Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng : Luận án TS. Vật lý: 62 44 03 01

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------------

Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2011

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------------------

Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử
Mã số: 62 44 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Bạch Gia Dương
2. PGS. TS. Vũ Anh Phi
Hà Nội - 2011

1


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
MỤC LỤC...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................6
MỞ ĐẦU...................................................................................................................10
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG ..........15
1.1. Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liên quan ............................................15
1.2. Mô hình xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm môi trường thuỷ vực ..............................16
1.2.1. Phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số tảo...................................16
1.2.2. Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực.............18
1.2.3. Mô hình quan trắc thủy vực dự kiến ........................................................21
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG ....25
2.1. Tính chất vật lý cơ bản trong tương tác photon - ñối tượng sinh học ............25
2.1.1. Hấp thụ ánh sáng.....................................................................................25
2.1.2. Tán xạ ánh sáng.......................................................................................26
2.1.3. Những thông số cơ bản trong lý thuyết tán xạ.........................................28
2.1.4. Hàm tán xạ...............................................................................................29
2.1.5. Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biến hiện nay ...........30
2.2. Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫu sinh học.........................32
2.3. Lý thuyết chung về mô hình Kubelka-Munk .................................................34

2.4. Lý thuyết chung về quả cầu tích phân ............................................................35
2.5. Xác ñịnh thành phần phản xạ và truyền qua bằng quả cầu tích phân ............39
2.6. Lý thuyết chung về mô phỏng Monte Carlo...................................................40
Chương 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MÔ PHỎNG MONTE
CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ĐÔI ....................45
3.1. Áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho các mẫu dung dịch ............................45
3.2. Mối liên hệ giữa các hệ số K, S với µa, µs ......................................................52


3.3. Thiết kế quả cầu tích phân..............................................................................54
3.4. Thiết kế quang hệ ...........................................................................................58
3.5. Mô phỏng Monte Carlo cho các mẫu sinh học...............................................59
3.5.1. Quá trình di chuyển photon trong mẫu ...................................................59
3.3.2. Mô phỏng Monte Carlo với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi....................63
Chương 4. XÂY DỰNG HỆ ĐO, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ ĐO MẪU .................66
4.1. Sơ ñồ khối hệ ño.............................................................................................66
4.2. Hệ ño với cấu hình ño chính xác ....................................................................67
4.2.1. Cấu trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý tín hiệu số ....................................67
4.2.2. Tổng quan về TMS320C6713 ..................................................................70
4.2.3. Khảo sát khả năng xử lý tín hiệu của DSK TMS320C6713.....................73
4.2.4. Thiết kế chế tạo ADC, tích hợp ADC-DSP và phát triển ứng dụng DSP 76
4.2.5. Kiểm tra hệ ño với tín hiệu chuẩn lối vào ...............................................80
4.3. Hệ ño với cấu hình ño nhanh..........................................................................84
4.4. Chế tạo thiết bị................................................................................................85
4.4.1. Các khối chức năng .................................................................................86
4.4.2. Tối ưu thông số kỹ thuật ..........................................................................91
4.4.3. Hình ảnh và thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị ..................................93
4.5. Đo mẫu ...........................................................................................................96
4.5.1. Đo mẫu chuẩn..........................................................................................96
4.5.2. Đo mẫu thủy vực chứa tảo ñộc, hại .......................................................103

KẾT LUẬN.............................................................................................................120
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................122
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ...........................................................123
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................124
PHỤ LỤC................................................................................................................135


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

Bộ biến ñổi Tương tự - Số

ALU

Arithmetic Logic Unit

Đơn vị lô gíc số học

BOD

Biochemical oxygen demand

Nhu cầu ôxy sinh học

Cache

Cache Memory

Bộ nhớ ñệm

CCS

Code Composer Studio

Môi trường soạn thảo mã

CDOM

Colored Dissolved Organic

Chất hữu cơ hòa tan có mầu

Matter
COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu ôxy hóa học

CPLD

Complex Programmable Logic

Mô ñun lô gíc khả trình phức hợp

Device
DAC

Digital to Analog Converter

Bộ biến ñổi Số - Tương tự

DAGEN

Data Generator

Bộ tạo dữ liệu

DMA

Direct Memory Access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DSK

DSP Starter Kit

Bo mạch phát triển Xử lý tín hiệu số

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

EDMA

Direct Memory Access Enable

Cho phép truy cập bộ nhớ trực tiếp

ELISA

Enzyme-linked immunosorbent

Phân tích kháng nguyên bằng

assay

Enzyme

EMIF

External Memory Interface

Giao diện bộ nhớ ngoài

EOC

End of Conversion

Kết thúc quá trình biến ñổi

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu hạn

g

Asymmetric/ Anisotropy

Hệ số bất ñối xứng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu

HAB

Harmful Algae

Tảo ñộc, hại

HPI

Host Port Interface

Giao diện chủ

I/O

Input/Output

Vào/Ra

IOC

Intergovernmental

Uỷ ban liên chính phủ về Hải dương

Oceanographic Commission

học

Interrupt

Tín hiệu ngắt

INT


JTAG

Joint Test Action Group

Bộ nạp nhúng

K

KM absorption coefficient

Hệ số hấp thụ Kubelka-Munk

KM

Kubelka-Munk

Mô hình Kubelka-Munk

L

Radiance

Độ bức xạ

M

Sphere Multiplier

Hệ số nhân của quả cầu tích phân

MC

Monte Carlo simumations

Mô phỏng Monte Carlo

McASPs

Multichannel audio serial ports

Cổng nối tiếp âm thanh ña kênh

McBSPs

Multichannel buffered serial

Cổng nối tiếp ñệm ña kênh

ports
Medium Resolution Imaging

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ

Spectrometer

phân dải trung bình

Moderate Resolution Imaging

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ

Spectroradiometer

phân dải thấp

p (x)

Probability

Hàm mật ñộ xác suất

PHG

Henyey-Greenstein Scattering

Hàm pha tán xạ Henyey-Greenstein

MERIS
MODIS

Phase
PLL

Phase Lock Loop

Vòng khoá pha

Rd

Backward Scattering

Tán xạ ngược

s

Stepsize

Bước dịch chuyển

S

KM scattering coefficient

Hệ số tán xạ Kubelka-Munk

SeaWiFS Sea-viewing Wide Field-of-View

Đầu thu quan sát ñại dương trường

Sensor

nhìn rộng

Tc

Collimated transmission

Thành phần truyền qua chuẩn trực

Td

Forward Scattering

Tán xạ xuôi

WHO

World Health Organization

Tổ chức Y tế Thế giới

µa

Absorption Coefficient

Hệ số hấp thụ

µs

Scattering Coefficient

Hệ số tán xạ

µt

Total attenuation coefficient

Hệ số suy giảm tổng thể

θ

Deflection Angle

Góc lệch

Azimuthal Angle

Góc phương vị

ψ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Thời gian tính toán của DSP ñối với phép nhân hai ma trận n x n .........74
Bảng 4.2: Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị ........82
Bảng 4.3: Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị...........83
Bảng 4.4: Tiêu chuẩn nguồn sáng cho việc kiểm tra chất lượng nguồn nước .........86
Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật cơ bản của chip laser sld102 tại nhiệt ñộ phòng........87
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của ñầu thu OPT101...................................................89
Bảng 4.7: Số liệu ño trên mẫu sữa tiêu chuẩn với các nồng ñộ khác nhau..............97
Bảng 4.8: Số liệu ño µa , µs và g theo MC và KM trên các mẫu sữa tiêu chuẩn .102
Bảng 4.9: Phổ huỳnh quang của tảo phụ thuộc vào bước sóng kích thích.............105
Bảng 4.10: Phổ kích thích huỳnh quang của tảo ....................................................107
Bảng 4.11: Rd , Td , Tc của tảo P. rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ ..................109
Bảng 4.12: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo P. Rhathymum ..........................111
Bảng 4.13: Rd , Td , Tc của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ .............112
Bảng 4.14: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia ......................114
Bảng 4.15: Rd , Td , Tc của tảo A. minutum phụ thuộc vào mật ñộ ......................115
Bảng 4.16: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo A. minutum ...............................116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các thành phần phản xạ ñược các ñầu cảm biến thu ñược......................18
Hình 1.2. Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược ...................................19
Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo ........................21
Hình 1.4. Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến .........................................................22
Hình 2.1. Photon bị ñổi hướng do tán xạ..................................................................26
Hình 2.2. Cơ chế phát huỳnh quang và lân quang ...................................................27
Hình 2.3. Nguyên lý tán xạ Raman ...........................................................................28
Hình 2.4. Đo thành phần hấp thụ..............................................................................31
Hình 2.5. Đo tán xạ ngược........................................................................................31

Hình 2.6. Đo thành phần tán xạ xuôi ........................................................................32
Hình 2.7. Bức xạ của tia tới trên thể tích ds dA tại vị trí r từ hướng s’ vào hướng s33
Hình 2.8. Mô hình Kubelka-Munk.............................................................................34
Hình 2.9. Phản xạ Lambertian..................................................................................36
Hình 2.10. Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân của bề mặt khuếch tán ............36
Hình 2.11. Trao ñổi bức xạ giữa hai phần tử bên trong quả cầu .............................36
Hình 2.12. Bức xạ bên trong quả cầu tích phân .......................................................37
Hình 2.13. Mối liên hệ giữa ñộ dọi vào số lần phản xạ............................................38
Hình 2.14. Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe và hệ số phản xạ trong....38
Hình 2.15. Đo thành phần phản xạ và truyền qua nhờ quả cầu tích phân...............39
Hình 2.16. Do tán xạ, photon bị lệnh hướng với góc lệnh θ, và góc phương vị Ψ...40
Hình 2.17. Lấy mẫu biến ngẫu nhiên nhờ sử dụng số ngẫu nhiên ξ .........................41
Hình 3.1. Photon tán xạ với góc θ ............................................................................52
Hình 3.2. Photon tán xạ trong một ñơn vị góc ñặc d sˆ .............................................53
Hình 3.3. Mối liên hệ giữa hệ số nhân, hệ số phản xạ và tỷ lệ diện tích khe............55
Hình 3.4. Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và bước sóng làm việc...56
Hình 3.5. Mặt cắt và hình ảnh bên ngoài của quả cầu tích phân kép ......................58
Hình 3.6. Tạo chùm sáng chuẩn trực........................................................................58
Hình 3.7. Mô tả mối liên hệ giữa góc θ và θi tại mặt trên và mặt dưới mẫu...........62
Hình 3.8. Toạ ñộ của photon thay ñổi khi có phản xạ trong ....................................62
Hình 3.9. Lưu ñồ mô phỏng MC kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi.................64
Hình 4.1. Sơ ñồ khối hệ ño ........................................................................................66
Hình 4.2. Kiến trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý dữ liệu số .....................................67
Hình 4.3. Kiến trúc bên trong của DSK TMS320C6713...........................................71
Hình 4.4. Cấu trúc lõi DSP TMS320C6713..............................................................73
Hình 4.5. Thời gian tính toán khi sử dụng và không sử dụng cấu trúc song song ...75
Hình 4.6. Tỷ lệ thời gian tính toán giữa có và không sử dụng cấu trúc song song ..75
Hình 4.7. Thời gian tính toán khi CT viết bằng C và Assembler cấu trúc song song
...................................................................................................................................76

Hình 4.8. Tỷ lệ thời gian tính toán giữa C và Assembler cấu trúc song song ..........76
Hình 4.9. Sơ ñồ khối phép ño dựa trên phát triển DSK TMS320C6713...................77
Hình 4.10. Sơ ñồ khối ADC tích hợp với DSK TMS320C6713.................................78
Hình 4.11. Sơ ñồ nguyên lý tích hợp ADC và DSK TMS320C6713 .........................78
Hình 4.12. Bo mạch ADC tích hợp với DSK TMS320C6713....................................79
Hình 4.13. Lưu ñồ quá trình ñọc dữ liệu từ ADC .....................................................79
Hình 4.14. Giao tiếp giữa các khối trong tích hợp ADC với DSP............................80
Hình 4.15. Kiểm tra hệ ño với các tín hiệu chuẩn lối vào ........................................81
Hình 4.16. Thông số của tín hiệu chuẩn trên các cửa sổ sau khi tích hợp với DSP.81
Hình 4.17. Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị ........82
Hình 4.18. Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị...........84
Hình 4.19. Xác ñịnh Rd, Td, Tc dựa trên kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi ..................85
Hình 4.20. Sự phụ thuộc của cường ñộ bức xạ vào góc phát xạ và bước sóng ........87
Hình 4.21. Đường ñặc tuyến P-I của laser diode .....................................................88
Hình 4.22. Sơ ñồ khối mạch ñiều khiển laser diode .................................................88
Hình 4.23. Đáp ứng tần số của ñầu thu photoodiode OPT101 ................................89
Hình 4.24. Kết nối ADC vào hệ ño ...........................................................................90
Hình 4.25. Lưu ñồ truy nhập dữ liệu từ ADC ...........................................................90
Hình 4.26. Xác ñịnh thành phần Td .........................................................................91
Hình 4.27. Xác ñịnh thành phần Rd .........................................................................92
Hình 4.28. Xác ñịnh thành phần Tc ..........................................................................92
Hình 4.29. Hình ảnh bên ngoài của thiết bị..............................................................93
Hình 4.30. Giao diện chính của thiết bị ....................................................................94
Hình 4.31. Cửa sổ giao diện xem kết quả ño của thiết bị .........................................95
Hình 4.32. Cửa sổ giao diện ñặt cấu hình của thiết bị .............................................96
Hình 4.33. Hình ảnh các hạt béo trong sữa..............................................................97
Hình 4.34. Sự phụ thuộc của Rd , Td và Tc vào nồng ñộ sữa....................................98
Hình 4.35. Khảo sát sự phụ thuộc của Tc vào nồng ñộ sữa theo các tác giả khác ...99

Hình 4.36. Sự phụ thuộc của µs vào nồng ñộ sữa .....................................................99
Hình 4.37. Giá trị của µa, µs và g theo tài liệu công bố của tác giả khác...............100
Hình 4.38. Sự phụ thuộc của µa vào nồng ñộ sữa ...................................................100
Hình 4.39. Sự phụ thuộc của g vào nồng ñộ sữa ....................................................101
Hình 4.40. Sự phụ thuộc của µa, µs , g vào nồng ñộ sữa ño theo MC và KM .........103
Hình 4.41. Sơ ñồ bố trí phép ño phổ huỳnh quang .................................................104
Hình 4.42. Phổ huỳnh quang của một số loài tảo vùng thuỷ vực Đồ Sơn ..............105
Hình 4.43. Sơ ñồ bố trí phép ño phổ kích thích huỳnh quang ................................106
Hình 4.44. Phổ KTHQ của một số loài tảo ñộc, hại vùng thuỷ vực Đồ Sơn ..........107
Hình 4.45. Rd , Td , Tc của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ .109
Hình 4.46. µa , µs , g của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ ..110
Hình 4.47. Thay ñổi của tỷ lệ µs / µa theo mật ñộ tảo Prorocentrum rhathymum..111
Hình 4.48. Rd , Td , Tc của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ................112
Hình 4.49. µa , µs , g của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ.................113
Hình 4.50. Thay ñổi của tỷ lệ µs / µa theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia ................114
Hình 4.51. Rd , Td , Tc của tảo A. minutum phụ thuộc vào mật ñộ .......................115
Hình 4.52. µa , µs , g của tảo A. minutum phụ thuộc vào mật ñộ..........................116
Hình 4.53. Thay ñổi của tỷ lệ µs / µa theo mật ñộ tảo A. minutum .........................117


MỞ ĐẦU
Các phương pháp xác ñịnh ñối tượng dựa trên thông số quang ñã ñược biết ñến
từ khá lâu. Từ những năm 70 của thế kỷ 18, người ta ñã sử dụng ñĩa Secchi ñược
thả chìm dưới nước ñể ño ñộ trong của ao, hồ thông qua việc quan sát ánh sáng
phản xạ từ ñĩa. Cùng với những tiến bộ trong khoa học, công nghệ và kỹ thuật, ngày
nay, trong nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghệ sinh học, công nghệ chế biến thực
phẩm..., người ta ñã chế tạo ra những thiết bị chuyên dụng cho phép xác ñịnh thành
phần hấp thụ, thành phần tán xạ khi chiếu một chùm sáng qua mẫu, nhờ ñó, xác

ñịnh ñược thành phần và chất lượng sản phẩm [56, 74, 80, 92, 97, 104, 105].
Trong vài thập kỷ gần ñây, trong lĩnh vực y tế, người ta rất quan tâm ñến hướng
nghiên cứu về mô, tế bào dựa trên phân tích thông số quang của ñối tượng gồm hệ
số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng [24, 26, 34, 43, 64, 89]. Nhiều mô
hình ñã ñược áp dụng cho hướng này: mô hình Kubelka-Munk, mô hình lan truyền
bức xạ, mô phỏng Monte Carlo…[37, 44, 46, 73], từ ñó, ñưa ra nhiều phương pháp
chẩn ñoán như chẩn ñoán hình ảnh, phương pháp quang phổ…[32, 64, 68, 79, 81].
Trong thời gian gần ñây, các phương pháp ño thông số quang còn ñược mở
rộng sang lĩnh vực môi trường ñể quan trắc quá trình phát triển của tảo ñộc, hại, ñặc
biệt là hiện tượng thuỷ triều ñỏ hay còn gọi là sự nở hoa mà nguyên nhân là do sự
bùng phát của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực. Chỉ trong vài ngày, mật ñộ
tảo ñộc, hại có thể từ vài trăm tế bào/ml tăng lên ñến hàng triệu tế bào/ml. Trên thực
tế, sự bùng phát của tảo ñộc, hại vừa là nguyên nhân, vừa là hậu quả của ô nhiễm
thuỷ vực: khi bị ô nhiễm, thủy vực chuyển từ nghèo dưỡng sang giàu dưỡng, tạo
ñiều kiện thuận lợi cho tảo ñộc, hại bùng phát. Sau khi bùng phát, tảo ñộc, hại bước
sang giai ñoạn phân hủy và thải ñộc tố ra môi trường. Vì vậy, người ta lấy mật ñộ
tảo ñộc, hại làm một chỉ báo thể hiện mức ñộ ô nhiễm của thủy vực ñó [84].
Đứng trước nguy cơ ô nhiễm thuỷ vực ngày càng gia tăng, nhiều hội nghị quốc
tế về ô nhiễm thuỷ vực ñã ñược tiến hành, ñiển hình là các hội nghị quốc tế về tảo
ñộc ñược tổ chức 2 năm một lần kể từ năm 1980 (lần thứ 13 vào năm 2008 tại Hồng
Kông, lần thứ 14, năm 2010 tại Hy Lạp) ñể trao ñổi thông tin khoa học, ñưa ra các

10


phương pháp nghiên cứu mới, hiện ñại nhằm cảnh báo, giám sát và giảm thiểu tác
hại do tảo ñộc, hại gây ra ñối với hệ sinh thái, ñối với ngành thủy sản, du lịch….
Tại Việt Nam, nhiều ñề tài, dự án nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiến
hành, trong ñó, phải kể ñến Chương trình hợp tác nghiên cứu cơ bản vi tảo ñộc, hại
ở vùng ven bờ biển Việt Nam giữa Viện Hải Dương Học Nha Trang và Trung tâm

Khoa học và Truyền thông về Tảo ñộc hại của Uỷ ban liên chính phủ về Hải dương
học IOC, Đan Mạch. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, các nhà khoa học ñã khẳng
ñịnh cần phải khẩn trương xây dựng chương trình quan trắc quốc gia về tảo ñộc ñể
phát hiện, cảnh báo và ñưa ra các giải pháp ñối phó kịp thời [17].
Hiện nay, trên thế giới, người ta ñã áp dụng một số phương pháp khác nhau ñể
quan trắc thuỷ vực, chủ yếu là quan trắc khi tảo ñộc, hại ñã vào giai ñoạn bùng phát
hoặc quan trắc tại phòng thí nghiệm với thời gian mất vài tuần. Việc xác ñịnh nhanh
các thông số của thủy vực ngay ngoài hiện trường và quan trắc thủy vực có mật ñộ
tảo ở mức vài chục tế bào/ml ñể cảnh báo sớm sự bùng phát của chúng vẫn còn là
một thách thức và do vậy, chúng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay chủ yếu dựa trên việc xác ñịnh
phổ huỳnh quang của tảo ñộc, hại có trong môi trường. Hiện nay, các phương pháp
này chỉ phân biệt ñược khoảng 5 nhóm tảo theo vùng phổ. Trong khi ñó, theo các
nhà khoa học, ô nhiễm thuỷ vực do tảo ñộc, hại gây ra có thể ñược nhận biết dựa
trên thông số quang của chúng gồm hấp thụ và tán xạ [26, 35, 36, 54, 61, 66, 75, 88,
108]. Vì vậy, việc xây dựng phép ño các thông số quang của thủy vực có tảo ñộc,
hại cũng có thể là một hướng ñể xây dựng hệ quan trắc thủy vực tại nước ta.
Trong luận án này, chúng tôi trình bày một hướng tiếp cận mới ñể quan trắc
thủy vực dựa trên việc xác ñịnh các thông số quang của tảo ñộc, hại khi chiếu một
chùm laser vào thuỷ vực. Hệ ño cho phép ño nhanh, chính xác và ño ñồng thời ba
thông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và
hệ số bất ñối xứng.

11


Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của ñề tài
Phương pháp ño thông số quang có thể ñược áp dụng trên nhiều loại ñối tượng
khác nhau. Tuy nhiên, trong luận án này, chúng tôi tập trung xây dựng hệ ño áp
dụng cho ñối tượng là các mẫu dung dịch có nồng ñộ thấp các hạt tán xạ. Việc xây

dựng thành công hệ ño này sẽ hứa hẹn khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau: xét nghiệm máu nhằm phát hiện sớm tế bào lạ, kiểm tra an toàn nguồn nước
nhờ phát hiện nhanh các tạp chất, tảo, nấm có trong môi trường….
Để xây dựng hệ ño, về mặt phương pháp luận, chúng tôi ñã nghiên cứu, kết
hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi với mô phỏng Monte Carlo và mô hình KubelkaMunk.
Về mặt kỹ thuật, chúng tôi ñã áp dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu gồm:
(i) xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song song và
kỹ thuật ñường ống, cho phép thực hiện khối lượng tính toán lớn và yêu cầu ñồng
thời xử lý nhiều kênh, chế tạo ADC và tích hợp ADC với DSP qua cổng mở rộng bộ
nhớ ngoài; (ii) xử lý tín hiệu tương tự dựa trên các ñầu thu photodiode hybrid ñộ
nhạy cao và biến ñổi ADC; (iii) xử lý tín hiệu ánh sáng bao gồm việc chế tạo nguồn
sáng chuẩn trực, ñiều khiển laser bán dẫn ñể ñảm bảo công suất phát của laser luôn
ổn ñịnh, tích hợp quang ñiện tử giữa nguồn sáng chuẩn trực, hệ hai quả cầu tích
phân, các ñầu thu,…; (iiii) xây dựng các mô ñun phần mềm ñiều khiển, tính toán,
hiển thị …dựa trên ADC chuyên dụng, các thuật toán theo mô hình Kubelka-Munk
và mô phỏng Monte Carlo…. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của luận án có
thể ñược tóm tắt như sau:
Mục tiêu của ñề tài:
o

Xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực vùng ven bờ biển Việt Nam có

mật ñộ tảo thấp trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp, mô hình phù hợp và dựa
trên công nghệ tích hợp quang ñiện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu. Hệ ño làm việc theo
hai cấu hình: ño nhanh và ño chính xác ba thông số quang gồm hệ số hấp thụ, hệ số
tán xạ và hệ số bất ñối xứng;
o

Trên cơ sở hệ ño ñã xây dựng, chế tạo một thiết bị ño lưu ñộng, cho phép ño

nhanh, ño ñồng thời ba thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp.

12


Nội dung nghiên cứu:
o Tìm hiểu và mô tả ñối tượng nghiên cứu dưới góc ñộ vật lý bao gồm các thông
số quang như hệ số tán xạ, hệ số hấp thụ và hệ số bất ñối xứng;
o Lựa chọn và phân tích chi tiết mô hình áp dụng cho thuỷ vực biển ven bờ Việt
Nam ñể xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có tảo ñộc, hại gồm mô
hình kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo. Kỹ thuật chính ñược sử dụng
gồm có:
- Kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;
- Kỹ thuật xử lý tín hiệu ánh sáng dựa trên việc chế tạo nguồn sáng chuẩn trực
có ñiều khiển, chế tạo quang hệ, chế tạo hệ thu tín hiệu quang;
- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển mô hình Kubeka-Munk kết hợp
kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;
- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên xây dựng thuật toán cho mô phỏng Monte
Carlo phù hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;
- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ADC chuyên dụng;
- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song
song, kỹ thuật ñường ống;
o Đo thông số quang của một số mẫu sữa tiêu chuẩn, mẫu tảo ñộc ñã ñược phân
lập và nuôi với mật ñộ tảo khác nhau.
Tình hình nghiên cứu
Để xác ñịnh thông số quang của thủy vực có tảo ñộc, hại, người ta thường sử
dụng phương pháp truyền thống ño trong phòng thí nghiệm như Phương pháp
Utefrmohl [85], Buồng ñếm Sedgewick Rafter [48, 98], Kỹ thuật nhuộm mầu [7,
69], Phương pháp ELISA [2]. Ngoài ra, hiện nay, ñể xây dựng hệ thống quan trắc
thuỷ vực, người ta còn tiếp cận theo hai hướng chủ yếu sau:

Kết hợp các phép ño ngoài thực ñịa với các số liệu hình ảnh thu ñược từ các ñầu
cảm biến ñặt trên vệ tinh. Một chương trình xử lý ảnh chuyên dụng sẽ phân tích
thông số quang của thủy vực dựa trên các bức ảnh thu ñược;
Xây dựng các thiết bị chuyên dụng ño phổ huỳnh quang của tảo.

13


Tại Việt Nam, hiện nay, các phép ño về tảo ñược tiến hành tại phòng thí nghiệm,
theo phương pháp truyền thống và chưa có công trình công bố nào ñề cập ñến
phương pháp ño thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp (các phương pháp
quan trắc thuỷ vực nêu trên sẽ ñược trình bày chi tiết trong chương 1).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Dưới góc ñộ vật lý, ñối tượng nghiên cứu là bộ ba thông số quang của mẫu dung
dịch gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng.
Về mặt thực nghiệm, trong khuôn khổ luận án, chúng tôi tập trung vào hai ñối
tượng là dung dịch sữa có tỷ lệ chất béo 4% ñược pha chế với nồng ñộ khác nhau và
03 mẫu tảo ñộc ñã ñược phân lập và nuôi ở mật ñộ khác nhau. Dung dịch sữa
thường ñược sử dụng làm mẫu chuẩn trong lĩnh vực lý sinh do các phần tử sữa ñược
kết dính thành các hạt có dạng hình cầu với kích thước ổn ñịnh [67, 90]. Các mẫu
tảo ñộc ñược sử dụng trong hệ ño ñể ñánh giá khả năng xác ñịnh thông số quang
của thủy vực có mật ñộ tảo thấp.
Tảo ñộc, hại về hình thái cũng tương tự như những loài tảo khác: kích thước
nhỏ, sống trôi nổi trong tầng ñáy, dạng nghỉ ở giai ñoạn bào xác và chỉ thải ñộc tố ra
thuỷ vực khi bị phân hủy. Hay nói cách khác, trong ñiều kiện bình thường, tảo ñộc,
hại có trong thuỷ vực chỉ là tiềm ẩn của rủi ro. Theo khuyến cáo của tổ chức y tế thế
giới WHO, khi mật ñộ tảo ñến một ngưỡng nào ñó (ví dụ 1000 tế bào/ml ñối với tảo
lam), nguồn nước ñược xem là bị ô nhiễm nặng nề [38]). Tuy nhiên, việc phát hiện
tảo với mật ñộ thấp dưới 1000 tế bào/ml là một công việc khó khăn.

14


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG
1.1. Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liên quan
Thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam hiện có khoảng 70 loài tảo ñộc, hại [55].
Trong thời gian qua, nhiều công trình nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiến hành
tại Việt Nam thông qua các chương trình hợp tác quốc tế với nội dung chính là khảo
sát phân bố và ñộ phong phú của các loài tảo ñộc, hại trong các thủy vực ven bờ
biển Việt Nam. Hiện nay, nghiên cứu tảo ñộc, hại trên thế giới và trong nước ñược
tiến hành theo bốn hướng chủ yếu là [8, 13]: (i) ñiều tra, phát hiện vùng xuất hiện
tảo ñộc, hại và các hiệu ứng của ñộc tố; (ii) nghiên cứu về những loài tảo gây ñộc và
phương pháp phát hiện chúng, tác ñộng của ñiều kiện môi trường lên sự nở hoa và
sự tích luỹ ñộc tố; (iii) nghiên cứu về ñộc tố của tảo và các nhóm ñộc tố; (iiii) giám
sát và quản lý tảo ñộc, hại.
Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung vào hướng nghiên cứu phương pháp
phát hiện tảo ñộc, hại có trong thủy vực và hướng giám sát tảo ñộc, hại.
Hiện nay ở nước ta có bốn Trung tâm quan trắc và cảnh báo môi trường, trong
ñó, có ba Trung tâm vùng nội ñịa ñặt tại ba miền: Bắc, Trung, Nam và một Trung
tâm vùng biển. Tần xuất quan trắc ñược thực hiện hai lần/năm vào các tháng 4, 5
và các tháng 9, 10. Dựa trên các tiêu chuẩn ñánh giá, cảnh báo ô nhiễm gồm TCVN
5943-1995, tiêu chuẩn của Bộ Thuỷ sản 2006, hiện nay, bộ thông số môi trường áp
dụng cho hoạt ñộng quan trắc, phân tích môi trường biển ven bờ gồm có: (i) bộ
thông số khí tượng - thuỷ văn với các thông số gồm nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất, các
thông số về sóng, gió, dòng chảy; (ii) bộ thông số môi trường nước và trầm tích với
các thông số như: ñộ muối, ñộ pH, COD, BOD, ñộ ñục, ñộ trong, kim loại nặng…;
(iii) bộ thông số sinh vật gây bệnh và chỉ thị chất lượng môi trường gồm tảo ñộc,
hại và thực vật phù du khác, vi sinh vật, ñộng vật phù du, ñộng vật ñáy.
Để xây dựng ñược các bộ thông số trên, người ta phải tiến hành nhiều công
ñoạn gồm thu thập mẫu, bảo quản mẫu, vận chuyển mẫu và lưu trữ mẫu.

• Thu thập mẫu: Thông thường, người ta phải dùng các phương tiện như tầu,
thuyền, lưới vớt tảo, ñược trang bị GPS, ñi ñến những ñiểm cần lấy mẫu.

15


• Bảo quản mẫu: Tuỳ theo các loại thông số cần ño, mẫu ñược bảo quản trong
các loại bình chứa khác nhau và với ñiều kiện bảo quản khác nhau.
• Vận chuyển mẫu: Thông thường, sau khi lấy mẫu, các mẫu cần ñược vận
chuyển về phòng thí nghiệm trong thời gian sớm nhất.
• Lưu trữ mẫu: Trước và sau khi ño ñạc, mẫu luôn phải ñược lưu trữ.
Sau mỗi ñợt quan trắc, các số liệu ñược ghi chép vào sổ tay phân tích và dựa
vào ñó, người ta ñánh giá hiện trạng ô nhiễm. Như vậy, theo quy trình xác ñịnh các
thông số của tảo ñộc, hại hiện nay, tồn tại những thực tế sau:
1. Các công ñoạn: thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu tốn
rất nhiều công sức và thời gian;
2. Các phép ño ñược thực hiện trong phòng thí nghiệm, mất nhiều thời gian nên
không phù hợp khi có yêu cầu cần cảnh báo nhanh;
3. Các kết quả ño ñược lưu trữ bằng phương pháp ghi chép thủ công nên không
tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn ñáng tiếc.
1.2. Mô hình xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm môi trường thuỷ vực
1.2.1. Phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số tảo
1. Thông số về phổ huỳnh quang của tảo ñộc, hại:
Các loài vi tảo có thể ñược phân thành từng nhóm theo sắc tố [58, 59]. Nhìn
chung, tất cả các loài tảo ñều chứa sắc tố mầu xanh Chlorophyll a và có thể chứa
thêm sắc tố phụ như Chlorophyll b, Chlorophyll c, Carotenoit, Xanhtophyll, trong
ñó: Chlorophyll a hấp thụ tại bước sóng 436 nm, phát huỳnh quang tại 685 nm;
Chlorophyll b hấp thụ tại bước sóng 645 nm; Chlorophyll c hấp thụ tại 630 nm.
2. Thông số về hình dạng, kích thước của tảo ñộc, hại:
Hiện nay, trong thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam, tảo ñộc, hại ñược phân chia

thành năm ngành: Vi Khuẩn Lam, Tảo Silíc, Tảo Hai Roi, Tảo Sợi Bám, Tảo Kim.
Nhìn chung, hình dạng và kích thước của các loài tảo ñộc, hại rất khác nhau: có loài
liên kết thành tập ñoàn, có loài hình que, có loài hình tròn dẹt… Kích thước của
chúng cũng thay ñổi: có loài có kích thước chỉ vào khoảng vài µm nhưng cũng có
loài có kích thước lên ñến vài chục µm [16, 67].

16


3. Các phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số của tảo ñộc, hại:

Phương pháp truyền thống xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm do tảo ñộc, hại gây ra dựa
trên việc xác ñịnh mật ñộ tảo và ñộc tố. Sau ñây là các phương pháp thông dụng:
• Phương pháp Utermohl
Theo phương pháp Utermohl, người ta sử dụng một buồng chứa kết hợp gồm
một bình hình trụ (dung tích: 5, 10, 25, 50, 100 ml) ñược ñặt ở phía trên cùng và
một buồng chứa phẳng có ñáy có thể tháo rời, ñược ñặt ở phía dưới. Khi cho mẫu
vào bình, các phần tử có xu hướng lắng ñọng. Người ta bỏ ñi phần trên và chỉ ñể
lại phần lắng ñọng nơi ñáy bình, sau ñó, quan sát chúng dưới kính hiển vi.
• Phương pháp buồng ñếm Sedgewick Rafter

Buồng ñếm Sedgewick Rafter là những tấm trong suốt với ô trung tâm chứa
ñược 100 mm3 chất lỏng. Đáy của buồng ñược chia thành các ô lưới ñều với diện
tích 1 mm2. Khi chất lỏng ñược chứa vào ô trung tâm, lưới sẽ chia ñều 1 mililít
chất lỏng thành microlít. Kết hợp với việc quan sát chất lỏng dưới kính hiển vi,
chúng ta có thể ñếm ñược số lượng phần tử có trong một ñơn vị thể tích.
• Kỹ thuật nhuộm mầu

Trước khi nhuộm, mẫu phải ñược làm sạch bằng hoá chất ñể loại bỏ tế bào chất.
Phẩm nhuộm hay ñược sử dụng là Carmin (cho mầu hồng nhạt hay tím nhạt nếu

vách tế bào cấu tạo từ cellulose) hoặc pectin hay phẩm nhuộm xanh iod (cho mầu
xanh lục nếu vách tế bào thấm lignin hoặc suberin).
•

Phương pháp ELISA
ELISA là phương pháp sử dụng kháng thể ñể nhận diện kháng nguyên dựa trên

nguyên tắc: kháng thể ñặc hiệu cho kháng nguyên ñược gắn vào ñáy giếng. Chất mà
ta quan tâm nằm trong mẫu thử ñược trộn lẫn với chất chuẩn có liên kết enzyme.
Khi cho hỗn hợp này vào giếng chứa mẫu thử thì chất trong mẫu thử sẽ cạnh tranh
với chất chuẩn làm cho giếng ñổi mầu. So kết quả ñó với một giếng chuẩn (chỉ có
chất chuẩn), người ta sẽ biết lượng chất ta quan tâm có trong mẫu thử.

17


1.2.2. Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực
Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học ñã nhận ñịnh: thông số về tảo
ñóng một vai trò quan trọng trong quan trắc thuỷ vực và xem chúng là chỉ số ñánh
giá sự xuống cấp thuỷ vực [42]. Trên thực tế, ngay cả ñối với những loài tảo không
có ñộc tố, sau giai ñoạn phát triển sẽ là giai ñoạn thoái hoá và phân huỷ. Trong giai
ñoạn này, chúng sẽ hấp thụ ô xy và do ñó, gây ô nhiễm môi trường. Như vậy, ñể
xây dựng ñược một hệ thống quan trắc thuỷ vực có hiệu quả, nhất thiết phải giám
sát ñược quá trình thay ñổi các thông số của tảo.
Hiện nay, trên thế giới, người ta ñã ñưa ra một số phương pháp quan trắc thuỷ
vực. Những phương pháp chính có thể kể ñến là:
1. Phương pháp kết hợp giữa số liệu thực ñịa với số liệu thu ñược từ các ñầu cảm
biến ñặt trên vệ tinh:
Đây là phương pháp ñược áp dụng rộng rãi nhất hiện nay trên thế giới, ñặc biệt
là tại châu Âu, ñể quan trắc quá trình nở hoa của tảo ñộc, hại trên ñại dương [25, 27,

28, 30, 45, 51, 67, 76, 99, 100]. Theo ñó, người ta kết hợp giữa các số liệu thu ñược
từ các ñầu cảm biến quang ñặt trên vệ tinh bao gồm thiết bị phân tích phổ hình ảnh
như SeaWiFS, MODIS, MERIS với các số liệu ño ngoài thực ñịa.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc phân tích ảnh phản xạ do mặt trời chiếu
xuống bề mặt ñại dương, ñược các ñầu cảm biến ñặt trên vệ tinh thu ñược. Dựa trên
các ñặc tính của hình ảnh gồm mầu sắc và cường ñộ sáng, người ta dự ñoán ñược
mật ñộ của các phần tử có trong thuỷ vực (hình 1.1).

Hình 1.1. Các thành phần phản xạ ñược các ñầu cảm biến thu ñược.
(1) Bức xạ từ thuỷ vực, (2) Phản xạ từ ñáy thuỷ vực, (3) Phản xạ từ bề mặt nước-không khí,
(4) Bức xạ trong khí quyển, (5) Bức xạ do phản xạ với các phần tử khác

18


Bức xạ tổng hợp Ld , mà các ñầu cảm biến nhận ñược là [75]:

Ld = Tatm (Lw + Ls + Lb ) + La + Ll

(1.1)

trong ñó LW , Ls , La , Lb , Ll lần lượt là bức xạ từ thuỷ vực, từ bề mặt nước-không khí,
từ khí quyển, từ ñáy thuỷ vực và từ các phần tử khác nằm trong trường nhìn của ñầu
thu; Tatm là tỷ lệ bức xạ truyền qua khí quyển. Mỗi thành phần bức xạ trên lại phụ
thuộc vào các thông số hình học như góc tới θ i , góc phản xạ θ r , góc phương vị
giữa tia tới và tia phản xạ φ (hình 1.2).
Li

Lr

θi

θr

φ
θ t Lt
Hình 1.2. Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược

Trong số các thành phần ảnh hưởng ñến chất lượng hình ảnh, người ta ñặc biệt
quan tâm ñến thành phần bức xạ của các phần tử có trong thuỷ vực Lw - thành phần
liên quan trực tiếp ñến các thông số quang của các phần tử có trong thuỷ vực, ñồng
thời, tìm cách tránh ảnh hưởng của các thành phần khác. Nhìn chung, những thành
phần nói trên lại phụ thuộc vào từng vùng thuỷ vực và từng vùng ñịa lý.
Thành phần phản xạ từ bề mặt ñại dương ñược xác ñịnh dựa vào hệ số phản xạ
bức xạ (irradiance reflectance) R(λ ) . Một cách tổng quát, hệ số phản xạ R ñược
biểu diễn như sau [75]:

R (λ ) = f

bb (λ )
a (λ ) + bb (λ )

(1.2)

trong ñó f là hằng số ñặc trưng cho các thông số môi trường, bb (λ ) và a (λ ) lần
lượt là hệ số tán xạ ngược và hệ số hấp thụ của các phần tử có trong thuỷ vực.

19

Hệ số hấp thụ tổng hợp a (λ ) và tán xạ tổng hợp bb (λ ) có thể ñược biểu diễn
qua các hệ số hấp thụ và tán xạ của các phần tử có trong thuỷ vực như sau:

a (λ ) = a w (λ ) + a y (λ ) + C ph a ph (λ ) + C s a s (λ )

(1.3)

bb (λ ) = bw (λ ) + C ph b ph (λ ) + C s bs (λ )

(1.4)

trong ñó C ph và Cs lần lượt là mật ñộ của sinh vật phù du và các phần tử vô cơ lơ
lửng. Các chỉ số w, y , ph và s lần lượt ñại diện cho nước, chất hữu cơ hoà tan có
mầu (CDOM), sinh vật phù du và phần tử vô cơ.
Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Đại dương Hàn Quốc ñã
nhận ñịnh: mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải biết ñược thông số
quang của thủy vực có các loài tảo gây ra hiện tượng thuỷ triều ñỏ [42].

2. Phương pháp quan trắc dựa trên phổ huỳnh quang của tảo:
Dựa trên ñặc tính tảo có thể phát huỳnh quang khi hấp thụ ánh sáng tại một
bước sóng thích hợp, nhiều nhà khoa học tại nhiều nước phát triển ñã ñi theo hướng
lấy cường ñộ huỳnh quang của tảo làm chỉ báo cho mức ñộ ô nhiễm thuỷ vực. Theo
hướng này, các nhà khoa học ñang cố gắng xây dựng những thiết bị chuyên dụng ño
phổ huỳnh quang của tảo trong môi trường tự nhiên. Khi ñó, người ta sẽ sử dụng
một nguồn sáng có bước sóng thay ñổi chiếu vào mẫu nước cần ño [26]. Có thể kể
ñến những công trình nghiên cứu tiêu biểu gần ñây như:
• Dự án nghiên cứu, xây dựng hệ thống quan trắc thuỷ vực do trường Đại học
Tổng hợp Umaine, Orono, USA bắt ñầu tiến hành từ tháng 3 năm 2007 [101]
với mục tiêu là xây dựng một hệ thống các ñầu thu ñể quan trắc tảo trong nguồn
nước, qua ñó, ñánh giá mức ñộ an toàn của nguồn nước sinh hoạt. Các nhà khoa

học ñã sử dụng mức ñộ huỳnh quang làm chỉ báo ô nhiễm nguồn nước;
• Gần ñây, hãng bbe của CHLB Đức ñã giới thiệu thiết bị ño phổ huỳnh quang
của tảo trong môi trường tự nhiên. Thiết bị gồm những khối chính là: nguồn
sáng (ñược cấp bởi 5 ñèn LED công suất lớn với dải phổ có bước sóng ñỉnh lần
lượt tại: 450 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm và 610 nm); hệ thấu kính nhằm hội
tụ chùm sáng chiếu vào mẫu; buồng chứa mẫu; ñầu thu nhân quang ñiện ñộ

20


nhạy cao và các mạch xử lý tín hiệu [102, 103]. Hình 1.3 mô tả cấu tạo của
thiết bị.

Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo

1.2.3. Mô hình quan trắc thủy vực dự kiến
Nhìn chung, các loài tảo khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và cấu tạo khác
nhau. Do vậy, nếu chiếu một chùm sáng thích hợp vào mẫu thuỷ vực, các thành
phần hấp thụ và tán xạ sẽ khác nhau với các loài tảo khác nhau. Dựa vào ñộ lớn của
các thành phần này, ta có thể xác ñịnh thông số quang của thuỷ vực ñó.
Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực khá thấp
nên thành phần hấp thụ cũng như tán xạ thu ñược khi chiếu một chùm sáng qua mẫu
thuỷ vực là nhỏ. Để xác ñịnh các thông số quang của các mẫu thuỷ vực có tảo ñộc,
hại, trong luận án này, tác giả ñã áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho trường hợp
ño nhanh và mô phỏng Monte Carlo khi cần có kết quả ño chính xác. Để ño ñược
các thành phần hấp thụ và tán xạ khá nhỏ, tác giả ñã sử dụng kỹ thuật quả cầu tích
phân ñôi kết hợp với một số phương pháp xử lý tín hiệu.
Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến ñược mô tả trên hình 1.4.

21

Quả cầu tích phân #2

Quả cầu tích phân #1

PD 3
Hệ quang
Laser diode
Mẫu
PD 1

PD 2

PC

Khối xử lý tín hiệu

Hình 1.4. Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến

Theo mô hình trên, các thành phần tán xạ ngược, tán xạ xuôi và hấp thụ sẽ lần
lượt ñược các ñầu thu PD1, PD2, PD3 nhận biết. Thông số quang của mẫu gồm hệ
số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng ñược tính toán dựa trên tín hiệu lối ra
của ba ñầu thu này, theo mô hình Kubelka-Munk hoặc mô phỏng Monte Carlo kết
hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi. Hệ ño có một số ñặc ñiểm chính sau:
1. Cho phép ño ñồng thời các thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp cỡ
vài trăm tế bào/ml;
2. Đo nhanh thông số quang của thuỷ vực khi lựa chọn phép ño theo mô hình
Kubelka-Munk kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;
3. Đo chính xác khi lựa chọn phép ño theo mô phỏng Monte Carlo;

4. Đo thông số quang một cách trực tiếp nên không bị ảnh hưởng của các yếu tố
bên ngoài như thành phần phản xạ từ khí quyển, phản xạ từ ñáy thuỷ vực…;
5. Tự ñộng sao lưu các kết quả ño ñạc.

22


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Hiện nay, vấn ñề ô nhiễm thuỷ vực mà một trong những nguyên nhân gây ra là
sự bùng phát của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực (hiện tượng thuỷ triều ñỏ
hay còn gọi là hiện tượng nở hoa) ñã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu.
Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực vào khoảng vài
chục ñến vài trăm tế bào/ml. Khi bùng phát, chỉ sau vài ngày, mật ñộ tảo có thể lên
ñến hàng triệu tế bào/ml. Để giảm thiểu thiệt hại do ô nhiễm thuỷ vực gây ra, người
ta ñã áp dụng nhiều phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên việc xác ñịnh các
thông số quang của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực ñó. Tuy nhiên, hiện nay,
việc quan trắc thuỷ vực có mật ñộ tảo dưới 1000 tế bào/ml còn gặp nhiều khó khăn.
Trong các công trình nghiên cứu trong thời gian gần ñây, các nhà khoa học trên
thế giới ñã khẳng ñịnh mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải xác ñịnh
ñược hệ số hấp thụ µa và hệ số tán xạ µs của tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực.
Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay gồm có:
1. Phương pháp truyền thống bao gồm phương pháp Utefrmohl, phương pháp
buồng ñếm Sedgewick Rafter, kỹ thuật nhuộm mầu, phương pháp ELISA. Các
phương pháp này ñược tiến hành trong phòng thí nghiệm nên ñòi hỏi nhiều
công ñoạn gây tốn kém và mất nhiều thời gian (thường mất vài tuần) gồm công
ñoạn thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu. Do ñó,
phương pháp này không phù hợp trong trường hợp cần có kết quả ño nhanh
hoặc quan trắc hiện tượng thuỷ triều ñỏ;
2. Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên phân tích ảnh bức xạ từ mặt ñất ñược
nhận biết bởi các ñầu thu ñặt trên vệ tinh, kết hợp với các số liệu ño thực ñịa:

phương pháp này cho phép quan trắc trên diện rộng nhưng tốn kém và ñòi hỏi
những phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng;
3. Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên xác ñịnh phổ huỳnh quang của tảo
ñộc, hại có trong thuỷ vực: các loài tảo ñộc, hại phát huỳnh quang nhờ các sắc
tố. Tuy nhiên, nhiều loài tảo có cùng nhóm sắc tố nên phương pháp quan trắc
này chỉ giới hạn trong khoảng 5 nhóm tương ứng với vùng phổ.

23


Với ñịnh hướng xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảo
ñộc, hại dưới 1000 tế bào/ml và có thể ño nhanh, chính xác nên ñề tài ñã lựa chọn
mô hình Kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo, kết hợp với kỹ thuật quả cầu
tích phân ñôi, kỹ thuật phát triển ứng dụng ADC chuyên dụng, kỹ thuật phát triển
ứng dụng DSP với cấu trúc song song và kỹ thuật ñường ống, kỹ thuật xử lý tín hiệu
số, tương tự, kỹ thuật tích hợp và xử lý tín hiệu ánh sáng. Hệ ño cho phép xác ñịnh
ñồng thời hệ số hấp thụ µa , hệ số tán xạ µs và hệ số bất ñối xứng g dựa trên việc
xác ñịnh ñồng thời các thành phần tán xạ ngược Rd , tán xạ xuôi Td và thành phần
truyền qua Tc khi chiếu một chùm laser vào thuỷ vực. Với phương pháp này, bên
cạnh việc quan trắc ñược thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp, ñề tài ñã xây dựng ñược
phương pháp giảm thiểu thời gian xử lý tín hiệu. Ngoài ra, có thể xác ñịnh ñược hệ
số bất ñối xứng g ngay trong quá trình ño ñạc theo mô hình Kubelka-Munk và thực
hiện mô phỏng Monte Carlo mà không cần phải sử dụng thiết bị khác ñể xác ñịnh
trước hệ số này.

24