sẽ được
trình bày trong chương I của luận án. Đồng thời, ưu, nhược điểm của các phương pháp cũng sẽ được đánh giá để từ
đó lựa chọn phương pháp đo phù hợp cho việc nghiên cứu và cải tiến nâng cao độ chính xác của kết quả đo trong
cơng trình này.

1.1.

Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa

1.1.1.

Các phương pháp đo kích thước hạt mưa

Đo kích thước hạt mưa là một phép đo chiều dài có đơn vị là mét (ký hiệu là m) trong hệ SI. Với các hạt hình
cầu, đường kính hoặc bán kính là thơng số mơ tả đầy đủ về kích thước hạt. Nhưng với các hạt phi hình cầu thì cần

nhiều hơn một số liệu để mơ tả ví dụ như với hạt có hình hộp chữ nhật thì cần có các số liệu về chiều dài, chiều
rộng và chiều cao. Trong thực tế, chủ yếu là các hạt phi hình cầu nên khái niệm kích thước hạt ở đây sẽ là “kích
thước tương đương” cụ thể là đường kính tương đương với đường kính của hạt hình cầu. Do đó trong luận án,
khi nhắc tới kích thước hạt chính là đường kính tương đương hình cầu của hạt mưa có cùng đáp ứng quang học.
Để đo thông số hạt mưa, đã có những phương pháp được đưa ra chia thành hai nhóm đo thủ cơng và đo tự động.



Nhóm đo kích thước hạt mưa thủ công

Ngay từ những năm 1900, đã có các nghiên cứu sử dụng những kỹ thuật thủ cơng để đo kích thước hạt mưa.
Các kỹ thuật đo thủ cơng có thể kể đến:

-

Phương pháp đo thơng qua vết trên giấy thấm đã nhuộm khi hạt mưa rơi vào được đề xuất đầu tiên trong

cơng trình nghiên cứu của Lowe [39] năm 1892;

-

Phương pháp viên bột do Bentley [9] đề xuất đầu tiên năm 1904 đo kích thước hạt mưa thơng qua kích

thước viên bột tạo ra khi hạt mưa rơi vào bột đã sàng mịn;

-

Phương pháp ngâm dầu được Fuchs and Petrjanoff [21] để xuất đầu tiên vào năm 1937 lợi dụng độ nhớt

thấp và tính chất kỵ nước của dầu khiến các giọt mưa tạo thành các khối lỏng hình cầu nằm trong dầu khi rơi vào

sau đó dùng kính hiển vi hoặc ảnh chụp để đo kích thước của hạt mưa.
Các phương pháp đo thủ công này đơn giản nhưng tốn thời gian, hạn chế về tính chính xác của kết quả đo và
tính thời gian thực, khơng đo được vận tốc của hạt mưa.



Nhóm đo kích thước hạt mưa tự động

Máy đo thơng số mưa tự động được sử dụng phổ biến hiện nay là thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Thiết bị này
chỉ có thể đo lượng mưa, cường độ mưa và thời gian mưa. Khi cần đo kích thước hạt mưa người ta phải dùng các
dòng thiết bị khác. Dựa trên nguyên lý ứng dụng có thể phân thiết bị đo kích thước hạt mưa thành các nhóm: đo
bằng tác động cơ học, đo bằng hình ảnh, đo bằng hiệu ứng quang học.
Nhóm đo bằng tác động cơ học điển hình là cơng trình của Joss and Waldvogel (1967) [51] nghiên cứu đo
kích thước bằng tác động của hạt lên cảm biến cơ điện. Nguyên lý đo được chỉ ra trên hình 1.1.

15


Lõi từ
Dịng ra
Cuộn cảm

Ở điều kiện bình thường

Khi có hạt rơi trên màng

Hình 1.1. Ngun lý đo kích thước bằng tác động cơ học [22]
Khi hạt rơi trên màng di động của thiết bị JWD sẽ làm dịch chuyển lõi từ của
cuộn cảm khiến năng lượng điện từ thay đổi. Đo năng lượng thay đổi này sẽ nội suy
ra được kích thước hạt mưa tương đương. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel

Disdrometer được chỉ ra trong hình 1.2).

Hình 1.2. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22]
Tuy nhiên, các nghiên cứu của Tokay và cộng sự (2001), Caracciolo và cộng sự (2006) [34] đã chỉ ra rằng
JWD thích hợp với các trận mưa có cường độ mưa nhỏ và trung bình, với các trận mưa có cường độ mưa lớn, có
gió to và các hạt mưa bị vỡ khi va chạm xuống cảm biến sẽ gây ra các sai số lớn do cảm biến bị rung liên tục
tạo ra các xung nhiễu. Cơng trình của Thurai và cộng sự (2013) đã chứng minh JWD không thể đo vận tốc hạt [6,
19].
Nhóm đo bằng xử lý hình ảnh: Nhóm thiết bị đo bằng hình ảnh sử dụng camera để chụp ảnh của các hạt mưa
rồi dùng các phần mềm xử lý ảnh trên máy tính để phân tích, tính tốn các thơng số của hạt. Hình 1.3 mơ tả sơ
đồ khối của một thiết bị đo kích thước hạt bằng hình ảnh.

Các nghiên cứu của Kruger và Krajewski (2002) [33]; Schönhuber và cộng sự
(2007) [57] đã đưa ra loại

thiết bị 2DVD (Two Dimension Video Disdrometer) dùng đo các thông số hạt mưa.

Hai camera chuyển động (2DVD) để ghi lại hình ảnh của giọt mưa rồi từ đó tính tốn đường kính, vận tốc rơi và
cả thơng số hình dạng hạt. Để đo các thông số hạt tuyết, nghiên cứu của Newman và cộng sự (2009) đưa ra loại

16


thiết bị SVI - Snowflake Video Imager cũng sử dụng camera có sơ đồ khối tương tự như hình 1.3 [22,57].

Khối camera
Khối nguồn sáng

Khối điều khiển
và thu thập hình

ảnh

Khối xử lý dữ
liệu hình ảnh

Hình 1.3. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hình ảnh [22,57]



Ưu điểm
+ Cho phép người sử dụng có được một cái nhìn trực quan đối với các hạt, đánh giá được hình dạng và kích

thước của chúng.
+ Người sử dụng có thể có nhiều thơng tin hơn các phương pháp khác.



Hạn chế
+ Thời gian phân tích có thể rất dài vì cần phải phân tích hình ảnh rồi mới đưa ra được kết quả
+ Số lượng các hạt dùng đo thường nhỏ so với các phương pháp khác vì thế mẫu đại diện là một địi hỏi ngặt

nghèo
+ Thường khơng thể đưa ra quyết định nếu có hai hoặc nhiều hơn các hạt dính vào nhau và phải xem như là
một hạt to. Điều này thường gây ra sai số trong phép đo.
+ Việc chuẩn bị mẫu thường lâu, đắt và đòi hỏi cần phải thẩm định kỹ thuật.
+ Cấu tạo gồm phần cảm biến ngồi trời và máy tính xử lý bên trong tủ khiến kích thước của thiết bị khá
cồng kềnh, khó triển khai ở những nơi hạn chế về khơng gian, ngồi ra giá thành cũng đắt gấp 3 đến 5 lần so với
nhóm sản phẩm đo kích thước và vận tốc hạt mưa khác.

17

Nhóm hiệu ứng quang học sử dụng hiệu ứng quang học để đo kích thước hạt. Các hạt khi đi qua khu vực
chiếu sáng sẽ tạo ra một vùng có chiết suất khác với chiết suất của không gian chứa nó. Dựa vào các hiệu ứng
tán xạ, hấp thụ ánh sáng,
..., cường độ ánh sáng thu được trên cảm biến quang có liên quan mật thiết với đường kính của hạt cắt qua chùm
sáng. Hình 1.4 mơ tả sơ đồ khối của loại thiết bị đo theo phương pháp đo bằng hiệu ứng quang học.

Khối phát quang

Khối thu quang

Khối điều khiển xử lý dữ liệu
Hình 1.4. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hiệu ứng quang Tùy theo cách tính tốn dựa
vào số lượng xung quang điện thu được có thể phân
ra thành hai loại là: loại một xung - theo các nghiên cứu của Illingworth, A.J.; Stevens, C.J (1987) [30],
Grossklaus, M.; Uhlig, K.; Hasse, L (1998) [26], Löffler- Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005)
[8] và loại hai xung – các nghiên cứu của Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I (2004)[16], (2009)[14], Michael
Peter Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6].



Ưu điểm
+ Dễ sử dụng và đáp ứng nhanh
+ Việc đo thử không làm hỏng mẫu đo
+ Số lượng cảm biến quang sử dụng ít
+ Vấn đề xử lý tín hiệu quang điện đơn giản hơn phương pháp đo bằng hình ảnh do đó đáp ứng được tính

thời gian thực
+ Có thể đồng thời đo được tốc độ của hạt

+ Giá thành thiết bị rẻ, kích thước thiết bị gọn nên dễ dàng lắp đặt.



Hạn chế
+ Chỉ đo được kích thước tương đương hình cầu của hạt.
+ Bị phụ thuộc vào mẫu chuẩn (do sử dụng đường cong thực nghiệm để xác định đường kính hạt).
Khắc phục những nhược điểm bị ảnh hưởng nhiễu mạnh do mơi trường của nhóm đo bằng tác động cơ

học; cồng kềnh, khó vận chuyển, triển khai lắp đặt ở những nơi có hạn chế về khơng gian, giá thành đắt của nhóm
đo bằng hình ảnh, nhóm thiết bị đo bằng hiệu ứng quang học trở thành lựa chọn hợp lý cho những ứng dụng đo
các thông số mưa. Luận án lựa chọn phương pháp đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng
quang học để nghiên cứu, nâng cao chất lượng phép đo.

1.1.2.

Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học

Phương pháp đo kích thước hạt bằng hiệu ứng quang học ra đời từ những năm 1980. Bản chất của phương
pháp đo kích thước hạt bằng hiệu ứng quang học là xét mối quan hệ giữa ánh sáng và bề mặt của hạt nơi xảy ra
hiện tượng ánh sáng thay đổi đường đi. Khi ánh sáng chiếu tới một hạt sẽ xảy ra các hiện tượng: khúc xạ, phản


xạ, tán xạ và hấp thụ (hình 1.5).

Khúc xạ

Phản xạ

ái bức xạ

Hấp thụ
và t
Tán xạ
rìa
Hình 1.5. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạt
Kích thước hạt trong phương pháp đo này được hiểu là kích thước tương đương với hạt hình cầu có cùng đáp
ứng quang điện với hạt cần đo trong phương pháp đo bằng quang học xem xét. Với đo kích thước hạt mưa, từ việc
hấp thụ và tán xạ của hạt mưa khi cắt qua dải ánh sáng, đã có các cơng trình nghiên cứu được công bố [1,
2, 3, 8, 7, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24...]. Dựa vào số lượng chùm sáng đi tới cảm biến quang có thể phân loại
thành loại một dải sáng và loại hai dải sáng. Khi hạt mưa cắt qua chùm sáng, số lượng dải sáng đi đến cảm biến
quang sẽ tạo ra các xung quang điện tương ứng. Do đó dựa vào số xung quang điện thu được trên cảm biến có
thể phân thành hai loại là: loại một xung và loại hai xung.

1.1.2.1.

Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện

Các cơng trình nghiên cứu phương pháp này đã được cơng bố có thể kể đến Illingworth, A.J.; Stevens, C.J
(1987) [30], Grossklaus, M.; Uhlig, K.; Hasse, L (1998) [26]
Nghiên cứu [30] đã đưa ra mơ hình đo P-POD (Paired pulse optical Disdrometer) (hình 1.6). Mơ hình sử dụng
nguồn sáng halogen H cho ra dải sáng có độ đồng nhất không cao khiến cho việc xử lý tín hiệu thơ gặp nhiều khó
khăn. Dải ánh sáng hình khuyên để đo các hạt mưa rơi giảm thiểu được ảnh hưởng của gió lên kết quả đo. Giá trị
xung quang điện được đưa tới xử lý trên máy tính nên việc ứng dụng ngồi trời có nhiều hạn chế. Kết cấu của thiết
bị cồng kềnh, khối vách ngăn tương đối phức tạp,

khó sửa chữa khi thiết bị lỗi.

H: nguồn sáng halogen, I: nguồn điện, G: vỏ, C: ống chuẩn trực, F: đường dẫn hội tụ, D: khối gia nhiệt, B: khối
vách ngăn, A: vịng giữ ống kính, F: ống quang hội tụ,

E: khối quang điện tử
Hình 1.6. Mơ hình đo của thiết bị P-POD [30]
Nghiên cứu [26] đã đưa ra mơ hình đo mới mơ tả trong hình 1.7 để khắc phục nhược điểm về dải sáng đo
không đồng đều. Dải sáng hình trụ có chiều dài 120 mm và đường kính 22 mm được giữ vng góc với hướng rơi
của mưa nhờ sự trợ giúp
của cánh gió. Dạng dải sáng hình trụ giúp cho phép đo khơng phụ thuộc vào góc tới của hạt mưa. Do đó, sự thay
đổi của vận tốc gió khơng ảnh hưởng đến các phép đo. Nguồn sáng của thiết bị là một đèn LED hồng ngoại 880
nm công suất 150 mW được điều chế với tần số 20 kHz. Thông qua hệ quang học, chỉ phần ánh sáng song song


với trục quang học mới có thể đến được diode thu. Khi khơng có hạt rơi vào khoảng đo, điện áp thu được trên
diode quang là 5VDC. Khi có hạt cắt qua dải sáng, điện áp này sẽ giảm đi tương ứng tỷ lệ với thương số giữa diện
tích mặt cắt ngang của giọt và diện tích mặt cắt ngang của dải sáng hình trụ. Khác với cơng trình [30], đường kính
hạt rơi ở [26] tỷ lệ với diện tích của hạt dẫn tới việc tính tốn, xử lý phức tạp hơn.

1, 11) Thành phần điện tử, 2) điốt quang, 3) hệ thống thấu kính, 4) cửa sổ, 5) vách ngăn, 6) Khoảng đo, 7)
thấu kính thu, 8) khối trộn quang học, 9) mắt thu,
10) diode quang
Hình 1.7. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26]
Hai công trình [30], [26] đều có kết cấu phần cứng của thiết bị tránh được ảnh hưởng của gió bằng những dải
sáng hình vành khuyên [30] hoặc dải sáng hình trụ [26]. Kích thước hạt được nội suy từ mức điện áp thu được trên
diode quang khi hạt cắt qua dải sáng. Điều này rất dễ dẫn tới sai số do nhiễu. Ngồi ra, kết cấu của mơ hình khiến
cho các thiết bị đo trở nên phức tạp, cồng kềnh.
Thay vì tính tốn từ giá trị điện áp thu được, các nghiên cứu của Löffler-Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger
và cộng sự (2005) [8] đã đưa ra một cách đo khác dựa


vào xung quang điện thu được. Với một xung quang điện thu được khi hạt cắt qua dải sáng, kích thước hạt mưa
được nội suy từ biên độ của xung, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng xung [8]. Phương pháp này cịn có
một cách gọi khác là phương pháp xử lý giá trị tuyệt đối của biên độ tín hiệu quang điện từ các hạt tán xạ. Hai

mơ hình thiết bị hiện đang sử dụng phương pháp đo này là OTT Parsivel và Thies LPM (Thies disdrometer Laser
Precipitation Monitor) (hình 1.8).

(a) Thies LPM

(b) Parsivel 2

Hình 1.8. Hai mơ hình đo Thies LPM và Parsivel 2

Cả hai mơ hình đều sử dụng một bộ phát laser (có thể là một hoặc một mảng các
bộ phát) và một bộ thu tín hiệu quang đặt đồng trục với nguồn sáng. Hình 1.9 mơ tả
phương pháp đo ứng dụng trong hai mơ hình.

a

b

c

a) Nguồn phát ra một chùm sáng phẳng theo chiều ngang đến bộ thu
b) Dạng xung thu được bất cứ khi nào có hạt cắt qua chùm

quang

sáng

c) Các tham số xung liên quan đến kích thước và vận tốc
Hình 1.9. Mơ tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8] Hạt cắt qua chùm sáng sẽ
làm suy giảm năng lượng ánh sáng thu được trên cảm

biến nhận. Điều này khiến cho biên độ tín hiệu quang điện ra sau cảm biến bị giảm đi. Từ đường cong thực
nghiệm mô tả mối quan hệ giữa đường kính và biên độ xung sẽ tính ra kích thước hạt. Đường cong thực nghiệm
thu được khi thả các hạt có đường kính biết trước qua khoảng lấy mẫu và đo biên độ xung quang điện thu được.
Vận tốc của hạt khi bay qua khoảng lấy mẫu chính là tỷ số giữa độ dầy của dải sáng so với thời gian hạt bay qua
dải sáng hay chính là độ rộng xung thu được (hình 1.9c).
Thiết bị theo mơ hình OTT Parsivel do hãng PM Tech Inc nghiên cứu (cơng trình của Lưffler-Mang và Joss
năm 2000 [38]). Hình 1.10 mơ tả cấu trúc mơ hình đo và hình 1.11 mơ tả tín hiệu quang điện thu được khi hạt cắt
qua dải sáng. Dải kích thước đo được từ 0,2mm đến 25mm, vận tốc đo được từ 0,2m/s đến 20m/s và được chia
thành 32 khoảng nhỏ.

Gương
Phát
quang

Luồng sáng
1mm

Mái che
Gương
Thu quang

200mm

Khung giá

160mm
225mm

520mm

Luồng sáng
160mm

30mm

Thu quang

Luồng sáng
Phát quang
340mm

Hình 1.10. Mơ tả các mặt chiếu của mơ hình đo Parsivel1 [38]

100mm


Hạt to

Hạt nhỏ

Luồng sáng

a)

1mm

U
5V

b)

0V

Điện áp trên điốt quang
Thời gian

Ua
5V Mức điện áp sau tiền xử lý
Khoảng thời gian rơi giữa 2 hạt
c)

Khoảng thời gian qua luồng sáng

Umax1

Umax2

0V
Thời gian
a. Các hạt khác nhau cắt qua chùm sáng
b. Tín hiệu điện quang thơ thu được trên cảm biến nhận
c. Tín hiệu điện sau tiền xử lý
Hình 1.11. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38]