Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng

..

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 CƠNG 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 CƠNG 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 đề liên quan ............................................15
1.2. Mơ hình xác định mức độ ơ nhiễm mơi trường thuỷ vực ..............................16
1.2.1. Phương pháp truyền thống xác định thơng số tảo...................................16
1.2.2. Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực.............18
1.2.3. Mơ hình quan trắc thủy vực dự kiến ........................................................21
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THƠNG 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 mơ 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 mơ phỏng Monte Carlo...................................................40
Chương 3. ÁP DỤNG MƠ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MƠ PHỎNG MONTE
CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ĐƠI ....................45
3.1. Áp dụng mơ 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. Q trình di chuyển photon trong mẫu ...................................................59
3.3.2. Mơ 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 đo với cấu hình đo chính xác ....................................................................67
4.2.1. Cấu trúc cơ bản của một đơn 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 đo với tín hiệu chuẩn lối vào ...............................................80
4.3. Hệ đo với cấu hình đo nhanh..........................................................................84
4.4. Chế tạo thiết bị................................................................................................85
4.4.1. Các khối chức năng .................................................................................86
4.4.2. Tối ưu thơng 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 độc, hại .......................................................103
KẾT LUẬN.............................................................................................................120
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................122
DANH MỤC CƠNG 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 lơ gíc số học

BOD

Biochemical oxygen demand

Nhu cầu ơxy sinh học

Cache

Cache Memory

Bộ nhớ đệm

CCS

Code Composer Studio

Mơi trường soạn thảo mã

CDOM

Colored Dissolved Organic

Chất hữu cơ hịa tan có mầu

Matter
COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu ơxy hóa học

CPLD

Complex Programmable Logic

Mơ đun lơ gíc khả trình phức hợp

Device

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ biến đổi 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 ngun bằng

assay

Enzyme

EMIF

External Memory Interface

Giao diện bộ nhớ ngồi

EOC

End of Conversion

Kết thúc q trình biến đổi

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung hữu hạn

g

Asymmetric/ Anisotropy

Hệ số bất ñối xứng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

HAB

Harmful Algae

Tảo độc, 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

Mơ hình Kubelka-Munk

L

Radiance

Độ bức xạ

M

Sphere Multiplier

Hệ số nhân của quả cầu tích phân

MC

Monte Carlo simumations

Mơ 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 độ

Spectrometer

phân dải trung bình

Moderate Resolution Imaging

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có độ

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

Vịng khố 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 đại 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 tốn của DSP ñối với phép nhân hai ma trận n x n .........74
Bảng 4.2: Sai khác về biên độ 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 độ phịng........87
Bảng 4.6: Thơng 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 đo 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 đổi theo mật độ 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 đổi theo mật độ 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 đổi theo mật độ 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 được......................18
Hình 1.2. Thơng số hình học liên quan đến bức xạ thu được ...................................19
Hình 1.3. Cấu tạo thiết bị đo phổ huỳnh quang của một số lồi tảo ........................21
Hình 1.4. Mơ hình quan trắc thuỷ vực dự kiến .........................................................22
Hình 2.1. Photon bị đổi 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 xi ........................................................................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. Mơ 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 đổi 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 đơn vị góc đặc 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 ngồi của quả cầu tích phân kép ......................58
Hình 3.6. Tạo chùm sáng chuẩn trực........................................................................58
Hình 3.7. Mơ tả mối liên hệ giữa góc θ và θi tại mặt trên và mặt dưới mẫu...........62
Hình 3.8. Toạ độ của photon thay đổi khi có phản xạ trong ....................................62
Hình 3.9. Lưu đồ mơ phỏng MC kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân đơi.................64
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ đo ........................................................................................66
Hình 4.2. Kiến trúc cơ bản của một đơn 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 tốn khi sử dụng và khơng sử dụng cấu trúc song song ...75
Hình 4.6. Tỷ lệ thời gian tính tốn giữa có và khơng sử dụng cấu trúc song song ..75

Hình 4.7. Thời gian tính tốn khi CT viết bằng C và Assembler cấu trúc song song
...................................................................................................................................76


Hình 4.8. Tỷ lệ thời gian tính tốn giữa C và Assembler cấu trúc song song ..........76
Hình 4.9. Sơ đồ khối phép đo dựa trên phát triển DSK TMS320C6713...................77
Hình 4.10. Sơ đồ khối ADC tích hợp với DSK TMS320C6713.................................78
Hình 4.11. Sơ đồ ngun lý tích hợp ADC và DSK TMS320C6713 .........................78
Hình 4.12. Bo mạch ADC tích hợp với DSK TMS320C6713....................................79
Hình 4.13. Lưu đồ q trình đọc 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 đo với các tín hiệu chuẩn lối vào ........................................81
Hình 4.16. Thơng số của tín hiệu chuẩn trên các cửa sổ sau khi tích hợp với DSP.81
Hình 4.17. Sai khác về biên độ 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 đơi ..................85
Hình 4.20. Sự phụ thuộc của cường ñộ bức xạ vào góc phát xạ và bước sóng ........87
Hình 4.21. Đường đặc tuyến P-I của laser diode .....................................................88
Hình 4.22. Sơ đồ khối mạch điều 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 đo ...........................................................................90
Hình 4.25. Lưu đồ truy nhập dữ liệu từ ADC ...........................................................90
Hình 4.26. Xác định thành phần Td .........................................................................91
Hình 4.27. Xác định thành phần Rd .........................................................................92
Hình 4.28. Xác định thành phần Tc ..........................................................................92
Hình 4.29. Hình ảnh bên ngồi của thiết bị..............................................................93
Hình 4.30. Giao diện chính của thiết bị ....................................................................94
Hình 4.31. Cửa sổ giao diện xem kết quả đo của thiết bị .........................................95
Hình 4.32. Cửa sổ giao diện đặt 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 độ 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 độ sữa .....................................................99
Hình 4.37. Giá trị của µa, µs và g theo tài liệu cơng bố của tác giả khác...............100
Hình 4.38. Sự phụ thuộc của µa vào nồng độ 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 độ sữa đo theo MC và KM .........103
Hình 4.41. Sơ đồ bố trí phép đo phổ huỳnh quang .................................................104
Hình 4.42. Phổ huỳnh quang của một số lồi tảo vùng thuỷ vực Đồ Sơn ..............105
Hình 4.43. Sơ đồ bố trí phép đo phổ kích thích huỳnh quang ................................106
Hình 4.44. Phổ KTHQ của một số lồi tảo độc, 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 độ ..110
Hình 4.47. Thay đổi của tỷ lệ µs / µa theo mật độ tảo Prorocentrum rhathymum..111
Hình 4.48. Rd , Td , Tc của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật độ................112
Hình 4.49. µa , µs , g của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật độ.................113
Hình 4.50. Thay đổi của tỷ lệ µs / µa theo mật độ 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 độ..........................116
Hình 4.53. Thay đổi của tỷ lệ µs / µa theo mật độ tảo A. minutum .........................117


MỞ ĐẦU
Các phương pháp xác ñịnh ñối tượng dựa trên thơng số quang đã được biết đến
từ khá lâu. Từ những năm 70 của thế kỷ 18, người ta ñã sử dụng đĩa Secchi được
thả chìm dưới nước để đo 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 đó, xác
định được 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 mơ, tế bào dựa trên phân tích thơng 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 mơ
hình đã được áp dụng cho hướng này: mơ hình Kubelka-Munk, mơ hình lan truyền
bức xạ, mơ phỏng Monte Carlo…[37, 44, 46, 73], từ đó, đưa ra nhiều phương pháp
chẩn đốn như chẩn đốn hình ảnh, phương pháp quang phổ…[32, 64, 68, 79, 81].
Trong thời gian gần đây, các phương pháp đo thơng số quang cịn ñược mở
rộng sang lĩnh vực môi trường ñể quan trắc q trình phát triển của tảo độc, hại, đặc
biệt là hiện tượng thuỷ triều đỏ hay cịn gọi là sự nở hoa mà nguyên nhân là do sự
bùng phát của các lồi tảo độc, hại có trong thuỷ vực. Chỉ trong vài ngày, mật độ
tảo độc, 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 mơi trường. Vì vậy, người ta lấy mật ñộ
tảo ñộc, hại làm một chỉ báo thể hiện mức độ ơ nhiễm của thủy vực đó [84].
Đứng trước nguy cơ ô nhiễm thuỷ vực ngày càng gia tăng, nhiều hội nghị quốc
tế về ơ nhiễm thuỷ vực đã được tiến hành, điển 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
Kơng, lần thứ 14, năm 2010 tại Hy Lạp) để trao đổi thơng tin khoa học, đưa 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 đó, phải kể đến 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 thơng về Tảo độc 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 đối 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 phịng thí nghiệm với thời gian mất vài tuần. Việc xác định nhanh
các thơng số của thủy vực ngay ngoài hiện trường và quan trắc thủy vực có mật độ
tảo ở mức vài chục tế bào/ml ñể cảnh báo sớm sự bùng phát của chúng vẫn cịn 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 định
phổ huỳnh quang của tảo độc, hại có trong môi trường. Hiện nay, các phương pháp
này chỉ phân biệt ñược khoảng 5 nhóm tảo theo vùng phổ. Trong khi đó, theo các
nhà khoa học, ơ nhiễm thuỷ vực do tảo độc, hại gây ra có thể được 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 đo các thơng số quang của thủy vực có tảo độc,
hại cũng có thể là một hướng ñể xây dựng hệ quan trắc thủy vực tại nước ta.
Trong luận án này, chúng tơi trình bày một hướng tiếp cận mới ñể quan trắc
thủy vực dựa trên việc xác định các thơng số quang của tảo ñộc, hại khi chiếu một
chùm laser vào thuỷ vực. Hệ đo cho phép đo nhanh, chính xác và đo đồng thời ba
thơng 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 đề tài
Phương pháp đo thơng số quang có thể được 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 độ thấp các hạt tán xạ. Việc xây
dựng thành cơng hệ đo 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 mơi trường….
Để xây dựng hệ đo, về mặt phương pháp luận, chúng tơi đã nghiên cứu, kết
hợp kỹ thuật quả cầu tích phân đơi với mơ phỏng Monte Carlo và mơ hình KubelkaMunk.
Về mặt kỹ thuật, chúng tơi đã 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 tốn lớn và u cầu đồng
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 đầu 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 cơng suất phát của laser ln
ổn định, tích hợp quang ñiện tử giữa nguồn sáng chuẩn trực, hệ hai quả cầu tích
phân, các đầu thu,…; (iiii) xây dựng các mơ đun phần mềm điều khiển, tính tốn,
hiển thị …dựa trên ADC chun dụng, các thuật tốn theo mơ hình Kubelka-Munk
và mô phỏng Monte Carlo…. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của luận án có
thể được tóm tắt như sau:
Mục tiêu của đề tài:
o

Xây dựng hệ đo thơng số quang của thuỷ vực vùng ven bờ biển Việt Nam có

mật độ tảo thấp trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp, mơ hình phù hợp và dựa
trên cơng nghệ tích hợp quang điện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu. Hệ đo làm việc theo
hai cấu hình: đo nhanh và đo chính xác ba thơng 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 độ tảo thấp.

12


Nội dung nghiên cứu:
o Tìm hiểu và mơ tả đối tượng nghiên cứu dưới góc độ 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 mơ hình áp dụng cho thuỷ vực biển ven bờ Việt
Nam ñể xây dựng hệ đo thơng số quang của thuỷ vực có tảo độc, hại gồm mơ
hình kubelka-Munk và mơ phỏng Monte Carlo. Kỹ thuật chính được sử dụng
gồm có:
- Kỹ thuật quả cầu tích phân đơi;
- 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 mơ hình Kubeka-Munk kết hợp
kỹ thuật quả cầu tích phân đơi;
- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên xây dựng thuật tốn cho mơ phỏng Monte
Carlo phù hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân đơi;
- 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 đường ống;
o Đo thơng số quang của một số mẫu sữa tiêu chuẩn, mẫu tảo ñộc ñã được phân
lập và ni với mật độ tảo khác nhau.
Tình hình nghiên cứu
Để xác định thơng số quang của thủy vực có tảo độc, hại, người ta thường sử
dụng phương pháp truyền thống đo trong phịng 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 đo ngồi thực địa với các số liệu hình ảnh thu được từ các đầu
cảm biến đặt trên vệ tinh. Một chương trình xử lý ảnh chuyên dụng sẽ phân tích
thơng 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 được tiến hành tại phịng thí nghiệm,
theo phương pháp truyền thống và chưa có cơng trình cơng bố nào đề cập đến
phương pháp đo thơng số quang của thủy vực có mật độ tảo thấp (các phương pháp
quan trắc thuỷ vực nêu trên sẽ được trình bày chi tiết trong chương 1).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Dưới góc độ vật lý, đối tượng nghiên cứu là bộ ba thơng 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 đối
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 ni ở mật độ khác nhau. Dung dịch sữa
thường ñược sử dụng làm mẫu chuẩn trong lĩnh vực lý sinh do các phần tử sữa được
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 đo để đánh giá khả năng xác định thơng số quang
của thủy vực có mật độ tảo thấp.
Tảo độc, hại về hình thái cũng tương tự như những lồi tảo khác: kích thước
nhỏ, sống trơi nổi trong tầng đáy, dạng nghỉ ở giai ñoạn bào xác và chỉ thải ñộc tố ra
thuỷ vực khi bị phân hủy. Hay nói cách khác, trong điều kiện bình thường, tảo độc,
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 độ tảo đến một ngưỡng nào đó (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 cơng 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 lồi tảo độc, hại [55].
Trong thời gian qua, nhiều cơng trình nghiên cứu về tảo độc, hại đã được tiến hành
tại Việt Nam thơng qua các chương trình hợp tác quốc tế với nội dung chính là khảo
sát phân bố và độ phong phú của các lồi tảo độc, 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 lồi tảo gây độc và
phương pháp phát hiện chúng, tác động của điều kiện mơi trường lên sự nở hoa và
sự tích luỹ độc tố; (iii) nghiên cứu về độc 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 độc, 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 mơi trường, trong
đó, 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 động quan trắc, phân tích mơi trường biển ven bờ gồm có: (i) bộ
thơng số khí tượng - thuỷ văn với các thơng số gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, các
thơng số về sóng, gió, dịng chảy; (ii) bộ thơng số mơi trường nước và trầm tích với
các thơng số như: độ muối, độ 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 được các bộ thơng số trên, người ta phải tiến hành nhiều cơng
đoạn 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 đo, mẫu được bảo quản trong
các loại bình chứa khác nhau và với điều kiện bảo quản khác nhau.
• Vận chuyển mẫu: Thông thường, sau khi lấy mẫu, các mẫu cần được vận
chuyển về phịng 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 đó, người ta đánh giá hiện trạng ơ 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 cơng đoạn: thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu tốn
rất nhiều cơng sức và thời gian;
2. Các phép đo được thực hiện trong phịng thí nghiệm, mất nhiều thời gian nên
khơng phù hợp khi có u 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 đáng tiếc.
1.2. Mơ hình xác định mức độ ơ nhiễm mơi trường thuỷ vực
1.2.1. Phương pháp truyền thống xác định thơng số tảo
1. Thơng số về phổ huỳnh quang của tảo độc, hại:
Các lồi vi tảo có thể được phân thành từng nhóm theo sắc tố [58, 59]. Nhìn
chung, tất cả các lồi tảo đều chứa sắc tố mầu xanh Chlorophyll a và có thể chứa
thêm sắc tố phụ như Chlorophyll b, Chlorophyll c, Carotenoit, Xanhtophyll, trong
đó: 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. Thơng 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 lồi tảo độc, hại rất khác nhau: có lồi
liên kết thành tập đồn, có lồi hình que, có lồi hình trịn dẹt… Kích thước của
chúng cũng thay đổi: có lồi có kích thước chỉ vào khoảng vài µm nhưng cũng có
lồi có kích thước lên đến vài chục µm [16, 67].

16


3. Các phương pháp truyền thống xác định thơng 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 đây là các phương pháp thơng 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) được đặt ở phía trên cùng và
một buồng chứa phẳng có đáy có thể tháo rời, được đặt ở phía dưới. Khi cho mẫu
vào bình, các phần tử có xu hướng lắng đọng. Người ta bỏ ñi phần trên và chỉ ñể
lại phần lắng ñọng nơi đáy bình, sau đó, quan sát chúng dưới kính hiển vi.
• Phương pháp buồng đếm Sedgewick Rafter

Buồng đếm Sedgewick Rafter là những tấm trong suốt với ơ trung tâm chứa
được 100 mm3 chất lỏng. Đáy của buồng ñược chia thành các ơ lưới đều với diện
tích 1 mm2. Khi chất lỏng được chứa vào ơ 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 đếm được số lượng phần tử có trong một đơn vị thể tích.
• Kỹ thuật nhuộm mầu

Trước khi nhuộm, mẫu phải được làm sạch bằng hố chất để 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 đổi mầu. So kết quả đó 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 đã nhận định: thơng số về tảo
đóng một vai trị 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 lồi tảo khơng
có độc tố, sau giai đoạn phát triển sẽ là giai đoạn thối hố và phân huỷ. Trong giai
đoạn này, chúng sẽ hấp thụ ơ xy và do đó, gây ơ nhiễm mơi trường. Như vậy, ñể
xây dựng ñược một hệ thống quan trắc thuỷ vực có hiệu quả, nhất thiết phải giám
sát được q trình thay đổi các thơng 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, để quan trắc q trình nở hoa của tảo ñộc, hại trên ñại dương [25, 27,
28, 30, 45, 51, 67, 76, 99, 100]. Theo đó, 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 đo ngồi thực địa.
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 độ sáng, người ta dự đốn được
mật độ 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-khơng 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 đó LW , Ls , La , Lb , Ll lần lượt là bức xạ từ thuỷ vực, từ bề mặt nước-khơng khí,
từ khí quyển, từ đáy thuỷ vực và từ các phần tử khác nằm trong trường nhìn của đầu
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. Thơng số hình học liên quan đến bức xạ thu được

Trong số các thành phần ảnh hưởng đến 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 đến các thơng số quang của các phần tử có trong thuỷ vực, đồng
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 đó f là hằng số đặc trưng cho các thơng số mơi 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 được 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 đó 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 hồ 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 được thơng số
quang của thủy vực có các lồi tảo gây ra hiện tượng thuỷ triều ñỏ [42].

2. Phương pháp quan trắc dựa trên phổ huỳnh quang của tảo:
Dựa trên đặc 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 độ ơ 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 đổi chiếu vào mẫu nước cần đo [26]. Có thể kể
đến những cơng trình nghiên cứu tiêu biểu gần đây 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 đó, đánh giá mức độ an tồn của nguồn nước sinh hoạt. Các nhà khoa
học ñã sử dụng mức độ huỳnh quang làm chỉ báo ơ nhiễm nguồn nước;
• Gần ñây, hãng bbe của CHLB Đức ñã giới thiệu thiết bị đo phổ huỳnh quang
của tảo trong mơi trường tự nhiên. Thiết bị gồm những khối chính là: nguồn
sáng (được cấp bởi 5 đèn LED cơng suất lớn với dải phổ có bước sóng đỉnh 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 mơ tả cấu tạo của
thiết bị.

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

1.2.3. Mơ hình quan trắc thủy vực dự kiến
Nhìn chung, các lồi 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 lồi tảo khác nhau. Dựa vào độ lớn của
các thành phần này, ta có thể xác định thơng số quang của thuỷ vực đó.
Trong điều kiện bình thường, mật độ tảo độc, 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 định các thơng số quang của các mẫu thuỷ vực có tảo độc,
hại, trong luận án này, tác giả đã áp dụng mơ hình Kubelka-Munk cho trường hợp
đo nhanh và mơ phỏng Monte Carlo khi cần có kết quả đo chính xác. Để đo được
các thành phần hấp thụ và tán xạ khá nhỏ, tác giả ñã sử dụng kỹ thuật quả cầu tích
phân đơi kết hợp với một số phương pháp xử lý tín hiệu.
Mơ hình quan trắc thuỷ vực dự kiến được mơ 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. Mơ hình quan trắc thuỷ vực dự kiến

Theo mơ 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 đối xứng được tính tốn dựa trên tín hiệu lối ra
của ba đầu thu này, theo mơ hình Kubelka-Munk hoặc mô phỏng Monte Carlo kết
hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân đơi. Hệ đo có một số đặc điểm chính sau:
1. Cho phép đo đồng thời các thơng số quang của thủy vực có mật độ tảo thấp cỡ
vài trăm tế bào/ml;
2. Đo nhanh thông số quang của thuỷ vực khi lựa chọn phép đo theo mơ hình

Kubelka-Munk kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân đơi;
3. Đo chính xác khi lựa chọn phép đo theo mơ phỏng Monte Carlo;
4. Đo thông số quang một cách trực tiếp nên khơng bị ảnh hưởng của các yếu tố
bên ngồi 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 đề ơ nhiễm thuỷ vực mà một trong những nguyên nhân gây ra là
sự bùng phát của các lồi tảo độc, hại có trong thuỷ vực (hiện tượng thuỷ triều đỏ
hay cịn gọi là hiện tượng nở hoa) ñã trở thành mối quan tâm mang tính tồn cầu.
Trong điều kiện bình thường, mật độ tảo độc, hại có trong thuỷ vực vào khoảng vài
chục ñến vài trăm tế bào/ml. Khi bùng phát, chỉ sau vài ngày, mật độ tảo có thể lên
đến 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
thơng số quang của các lồi tảo độc, hại có trong thuỷ vực đó. Tuy nhiên, hiện nay,
việc quan trắc thuỷ vực có mật độ tảo dưới 1000 tế bào/ml cịn gặp nhiều khó khăn.
Trong các cơng 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 được tiến hành trong phịng thí nghiệm nên địi hỏi nhiều
cơng đoạn gây tốn kém và mất nhiều thời gian (thường mất vài tuần) gồm cơng
đoạn thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu. Do đó,
phương pháp này khơng 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 đất được
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 địi 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
độc, hại có trong thuỷ vực: các lồi tảo ñộc, hại phát huỳnh quang nhờ các sắc
tố. Tuy nhiên, nhiều lồi 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 định hướng xây dựng hệ đo thơng số quang của thuỷ vực có mật độ tảo
độc, hại dưới 1000 tế bào/ml và có thể đo nhanh, chính xác nên đề tài đã lựa chọn
mơ hình Kubelka-Munk và mơ 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 đo cho phép xác ñịnh
ñồng thời hệ số hấp thụ µa , hệ số tán xạ µs và hệ số bất đối 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 độ tảo thấp, đề tài đã xây dựng ñược
phương pháp giảm thiểu thời gian xử lý tín hiệu. Ngồi ra, có thể xác định được hệ
số bất đối xứng g ngay trong q trình đo đạc theo mơ hình Kubelka-Munk và thực
hiện mơ phỏng Monte Carlo mà khơng cần phải sử dụng thiết bị khác để xác ñịnh
trước hệ số này.

24