Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - LAI THỊ VÂN QUYÊN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2022 LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận án này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS TSKH Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến Điện tử, GS.TS Viktor Ivanovic Malyugin, GS TSKH Dmitry Kiesewetter Trường Đại học Bách Khoa St Peterburg, TS Nguyễn Thế Truyện – Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa tận tình hướng dẫn Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa anh, chị, bạn bè đồng nghiệp Viện chia sẻ, động viên tạo điều kiện cho thực luận án Tôi xin tỏ lịng biết ơn người thân gia đình bên tôi, quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tác giả Lai Thị Vân Quyên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CÁM ƠN II CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG VI DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA 1.1 Tổng quan phương pháp đo kích thước hạt mưa 1.1.1 Các phương pháp đo kích thước hạt mưa 1.1.2 Đo đồng thời kích thước vận tốc hạt mưa hiệu ứng quang học 11 1.1.2.1 Đo kích thước vận tốc hạt dựa mức xung quang điện 12 1.1.2.2 Đo kích thước vận tốc hạt dựa hai xung quang điện .21 1.2 Đánh giá lựa chọn phương pháp đo nghiên cứu, cải tiến 33 1.3 Xây dựng tốn nghiên cứu nội dung cơng việc cần thực 34 1.4 Kết luận chương I 35 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC, KÍCH THƯỚC HẠT MƯA 36 2.1 Mơ hình đo hạn chế 36 2.2 Đề xuất khoa học 38 2.2.1 Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý số liệu 38 2.2.1.1 Phương pháp thực nghiệm để trích xuất xung quang điện 38 2.2.1.2 Phân tích xung quang điện 39 2.2.2 Đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý tính kích thước tốc độ hạt 45 2.2.2.1 Biểu thức tính kích thước hạt 45 2.2.2.2 Biểu thức tính vận tốc hạt 51 2.2.2.3 Đề xuất thuật tốn tính kích thước vận tốc hạt 54 2.3 Đề xuất hồn thiện cơng nghệ 58 2.3.1 Thay nguồn sáng 58 2.3.2 Thay cấu gá đỡ điều chỉnh trục quang 59 iii 2.3.3 Hoàn thiện phần cứng xử lý liệu 59 2.3.4 Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo 60 2.3.5 Hiệu chỉnh thiết bị đo thông số mưa luận án 66 2.4 Đánh giá mơ hình toán học đề xuất cho dạng hai chồi xung luận án với nghiên cứu gốc 68 2.5 Kết luận chương II 69 CHƯƠNG III XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN MƠ HÌNH ĐỀ XUẤT 71 3.1 Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc thực nghiệm 71 3.1.1 Tham số đánh giá 71 3.1.2 Mơ hình đánh giá 72 3.1.3 Kết đánh giá 75 3.2 Triển khai, đánh giá thử nghiệm phịng thí nghiệm 76 3.2.1 Kịch đánh giá thử nghiệm với viên bi sắt 76 3.2.2 Kịch đánh giá thử nghiệm với hạt lỏng thả từ ống nhỏ giọt 80 3.2.3 Kịch đánh giá thử nghiệm với mơ hình tạo mưa 88 3.3 Thử nghiệm thực tế đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mịn 92 3.3.1 Mơ hình kịch đánh giá 93 3.3.2 Phân tích, xử lý số liệu thông số trận mưa đo đề xuất ứng dụng đánh giá xói mịn đất Việt Nam 95 3.4 Kết luận chương III 99 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 100 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 111 Phụ lục Hình xung quang điện thả viên bi sắt đường kính khác qua khoảng đo thiết bị số đánh giá sơ 111 Phụ lục Bản vẽ thiết kế phần điện tử thiết bị đo mưa cải tiến 118 Phụ lục Các kết đo với mơ hình thử nghiệm với viên bi sắt 123 iv Phụ lục 4: Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa chế tạo 126 Phụ lục Module phần mềm tính tốn tham số hạt mưa trận mưa 135 v MỞ ĐẦU Đo kích thước hạt mưa, phân bố kích thước hạt mưa có ý nghĩa lớn nhiều ứng dụng nghiên cứu khoa học, thương mại công nghiệp Ví dụ đánh giá suy giảm, méo tín hiệu lan truyền sóng điện từ có mưa, đánh giá vấn đề trượt, trôi đất canh tác nông nghiệp, tham số cần thiết nghiên cứu thuộc lĩnh vực khí tượng, mơi trường, vật lý khí quyển, quang dẫn đám mây đo lường cấu trúc tầng đối lưu.[2] Máy đo thông số mưa tự động sử dụng phổ biến thiết bị đo mưa kiểu chao lật Thiết bị đo lượng mưa, cường độ mưa thời gian mưa Khi cần đo kích thước hạt mưa người ta phải dùng dòng thiết bị khác Dựa nguyên lý ứng dụng phân thành nhóm thiết bị: đo tác động học, đo hình ảnh, đo hiệu ứng quang học Nhóm đo kích thước hạt mưa tác động học kể đến nghiên cứu Joss and Waldvogel (1967) [51] đo kích thước tác động hạt lên cảm biến điện (thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer) Sau nghiên cứu Tokay cộng (2001), Krajewski cộng (2006) [34] JWD thích hợp với trận mưa có cường độ mưa nhỏ trung bình, với trận mưa có cường độ lớn, gió to hạt mưa bị vỡ va chạm xuống cảm biến gây sai số lớn cảm biến bị rung liên tục Cơng trình Thurai cộng (2013) chứng minh JWD đo vận tốc hạt [6, 19] Nhóm thiết bị đo hình ảnh sử dụng camera để chụp ảnh hạt mưa dùng phần mềm xử lý ảnh máy tính để phân tích, tính tốn thơng số hạt Các nghiên cứu Kruger Krajewski (2002) [33], Schönhuber cộng (2007) [57] đưa loại thiết bị 2DVD (Two Dimension Video Disdrometer) dùng đo thông số hạt mưa Để đo thông số hạt tuyết, nghiên cứu Newman cộng (2009) đưa loại thiết bị SVI - Snowflake Video Imager [6, 19] Nhóm thiết bị có ưu điểm đo nhiều thơng số kích thước, vận tốc, hình dạng Tuy nhiên, với cấu tạo gồm phần cảm biến ngồi trời máy tính xử lý bên tủ khiến kích thước thiết bị cồng kềnh, khó triển khai nơi hạn chế không gian, giá thành đắt gấp ba đến năm lần so với nhóm sản phẩm đo kích thước vận tốc hạt mưa khác Nhóm đo hiệu ứng quang học sử dụng nguồn sáng điốt quang để đo thơng số kích thước vận tốc hạt mưa Tùy theo số lượng xung quang điện thu điốt quang phân thành hai loại là: loại xung - theo nghiên cứu Löffler-Mang Joss (2000) [38], Lanzinger cộng (2005) [8] loại hai xung – nghiên cứu Kiesewetter D V Malyugin V.I (2004) [16], (2009) [14], Michael Peter Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6] Các cơng trình khắc phục nhược điểm nhóm đo tác động học đo hình ảnh nêu Nhóm thiết bị đo hiệu ứng quang học lựa chọn hợp lý cho ứng dụng đo đồng thời thông số hạt mưa thông số trận mưa Tuy nhiên, với loại thiết bị thuộc nhóm có khác biệt Với loại xung, kích thước hạt mưa nội suy từ biên độ xung, vận tốc hạt nội suy từ độ rộng xung Biên độ độ rộng xung quang điện phụ thuộc vào vị trí hạt qua dải sáng mà mật độ lượng dải sáng chiếu đến điốt quang không đồng Nghiên cứu Fransson cộng (2011) [13] với hạt có kích thước xác định, vị trí trung tâm dải sáng, đường kính hạt đo q lớn cịn rìa dải sáng lại nhỏ Với loại hai xung, kích thước vận tốc hạt nội suy từ biên độ độ rộng hai xung nên sai số vị trí hạt cắt qua dải sáng hạn chế Nghiên cứu Bryson Evan Winsky (2012) [6] tính vận tốc hạt từ phân tích xung thu nội suy đường kính từ vận tốc đó, cịn nghiên cứu V.I Malygin D.V Kiesewetter (2004) [16], (2009) [14], đường kính hạt tính từ độ sâu điều chế M xung thu không nội suy từ vận tốc hạt, nên phương pháp gọi phương pháp đo kích thước hạt hai xung quang điện tính theo độ sâu điều chế Điều hạn chế sai số tính tốn Trên sở xem xét dải kích thước hạt đo được, tính thời gian thực phép đo, môi trường ứng dụng phép đo, tác giả lựa chọn phương pháp đo kích thước tương đương hạt mưa hai hai xung quang điện Kiesewetter D V Malyugin V.I đề xuất để nghiên cứu, nâng cao độ xác Hiện nay, thiết bị ứng dụng phương pháp đo kích thước hạt mưa ngày địi hỏi phải hồn thiện độ xác để đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng Vì thế, nghiên cứu hồn thiện phương pháp đo nói ln nhà khoa học quan tâm Luận án nghiên cứu đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý liệu để tính tốn đường kính vận tốc tương đương hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng phương pháp đo kích thước hạt qua hai dải sáng Hồn thiện chế tạo thiết bị đo kích thước hạt mưa ứng dụng khí tượng Đây nhiệm vụ có tính cần thiết vấn đề khơng phù hợp với xu hướng mục đích phát triển, bổ sung mặt lý thuyết, phương pháp luận mà cịn góp phần hồn thiện cơng nghệ chế tạo thiết bị đo thông số hạt mưa, trận mưa đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: tốn đo kích thước tương đương hạt mưa hai xung quang điện Phạm vi nghiên cứu: tập trung nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu dựa hai xung quang điện thu sau khử nhiễu hồn thiện phần cơng nghệ đo tốn đo kích thước tương đương hạt mưa hai xung quang điện tính theo độ sâu điều mơ hình đo hai nhà khoa học D V Kiesewetter V I Malyugin đề xuất Mục tiêu luận án - Về khoa học: Đề xuất biểu thức, thuật tốn xử lý liệu để tính tốn đường kính vận tốc tương đương với hình cầu hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng phương pháp đo kích thước hạt hai xung quang điện - Về cơng nghệ: Hồn thiện cơng nghệ việc thay số thành phần mơ hình đo gốc nguồn sáng, trục quang phần xử lý, tính tốn, từ thiết kế, chế tạo thiết bị hoạt động thực tế - Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa tham số mưa có khả nhúng vào hệ thống giám sát khí tượng Thử nghiệm thiết bị thực tế Phương pháp nghiên cứu luận án Trên sở nghiên cứu, phân tích cơng trình hai nhà khoa học V.I Malygin D.V Kiesewetter, xây dựng mơ hình tốn học toán đo tham số hạt mưa, từ tìm mối quan hệ tham số mơ hình thực nghiệm lý thuyết thống kê Hồn thiện cơng nghệ, chế tạo thiết bị đo thông số hạt mưa, trận mưa ứng dụng lý thuyết thực nghiệm, nguyên lý thiết kế máy Nội dung nghiên cứu Luận án Bố cục Luận án gồm ba chương: Chương I Các phương pháp đo kích thước hạt mưa quang học Trong chương I: Trình bày kết nghiên cứu, khảo sát đánh giá đo kích thước hạt mưa quang học, tổng quan đánh giá tồn tại, từ đưa vấn đề cần nghiên cứu giải luận án Lựa chọn phương pháp đo, nâng cao độ xác phép đo phương pháp tính kích thước hạt Cụ thể lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt hai xung quang điện với phần cứng theo nguyên mẫu D V Kiesewetter V I Malyugin để nghiên cứu Cũng chương I, nội dung nghiên cứu luận án xác định Chương II Nghiên cứu, nâng cao độ xác phương pháp đo kích thước hạt đề xuất giải pháp Từ kết luận Chương I, Chương II, luận án xem xét sở đề xuất nâng cao hiệu phương pháp đo kích thước hạt hai xung quang điện theo mơ hình đo D V Kiesewetter V I Malyugin đề xuất nghiên cứu [14,16] Những đề xuất chương II gồm đề xuất thuật tốn biểu thức tính kích thước vận tốc tương đương hạt mưa; đề xuất hồn thiện cơng nghệ việc cải tiến phần mơ hình đo gốc bao gồm nguồn sáng, hệ gá đỡ hiệu chỉnh quang học, phần cứng xử lý, tính tốn kích thước hạt Sau đưa thiết kế thiết bị đo mưa sở kế thừa mơ hình đo [14,16] đề xuất cải tiến Đưa cách thức hiệu chuẩn phần cứng, phần mềm thiết bị sau chế tạo trước thực địa Chương III Xây dựng mô hình thực nghiệm phân tích, đánh giá kết đo Trong Chương III, luận án tập trung vào đánh giá hiệu biểu thức, thuật imax=1000; flbetw=8; //0.008; klbets=7;//mm fADC=50;//kHz sqphrec=1050;//=35.0*30.0; // sq mm =L*length of slot valLL=THRESHOLD; / for ValMax1 on d ================== //aa0=-0.12015/3.0*4095; //aa1=0.15146/3.0*4095; //aa2=0.00159/3.0*4095; //tol=0.5/3.0*4095; //======================= //For da0=7.0604; da1=-4.84769; da2=-5.03949; ivalfind=120; // valhold=1.3*ivalfind; // m3:; valLL=THRESHOLD; lp01=0; ip01=0; ivmt=0; 136 / Xử lý mảng liệu đo được, xác dạng xung hệ số / search ipleft=0; valtec=data_arr[0]; for (j=0; jvalLL) { ipleft=j; break; }; }; ipright=imax-1; for (j=imax-1; j>1; j ) { if (data_arr[j]>valLL) { ipright=j; break; }; }; valtec=data_arr[ipleft]; for (i=ipleft; ivaltec) { valtec=data_arr[i]; ivmt=i; } else { sm=0; for (j=i; j