NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.34 MB, 145 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
ÂU DUY TUẤN
NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG
LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA
ÂU DUY TUẤN
NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG
LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 952 02 03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN XUÂN ANH
2. PGS.TS THÁI QUANG VINH
HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN
Luận án với tiêu đề “Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống LIDAR quan trắc
sol khí” được thực hiện tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và
Viện Vật lý địa cầu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới
sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Xuân Anh và PGS.TS Thái Quang Vinh.
Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của mình,
các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan
và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện
luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận án
Âu Duy Tuấn
i
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Xuân
Anh, PGS.TS Thái Quang Vinh. Các thầy đã hướng dẫn chuyên môn, giúp
đỡ, động viên và khích lệ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận
án tiến sĩ.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Thế Truyện. Thầy
đã động viên, khích lệ nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện nghiên
cứu sinh tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa từ năm 2013 đến
nay.
Nghiên cứu sinh cũng xin cảm ơn tới các anh, chị và toàn thể các bạn
trong Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự đợng hóa, Phòng hành chính tởng
hợp của Viện đã dành cho nghiên cứu sinh những tình cảm chân thành cùng
với sự giúp đỡ tốt nhất để nghiên cứu sinh được nghiên cứu, học tập trong
thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án
Âu Duy Tuấn
ii
MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng anh .......................................... v
Danh mục các bảng biểu .............................................................................. xi
Phần mở đầu .................................................................................................. 1
Chương I Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí ............................ 8
Đặt vấn đề...................................................................................................... 8
1.1 Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển .................................... 11
1.1.1
Phương pháp đo sol khí trực tiếp .................................................... 12
1.1.2
Phương pháp đo sol khí gián tiếp (đo từ xa) ................................... 13
1.1.3
Ứng dụng hệ Lidar trên thế giới và tại Việt Nam ........................... 16
1.2 Các nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar đo sol khí .......................... 18
1.2.1 Trên thế giới: ...................................................................................... 18
1.2.2 Ở Việt Nam ....................................................................................... 24
1.3 Phương pháp xác định đợ cao lớp biên khí quyển bằng số liệu Lidar. . 27
1.3.1 Trên thế giới ....................................................................................... 27
1.3.2 Ở Việt Nam ....................................................................................... 29
Kết luận chương I ........................................................................................ 30
Chương II. Phương pháp quan trắc sol khí bằng Lidar ............................... 32
Đặt vấn đề.................................................................................................... 32
2.1 Nguyên lý hoạt động của Lidar đo đạc các thơng số khí quyển ......... 39
2.2 Phương trình Lidar .............................................................................. 44
2.2.1
Hệ số K............................................................................................ 48
2.2.2
G(R) hàm phụ thuộc vào các yếu tố hình học của hệ. ................... 48
2.1.3
β(R) Hệ số tán xạ ngược của sol khí ............................................... 49
2.1.4
T(R) Mơi trường trùn ................................................................ 50
Kết luận chương II ...................................................................................... 51
Chương III. Phương pháp thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc
sol khí tối ưu ................................................................................................ 53
3.1 Bài tốn xây dựng hệ Lidar ................................................................... 53
iii
3.2 Thiết kế hệ Lidar ................................................................................... 54
3.2.1 Lựa chọn một số modul phần cứng. ................................................... 55
3.2.2 Chế tạo một số modul phần cứng....................................................... 66
3.3 Mô phỏng các thông số hệ Lidar......................................................... 70
3.4 Hiệu chỉnh hệ Lidar............................................................................. 77
3.5 Xây dựng chương trình phần mềm đo và lưu trữ số liệu .................... 84
Kết luận chương III ..................................................................................... 87
Chương IV: Xây dựng phần mềm xử lý kết quả đo và phương pháp tính đợ
cao lớp biên khí quyển tại khu vực Hà Nợi ................................................ 88
Đặt vấn đề.................................................................................................... 88
4.1 Phần mềm xử lý số liệu đo ................................................................. 89
4.2 Đo đạc thử nghiệm và đánh giá kết quả đo của hệ Lidar tại Hà Nội .... 93
4.2.1 Dữ liệu đo sol khí tại Hà Nợi của các hệ Lidar .................................. 93
4.2.1.1 Thông số kỹ thuật và tổ chức ghi số liệu hệ Lidar MPL ................ 93
4.2.1.2 Dữ liệu đo sol khí tại Hà Nợi của hệ Lidar nghiên cứu chế tạo..... 94
4.2.1.3 Số liệu đo sol khí bằng bóng thám khơng ...................................... 96
4.2.2
Phân tích kết quả đo ....................................................................... 97
4.2.2.1 Kết quả đo tại Hà Nội của của thiết bị MPL ................................... 97
4.2.2.2 Kết quả đo tại Hà Nội của của thiết bị Lidar .................................. 99
4.3 Tính đợ cao lớp biên khí quyển bằng số liệu Lidar .......................... 103
Kết luận chương IV ................................................................................... 114
KẾT LUẬN ............................................................................................... 115
Danh mục các cơng trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án ..... 117
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 118
Tiếng Việt .................................................................................................. 118
Tiếng Anh .................................................................................................. 118
PHỤ LỤC .................................................................................................. 126
iv
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng anh
Ký hiệu
Nguyên bản tiếng anh
Nghĩa tiếng việt
ABL
Atmospheric Boundary Layer
Lớp ranh giới khí quyển
ADC
Analog - to -Digital Converter
Chuyển đởi tương tự - số
AERONET
Aerosol Robotic Network
Mạng lưới quang kế đo
sol khí trong khí quyển
AFV
Apparent Field of View
Trường nhìn biểu kiến
AOD
Aerosol Optical Depth
Đợ dày quang học sol khí
APD
Avalanche Photodiode
Đi ốt thác lũ
AVHRR
Advanced Very High Resolution Thiết bị đo bức xạ phân
Radiometer
giải cao
EARLINET European Aerosol Lidar Network
Mạng Lidar quan trắc Sol
khí Châu Âu
FOV
Field of View
Trường nhìn
Laser
Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation
Bợ khuếch đại ánh sáng
bằng phát xạ kích thích
LBKQ
The planetary boundary layer
Lớp biên khí quyển
Lidar
Light Detection and Ranging
Thiết bị phát hiện ánh
sáng và khoảng cách
LRS
Lidar and Radiometric Sensing
Lidar và cảm biến phóng
xạ
MODIS
Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer
Thiết bị đo quang phở
hình ảnh
MPLNET
The NASA Micro-Pulse Lidar
Network
Mạng Lidar của NASA
NASA
National Aeronautics and Space
Administration
Cơ quan Hàng không và
Vũ trụ Hoa Kỳ
v
OF
Overlap Function
Hàm chồng chập
PMT
Photomultiplier Tube Modules
Ống nhân quang điện
QE
Quantum Efficiency
Hiệu suất lượng tử
S
Radiant Sensitivity
Đợ nhạy bức xạ
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
UAV
Unmanned Aerial Vehicle
Vật thể bay không người
lái
WCT
Wavelet Covariance Transform
Biến đổi Wavelet hiệp
phương sai
α
Extinction Coefficient
Hệ số suy hao ánh sáng
β
Scatter Coefficient
Hệ số tán xạ ngược
vi
Danh mục các đờ thị và hình vẽ
Số hiệu
hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
Hình 1.1
Cấu trúc của tầng khí quyển
8
Hình 1.2
Mạng trạm Lidar khu vực Đơng Nam Á nghiên cứu khí quyển
10
Hình 1.3
Minh họa các hình thức nghiên cứu khí quyển
11
Hình 1.4
Ảnh minh họa các phương pháp đo sol khí trực tiếp
12
Hình 1.5
Bóng bay mang thiết bị đo sol khí
13
Hình 1.6
Cấu trúc hệ Lidar theo kiểu Bi-static
15
Hình 1.7
Cấu trúc hệ Lidar theo kiểu đồng trục
16
Hình 1.8
Vị trí các trạm MPLNET
16
Hình 1.9
Ảnh hệ Lidar tại Viện Vật lý,Viện Hàn lâm KH&CNVN
17
Hình 1.10
Ảnh hệ Lidar LSA-2C,Trường Đại học Bách Khoa Hà Nợi
18
Hình 1.11
Sơ đồ cấu trúc (a), ảnh hệ Lidar (b) tại trường đại học Địa
vật lý và Hành tinh tại Manoa, Honolulu, Hawai
19
Hình 1.12
Cấu trúc hệ Lidar tại Chung Li, Đài Loan
21
Hình 1.13
Ảnh hệ Lidar do NASA chế tạo
23
Hình 1.14
Ảnh (a) và (b) hệ Lidar LSA-2C
24
Hình 1.15
Ảnh hệ Lidar của đề tài KC.01.21/06-10
25
Hình 2.1
Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước
sóng ánh sáng kích thích
33
Hình 2.2
Kích thước mợt số loại sol khí phở biến
34
Hình 2.3
Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện
36
Hình 2.4
Mạch nguyên lý cung cấp điện thế cho PMT
36
Hình 2.5
Ảnh và mạch điện đấu nối bên ngồi cao áp C4900
36
Hình 2.6
Mợt số loại PMT có cửa sổ nhận ánh sáng khác nhau
37
Hình 2.7
Sơ đồ khối hệ Lidar
39
Hình 2.8
Sơ đồ biểu diễn quá trình đo tín hiệu Lidar trong khí quyển
42
Hình 2.9
Sơ đồ diễn tả q trình tín hiệu Lidar
43
Hình 2.10
Minh hoạ hình học hệ Lidar
44
vii
Hình 2.11
Sơ đồ khối mơ tả bản chất vật lý hệ Lidar
45
Hình 2.12
Minh họa ảnh hưởng hàm chồng chập và tín hiệu
49
Hình 3.1
Sơ đồ khối hệ Lidar
54
Hình 3.2
Ảnh khối phát tia laser của laser LOTIS
55
Hình 3.3
Ảnh khối phát tia laser của laser Briliant
56
Hình 3.4
Ảnh khối phát tia laser của laser Litron Nano
57
Hình 3.5
Ảnh đầu phát laser của laser LOTIS TII
59
Hình 3.6
Sơ đồ cấu trúc khối thu
60
Hình 3.7
Ảnh và sơ đồ cấu trúc kính thiên văn loại Celestron
61
Hình 3.8
Bản vẽ hình học và đường trùn qua của thấu kính LUD 50.0
-43.9-UV-355-532
61
Hình 3.9
Bản vẽ hình học và đường truyền qua của thấu kính DCX UV
16 x 15
62
Hình 3.10
Ảnh kính lọc F03-532.0-4-1.00
63
Hình 3.11
Ảnh và đường truyền tia sáng khi đi qua khối tách chùm
PBSH- 450-1300-100
63
Hình 3.12
Cấu trúc hình học và đồ thị đợ nhạy bức xạ theo bước sóng
PMT
64
Hình 3.13
Sơ đồ khối mạch cấp nguồn hệ Lidar
66
Hình 3.14
Sơ đồ mạch nguyên lý cấp nguồn hệ Lidar
67
Hình 3.15
Mạch in và mạch cấp nguồn có linh kiện
67
Hình 3.16
Mạch nguyên lý, mạch in cấp nguồn và điều khiển hệ số
khuếch đại PMT
68
Hình 3.17
Ảnh bợ cấp nguồn có điều khiển hệ số khuếch đại PMT
68
Hình 3.18
Ảnh chuẩn trực ánh sáng dùng hai thấu kính
69
Hình 3.19
Bản vẽ cơ khí bợ gá lắp hai thấu kính
69
Hình 3.20
Ảnh 3D của bợ gá hai thấu kính
70
Hình 3.21
Ảnh các bợ phận quang học thu
70
Hình 3.22
Mơ hình tởng qt mơ phỏng hệ Lidar
72
Hình 3.23
Lưu đồ tḥt tốn mơ phỏng
75
Hình 3.24
(a) tín hiệu Rayleigh mô phỏng hiệu chỉnh theo độ cao
76
viii
(b) tín hiệu mật đợ phân tử khí theo MSIS-E-90
Hình 3.25
Hình vẽ mơ tả hình học giữa laser phát và kính thiên văn
77
Hình 3.26
(a) kính thiên văn thực tế, (b) mơ phỏng cách chia các cung
phần tư
79
Hình 3.27
Vị trí vít chỉnh trục quang laser song song với trục quang của
hệ thu
80
Hình 3.28
Các núm tinh chỉnh vị trí laser phát
81
Hình 3.29
(a) mơ phỏng các cung 1/4 kính thiên văn, (b) hệ Lidar thực tế
81
Hình 3.30
Ảnh vị trí đo của kính thiên văn theo các hướng
82
Hình 3.31
Tín hiệu Lidar thu được từ các hướng sau khi hiệu chỉnh
83
Hình 3.32
Sơ đồ khối chương trình đo và lưu trữ số liệu
84
Hình 3.33
Giao diện chương trình thu tín hiệu Lidar
86
Hình 4.1
Sơ đồ khối hiển thị kết quả đo
90
Hình 4.2
Sơ đồ chương trình xử lý số liệu
90
Hình 4.3
Sơ đồ khối thu và ảnh hệ Lidar
91
Hình 4.4
(a) Tín hiệu chạy chương trình mơ phỏng
(b) tín hiệu Lidar đo lúc 9 giờ ngày 26/10/2016
92
Hình 4.5
Thiết bị quan trắc MPLNET ở Hà Nợi
93
Hình 4.6
Ảnh tín hiệu đồng bợ ngoài cho dao đợng ký
95
Hình 4.7
Hệ Lidar được nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp
96
Hình 4.8
Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ (01/9/2012) tại Hà Nợi
98
Hình 4.9
Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ (01/9/2012) tại Hà Nợi
98
Hình 4.10
Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ (01/10/2012) tại Hà Nợi
99
Hình 4.11
Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ (01/10/2012) tại Hà Nợi
99
Hình 4.12 Tín hiệu đo Lidar lúc 9 giờ (26/10/2016)
100
Hình 4.13
Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ 48 phút (23/11/2016)
101
Hình 4.14
Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ 35 phút đến 17 giờ 58 phút
101
Hình 4.15
Tín hiệu Lidar đo ngày 24/11/2016
102
Hình 4.16
Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ 16 phút đến 18 giờ 37 phút
(24/11/2016)
103
ix
Hình 4.17
Hình dạng của hàm Haar
105
Hình 4.18
Lưu đồ thuật toán xác định WCT phụ tḥc giãn nở a
107
Hình 4.19
(a) Tín hiệu Lidar thu được hiệu chỉnh theo độ cao
(b) WCT phụ tḥc vào đợ giãn nở a (09/3/2018)
108
Hình 4.20
(a) Tín hiệu Lidar thu được hiệu chỉnh theo độ cao
(b) WCT phụ tḥc vào đợ giãn nở a (09/4/2018)
108
Hình 4.21
Lưu đồ thuật toán xác định độ cao LBKQ phụ thuộc giãn nở a
109
Hình 4.22
Sự phụ tḥc đợ cao LBKQ vào giãn nở a
110
Hình 4.23
Ảnh đợ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 31/11/2016
111
Hình 4.24
Ảnh đợ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 25/12/2016 (18
giờ 09 phút đến 18 giờ 44 phút)
111
Hình 4.25
Ảnh đợ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 05/02/2017 (18
giờ đến 18 giờ 21 phút)
112
Hình 4.26
Ảnh đợ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nợi (09/3/2018)
113
Hình 4.27
Ảnh đợ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nợi (09/4/2018)
113
x
Danh mục các bảng biểu
Số hiệu
bảng
Tên bảng
Trang
Bảng 2.1 Một số loại sol khí phở biến và nguồn gốc hình thành
33
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của LOTIS LS – 2137U
55
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của Laser Briliant
56
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của Laser Litron Nano S120-20
57
Bảng 3.4 Kích thước hình học, trọng lượng Laser LOTIS TII
58
Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ nguồn cung cấp
58
Bảng 3.6 Các thông số kỹ thuật cơ bản của kính thiên văn C11
60
Bảng 3.7 Các thông số kỹ thuật của ống nhân quang điện
65
Bảng 4.1 Số liệu thơng số khí quyển đo bởi bóng thám không
97
xi
Phần mở đầu
Đặt vấn đề
Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn đề nghiêm trọng trên thế giới cũng
như ở Việt Nam. Ơ nhiễm mơi trường chủ yếu là ơ nhiễm nguồn nước và ơ
nhiễm khơng khí, là tác nhân gây ra các bệnh dịch cho con người như ung
thư, bạch hầu, v.v. Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động đặc
biệt là ở các đô thị lớn như Hà Nợi, thành phố Hồ Chí Minh và tại các khu
công nghiệp. Theo số liệu quan trắc mơi trường khơng khí tại Hà Nợi của
Trung tâm quan trắc tài ngun và mơi trường cơng bố. Ơ nhiễm bụi vào thời
gian vừa qua, thủ đơ Hà Nợi có những biến động, đặc biệt là sự gia tăng nồng
độ bụi PM2.5. Kết quả quan trắc từ các Trạm quan trắc khơng khí tự đợng cho
thấy trong Quý I năm 2019 nồng đợ bụi PM2.5 trung bình 24 giờ của một số
ngày đã vượt giới hạn cho phép của QCVN 05:2013/BTNMT [10]. Việc quản
lý các nguồn chất xả thải gây ra ô nhiễm môi trường ở Việt Nam còn nhiều
bất cập nên việc nghiên cứu các thông số môi trường, đánh giá tác nhân gây
ra ô nhiễm nhằm bảo vệ mơi trường sống là cần thiết. Ơ nhiễm khơng khí chủ
yếu do hai nguồn chính mợt là do các “vụ nổ” ở tầng điện ly, dưới hoạt động
của mặt trời tạo ra các hỡn loạn thành phần của tầng khí quyển, hai là do hoạt
động tự nhiên của trái đất và của con người gây ra như khói, bụi bốc lên khí
quyển.
Ở Việt Nam, đã có các chương trình, đề tài nghiên cứu khoa học về lĩnh
vực môi trường, biến đởi khí hậu trong đó có mợt số nghiên cứu về các kỹ
thuật đo xa không tiếp xúc. Lidar là một trong những thiết bị chuyên dụng đó.
Việc sử dụng các kỹ thuật quang phổ, điện tử và công nghệ thông tin cho
phép ứng dụng Lidar đo đạc các đặc trưng vật lý của khí quyển với đợ phân
giải cao theo thời gian và không gian [1],[2],[4]. Ngày nay, Lidar đã trở thành
một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu biến đởi khí hậu nói chung và vật
1
lý khí quyển nói riêng. Lidar có khả năng đo, đánh giá và phân tích mật đợ
của bụi, sol khí (aerosol), ozon... hay các loại khí thải đợc hại gây ô nhiễm
như: Thủy ngân, SO2, NO2, Benzen... [12],[26],[48]. Hiện nay, ở các nước
tiến tiến như Pháp, Mỹ, Đức, Nga, Trung Quốc, Đài Loan, Belarus... đều
nghiên cứu và chế tạo nhiều hệ thống Lidar để nghiên cứu khí quyển
[35],[83],[65]. Trong quốc phòng, Lidar được dùng để phát hiện khí đợc, máy
bay tàng hình và vật thể bay khơng người lái (UAV). Trong hàng không dân
dụng và quân sự, Lidar dùng để phát hiện sự biến đởi của các luồng gió, đo
đạc độ cao của trần mây, các tầng mây theo độ cao để bảo đảm cho các hoạt
đợng an tồn bay [14],[28],[69].
Cục Khí quyển và Đại dương cùng với Cơng ty hàng không Michigan
(Mỹ) xây dựng và thử nghiệm hệ thống theo dõi thời tiết bằng Lidar ở cả trên
mặt đất và trên máy bay. Hệ thống cho phép giám sát những biến động của
các hệ thống thời tiết lớn và dự đoán các dịng khí của chúng, từ đó đưa ra
những dự báo thời tiết trước với đợ chính xác cao.
Ở Đài Loan (Trung Quốc) ứng dụng Lidar để đo đạc, nghiên cứu phân
bố nhiệt đợ khí quyển, tính chất vật lý của mây tầng cao, sol khí và bụi có
nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nơng nghiệp. Tại Pháp, thành
phố Lion và trường Đại học Lyon I đã nhiều năm nghiên cứu về ơ nhiễm
khơng khí, sol khí [4],[58].
Ở Việt Nam, trước nhiều nhu cầu ứng dụng kỹ thuật Lidar phục vụ các
mục đích quân sự, nghiên cứu mơi trường và dự báo khí tượng thủy văn... Hệ
Lidar đã được nhiều cơ quan nghiên cứu, phát triển và ứng dụng quan tâm.
Một số cơ quan như Viện Vật lý địa cầu, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam,Viện Vật lý Kỹ thuật (Viện KH&CN Quân
sự), Viện Vật lý kỹ thuật (Trường đại học Bách khoa Hà Nội) bước đầu đã có
2
những nghiên cứu và phát triển hệ Lidar chủ yếu ứng dụng cho nghiên cứu sol
khí và mợt vài ứng dụng khác [1],[3],[4],[9].
Lý do lựa chọn đề tài.
Ngày nay, Lidar được sử dụng khá phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên với
giá thành cao, chi phí vận hành lớn cùng với sự phức tạp trong kỹ thuật xây
dựng hệ thống và thời gian quan trắc dài vẫn là những trở ngại đối với những
nước chưa mạnh về tiềm lực kinh tế và kỹ thuật như Việt Nam [94]. Do đó,
việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp phần cứng; xây dựng phần mềm
đo, thu thập và xử lý số liệu mợt hệ Lidar dùng cho nghiên cứu khí quyển ở
Việt Nam là một nhiệm vụ có ý nghĩa khoa học trong nghiên cứu cơ bản,
trong kỹ thuật điện tử, tự động hóa và trong đào tạo phát triển nguồn nhân lực
chất lượng cao trong các lĩnh vực có liên quan.
Mục đích của luận án: 02 mục đích chính:
Tự xây dựng, tích hợp được mợt hệ Lidar quan trắc sol khí được tối ưu
về nhiều mặt như: Các modul phần cứng tích hợp lựa chọn và chế tạo được
kiểm chứng bằng phần mềm mơ phỏng theo phương trình Lidar; phương pháp
hiệu chỉnh hệ thống để đạt được phép đo có độ nhạy cao; phần mềm đo, thu
thập và xử lý số liệu;
Nâng cao đợ chính xác khi tính đợ cao lớp biên khí quyển từ số liệu đo
của hệ Lidar được xây dựng; thí điểm đo kiểm chứng và xử lý số liệu tại khu
vực Hà Nội.
Đối tượng nghiên cứu. Hệ Lidar quan trắc sol khí thơng qua việc nghiên cứu
các vấn đề sau:
Mô phỏng thông số kỹ thuật của các phần tử cấu thành hệ Lidar nhằm
kiểm chứng các thông số kỹ thuật được lựa chọn khi thiết kế để chế tạo và
tích hợp mợt hệ Lidar. Hiệu chỉnh phần cứng của hệ Lidar để tín hiệu tán xạ
phản hồi thu được nằm ở chính giữa (trung tâm) của kính thiên văn. Phương
3
pháp hiệu chỉnh này sẽ tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) và nâng cao độ nhạy
của hệ Lidar. Tự động chuyển các chế độ đo theo các số thông số môi trường
đo như nhiệt độ, độ ẩm, mây và mưa giúp cho hoạt động của hệ Lidar linh
hoạt. Kết hợp giữa hệ Lidar với các trạm đo trên mặt đất khác để nghiên cứu
sol khí [11],[19]. Sử dụng thuật toán để xử lý số liệu Lidar đo được, áp dụng
xử lý số liệu Lidar đo sol khí tại Hà Nợi.
Phạm vi nghiên cứu. Kỹ thuật điện tử, quang học và tự động hóa.
Nguyên tắc hoạt động Lidar tương tự như radar [12]. Lidar sử dụng bức
xạ laser, đồng thời sử dụng các kỹ thuật quang phổ và quang học cho phép đo
đạc các thông số vật lý đặc trưng của khí quyển theo khơng gian và thời gian
với đợ phân giải cao [2],[4]. Hầu hết các hệ Lidar đều có nguyên lý cấu tạo
gồm bốn bộ phận sau: Bộ phận thứ nhất của hệ Lidar là một thiết bị laser; Bộ
phận thứ hai là một khối thu quang học bao gồm kính thiên văn, phin lọc, bợ
phân cực...; Bợ phận thứ ba là bợ thu nhận tín hiệu tán xạ và phản xạ. Chúng
thường được dùng ống nhân quang điện (PMT) có hệ số khuếch đại rất lớn,
dòng tối thấp và có nhiễu nhỏ hoặc điốt thác lũ APD (Photodiode Avalanche)
dùng với các bước sóng trong miền hồng ngoại [2],[4],[7],[42]; Bộ phận thứ
tư của hệ thống Lidar là một hệ điện tử phức tạp nhằm khuếch đại tín hiệu từ
lối ra của ống nhân quang điện (PMT) hoặc điốt thác lũ APD; các phần mềm
chuyên dụng thực hiện việc đo, cài đặt thông số kỹ thuật giữa các khối, thu
thập và xử lý số liệu.
Tính mới về khoa học công nghệ
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí trong
khí quyển với nợi dung:
Kiểm tra và đánh giá các thông số kỹ thuật các modul phần cứng tích
hợp hệ Lidar từ kết quả chạy chương trình mơ phỏng phương trình Lidar
trước khi chế tạo;
4
Quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar với các bước hiệu chỉnh cụ thể có tính
toán và đo đạc nhằm giảm bớt thời gian hiệu chỉnh thiết bị trong khi chế tạo,
thời gian chuẩn bị đo và tăng độ nhạy thiết bị;
Chương trình đo, thu thập số liệu và các chế độ đo phù hợp với thông số
đầu vào về môi trường đo (nhiệt độ, độ ẩm, mây và mưa); chế độ đo kết hợp
với trạm đo khác để giải quyết các phép đo phức tạp trong khí quyển.
Xây dựng phần mềm đo, thu thập và xử lý số liệu và đề xuất phương pháp
tính đợ cao lớp biên khí quyển từ số liệu Lidar với nội dung:
Phần mềm đo, thu thập và xử lý kết quả đo mây và sol khí trong khí
quyển theo thời gian thực với đợ phân giải cao trong không gian (1-3m);
Phương pháp xác định giá trị giãn nở a tối ưu trong tính biến đởi
Wavelet hiệp phương sai; tḥt toán, chương trình tính đợ cao LBKQ bằng
biến đổi Wavelet hiệp phương sai (WCT) từ số liệu Lidar thu được. Áp dụng
xác định độ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nợi.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Hệ Lidar thiết kế chế tạo dựa trên các giải pháp kỹ thuật như: Phần mềm
mô phỏng thông số kỹ thuật các modul phần cứng, phương pháp hiệu chỉnh
hệ Lidar để nâng cao độ nhạy của phép đo, chế độ đo phù hợp với các thông
số môi trường đo và có tính năng kỹ thuật tương đương với mợt số hệ Lidar
của nước ngồi.
Cung cấp các dữ liệu đo sol khí đã xử lý như đợ cao LBKQ, đợ dày
quang học (AOD) để sử dụng cho tính toán, hiệu chỉnh ảnh hưởng của sol khí
tới ảnh vệ tinh [37],[79]. Những dữ liệu này còn dùng để chạy các mơ hình
vận chuyển sol khí và giải quyết các bài toán khác của vật lý khí quyển
[18],[47].
Hệ Lidar có thể nhân rộng và sử dụng cho các địa phương khác nhau tại
Việt Nam phục vụ cho công tác dự báo khí tượng, ứng phó với biến đởi khí
5
hậu, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai.
Hệ Lidar nghiên cứu thiết kế và chế tạo trong nước sẽ có ưu điểm là chủ
động trong thiết kế, phát triển, bảo trì, bảo dưỡng và sửa chữa. Hơn nữa giá
thành bằng ½ so với thiết bị nhập ngoại nên phù hợp với điều kiện kinh tế
Việt Nam.
Với mục đích, các tính mới về khoa học công nghệ trên luận án sẽ được
cấu trúc gồm các nợi dung chính như sau:
Chương I: Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí.
Chương này trình bày cấu trúc, thành phần khí, thành phần sol khí cấu
thành nên lớp khí quyển bao quanh trái đất. Tổng quan về phương pháp và
thiết bị quan trắc sol khí trong khí quyển bằng thiết bị Lidar. Đề xuất một số
vấn đề nghiên cứu mới: Kiểm chứng các thơng số kỹ tḥt phần cứng hệ
Lidar đo sol khí bằng phần mềm mơ phỏng theo phương trình Lidar; phương
pháp hiệu chỉnh hệ thống Lidar để nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu; cài đặt tự
đợng các chế đợ đo phụ thuộc các thông số đầu vào môi trường đo (nhiệt độ,
độ ẩm, mây, mưa) và chế độ đo kết hợp; tḥt toán và chương trình xử lý số
liệu Lidar, tính đợ cao lớp biên khí quyển từ số liệu Lidar.
Chương II: Phương pháp quan trắc sol khí bằng Lidar.
Chương này trình bày lý thuyết quá trình vật lý tán xạ đàn hồi và không
đàn hồi, tán xạ Mie - Rayleigh xảy ra giữa tương tác giữa photon ánh sáng và
các phân tử khí; cấu tạo, chế đợ hoạt đợng và những yếu tố kỹ thuật có ảnh
hưởng của ống nhân quang điện (PMT); cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các
khối cơ bản cấu thành một hệ Lidar đo sol khí; mơ hình toán học của các hiệu
ứng vật lý trong hệ Lidar bẳng phương trình Lidar.
Chương III: Phương pháp thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan
trắc sol khí tối ưu
Chương này trình bày bài tốn xây dựng hệ Lidar thực tế để quan trắc sol
khí của Viện Vật lý địa cầu; thiết kế hệ Lidar quan trắc sol khí; chương trình
6
mô phỏng các thông số kỹ thuật để kiểm chứng phần cứng lựa chọn và tự chế
tạo của hệ Lidar; chế tạo hệ Lidar quan trắc sol khí theo các thông số kỹ thuật
phần cứng được lựa chọn và tự chế tạo; đề xuất quy trình kỹ thuật hiệu chỉnh
hệ lidar nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR), nâng cao độ nhạy của hệ
Lidar; xây dựng phần mềm đo và thu thập số liệu; các chế độ đo theo các
thông số môi trường.
Chương IV: Xây dựng phần mềm xử lý kết quả đo và phương pháp tính
độ cao lớp biên khí qủn tại khu vực Hà Nợi.
Chương này trình bày phần mềm xử lý số liệu đo của hệ Lidar nghiên
cứu, chế tạo và hoàn thiện tại Viện Vật lý địa cầu - 18 Hoàng Quốc Việt, Hà
Nội trong các năm 2016, 2017 và 2018. Xác định được độ cao lớp biên khí
quyển ở Hà Nợi tại mợt số thời điểm các năm 2016, 2017 và 2018 bằng số
liệu đo Lidar thông qua phương pháp biến đổi Wavelet hiệp phương sai với
đề xuất giá trị giãn nở a lớn hơn hoặc bằng 24m cho hệ thống Lidar nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo.
7
Chương I Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí
Đặt vấn đề
Khí quyển của Trái đất là lớp khí bao quanh Trái đất được giữ lại do lực
hấp dẫn của Trái đất. Tầng khí quyển bảo vệ sự sống trên Trái đất nhờ sự hấp
thụ các bức xạ cực tím của mặt trời, làm nóng bề mặt Trái đất qua hiệu ứng
nhà kính và làm giảm sự khác biệt về nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm.
Tầng khí quyển được phân thành các lớp riêng biệt Hình 1.1. Tầng khí quyển
có khối lượng khoảng 5.1018 kg, ba phần tư khối lượng này tập trung ở
khoảng 11km tính từ mặt đất. Lớp khí quyển càng mỏng khi đợ cao càng tăng,
khơng có giới hạn rõ ràng giữa tầng khí quyển và khơng gian bên ngồi.
Người ta cũng thường coi độ cao 100 km là ranh giới giữa tầng khí quyển và
khơng gian bên ngồi [7].
Hình 1.1 Cấu trúc của tầng khí quyển [7]
Khí phở biến nhất là khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển. Khí phở
biến thứ hai là khí Oxy, chiếm khoảng 21% khí quyển. Oxy cần cho hô hấp
của tất cả các sinh vật sống trên Trái đất, từ con người tới các lồi vi khuẩn.
Khí Argon chiếm dưới 1% khí quyển, nó là mợt khí q rất trơ, nó khơng
tham gia bất kỳ phản ứng hóa học nào dưới các điều kiện bình thường. Ba loại
khí trên chiếm 99,96% khí quyển. Phần cịn lại 0,04% chứa một số loại rất
quan trọng đối với sự sống và khí hậu của Trái đất trong đó có sol khí. Sol khí
8
(aerosol) là các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong khơng khí như (khói, sương
mù, bụi…) có kích thước cỡ từ từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet
(µm). Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn
thơng qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời. Những sol khí này có
nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các
đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt các chất
thải, nhiên liệu than, dầu trong các khu cơng nghiệp. Sol khí tác đợng trực tiếp
và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của trái đất và khí hậu [60],[74]. Tác đợng
trực tiếp là các sol khí trực tiếp phân tán và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời
làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi, ảnh hưởng trực tiếp
đến khí hậu trái đất [82]. Ngoài ra, sol khí ở tầng thấp của khí quyển có tác
đợng gián tiếp là thay đởi kích cỡ các phần tử mây, tăng số hạt nhân ngưng
kết, hình thành hạt nước nhỏ hơn, dẫn đến tăng tán xạ và phản xạ của mây.
Các hạt nước nhỏ làm hạn chế sự va chạm và liên kết, kéo dài thời gian tồn tại
của mây và ngăn cản sự lớn lên của hạt nước trong mây tạo ra các hạt mưa
[8], làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ của mặt trời của mây và như vậy
tác động lên trữ lượng năng lượng của trái đất. Sol khí cũng có thể gây ra các
phản ứng hóa học. Đáng kể nhất là phản ứng có tác đợng phá hoại ozon ở tầng
bình lưu. Sol khí được chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là phần
tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1 µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đởi các
phần tử khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxy hóa và
ngưng tụ lại. Cấp có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thơ (xấp xỉ
1µm) được tạo ra rất cơ học, gió thởi trên khu vực bụi hoặc bốc lên từ bụi
nước biển. Giữa các phần tử cực nhỏ và phần tử thơ là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến
1µm. Dạng này được quy cho là dạng tích tụ vì các sol khí ở kích thước này
tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng tồn tại lâu dài trong khí quyển
(vài ngày). Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng trái đất và
biến đởi khí hậu bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời. Sol khí là mợt
9
trong những tác nhân quan trọng gây ra biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng
gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường. Việc nghiên cứu hệ
thống quan trắc sol khí là vấn đề cấp thiết và quan trọng. Sử dụng hệ Lidar
trong nghiên cứu khí quyển nói chung và nghiên cứu sol khí nói riêng đã
được nhiều nước trên thế giới sử dụng [1],[25],[34],[52],[56].
Ngày nay nghiên cứu các tác đợng ảnh hưởng tới khí hậu và biến đởi khí
hậu là mợt trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được
nhiều nhà khoa học quan tâm. Sol khí là mợt trong tác nhân quan trọng gây
nên những thay đởi hóa học của khí quyển, thay đởi q trình hình thành mây,
phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đởi trong hệ thống
thời tiết – khí hậu. Từ những tác đợng của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây
biến đởi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hợi,
mơi trường. Vì những lý do nêu trên việc tiến hành nghiên cứu nâng cao khả
năng quan trắc các sol khí là quan trọng trong cơng tác dự báo khí tượng cũng
như phòng chống và giảm nhẹ thiên tai ở Việt Nam. Lidar là một trong những
thiết bị công nghệ cao được sử dụng trong việc nghiên cứu, quan trắc khí
quyển nói chung và sol khí nói riêng rất có hiệu quả.
Hình 1.2 Mạng trạm Lidar khu vực Đơng Nam Á nghiên cứu khí quyển
10
Hiện nay Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam có hợp tác
nghiên cứu với Liên bang Nga, Mỹ, Đài Loan về sử dụng Lidar trong quan
trắc khí quyển [1],[2],[4],[7]. Hình 1.2 là mạng trạm Lidar khu vực Đơng
Nam Á nghiên cứu khí quyển. Vì vậy sử dụng Lidar để nâng cao khả năng
quan trắc sol khí là mợt nhiệm vụ có tính khoa học cao và đáp ứng được đòi
hỏi của thực tiễn.
1.1
Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển
Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển Hình 1.3 có thể được chia
thành loại đo trực tiếp (tại chỗ) và đo gián tiếp (viễn thám) [38]. Cách khác có
thể được phân chia theo kiểu thiết bị đo chủ động và thiết bị đo bị động. Cũng
có thể phân chia theo phương pháp đo sử dụng nguồn riêng của thiết bị để tạo
nguồn bức xạ (radar, Lidar, vv) và loại nguồn bức xạ phụ thuộc vào mợt
nguồn bên ngồi (phở bức xạ, sunphotometers).
Hình 1.3 Minh họa các hình thức nghiên cứu khí quyển
Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp thu thập số liệu thông qua các
thiết bị đo đạc các đặc tính của mẫu bằng cách tiếp xúc trực tiếp với mẫu đo.
Ví dụ như tại các đài trạm đo ở mặt đất. Kĩ thuật đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, đo
độ ẩm bằng ẩm kế, đo mật đợ khí, mật đợ sol khí bằng các thiết bị lấy mẫu đo.
11
Thực hiện nhiệm vụ lấy mẫu trực tiếp hoặc gắn các thiết bị đo vào hệ như:
bóng thám khơng, trên máy bay, tàu thủy, các đài trạm di động… để ghi nhận
số liệu rồi gửi về trung tâm lưu trữ và xử lý.
1.1.1 Phương pháp đo sol khí trực tiếp
Các phép đo trực tiếp có điểm lợi là các tham số về quang học, hóa học
và tính chất vật lý vi mơ có thể được xác định chính xác, nhưng có hạn chế là
không có độ phân giải số liệu theo độ cao, ngoại trừ thiết bị đo đặt trên máy
bay, bóng thám khơng hoặc kinh khí cầu. Dữ liệu đo trực tiếp có các thơng số
về kích thước và thành phần hóa học của sol khí, Mặc dù đáng tin cậy, nhưng
không thể được coi là đại diện cho khơng gian, thời gian dài. Do đó phải có sự
tởng hợp kết quả của các thiết bị đo đặt tại mặt đất, máy bay, khí cầu và quan
sát bằng vệ tinh mới tạo thành cơ sở cho các mơ hình khí quyển nói chung và
sol khí nói riêng. Hình 1.3 là ảnh minh họa các hình thức nghiên cứu khí
quyển trên thế giới. Những nghiên cứu này có thể được thực hiện đến tồn bợ
bầu khí quyển. Trong những nghiên cứu đó có phương pháp nghiên cứu đo
sol khí trong khí quyển. Chúng được thực hiện ở các thiết bị đặt trên mặt đất,
trên kinh khí cầu (Stratostat), trên máy bay (U-2, WB57) Hình 1.4 và bóng
bay Hình 1.5.
Hình 1.4 Ảnh minh họa các phương pháp đo sol khí trực tiếp
12
