(Luận án tiến sĩ) 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 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - LAI THỊ VÂN QUYÊN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số ngành: 9.52.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Hồng Vũ Hướng dẫn 2: GS.TS Viktor Ivanovic Malyugin Hà Nội, 2022 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Luận án thực hướng dẫn 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 Tôi xin cam đoan tất kết trình bày luận án nghiên cứu với hỗ trợ kinh phí Bộ cơng thương thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: “Tiếp nhận, làm chủ cơng nghệ đo kích thước vận tốc hạt phương pháp quang học ứng dụng hệ thống quan trắc lượng mưa phục vụ nghiên cứu chống biến đổi khí hậu” hỗ trợ máy móc, thiết bị, nhân lực Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Các số liệu, kết nêu luận án trung thực phần công bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý cho phép đồng tác giả Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc phần tài liệu tham khảo Tác giả Lai Thị Vân Quyên i ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com 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 lòng biết ơn người thân gia đình ln bên tơi, quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Tác giả Lai Thị Vân Quyên ii ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com 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 toán nghiên cứu nội dung công 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 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com 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 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com 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 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG Ký hiệu D Ý nghĩa I Cường độ mưa ix_y Giá trị rời rạc tập giá trị mô tả xung quang điện thu tương ứng Đường kính với giá trị mức x% biên độ xung lớn sườn xung thứ y KE Động mưa lc Chiều dài khe nhạy sáng ld Độ đầu xung quang điện thu M Độ sâu điều chế R Lượng mưa Umax Biên độ cực đại xung quang điện thu Umin Biên độ cực tiểu xung quang điện thu v Vận tốc g Khoảng cách khe nhạy sáng w Chiều rộng khe nhạy sáng vi ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ gốc Nghĩa tiếng Việt tắt 2DVD Two Dimension Video Thiết bị đo mưa hình ảnh hai Disdrometer chiều D Diameter Đường kính DIA Dynamic Image Analysis Phân tích hình ảnh động DLS Dynamic Lighty Scattering Tán xạ ánh sáng động I Intensity Cường độ JWD Joss Waldvogel Disdrometer Thiết bị đo mưa Joss Waldvogel KE Kinetic Energy Động LALLS Low Angle Laser Light Tán xạ góc hẹp ánh sáng laser Scattering LD Laser Diode Laser điốt LD-DM Laser Diffraction – Dynamic Nhiễu xạ laser chế độ động Mode LD-SM Laser Diffraction – Static Mode Nhiễu xạ laser chế độ tĩnh LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang OP Optical Counting Đếm quang học Parsivel Particle Size Velocity Tốc độ kích thước hạt P-POD Paired pulse optical Disdrometer Thiết bị đo mưa quang học loại hai xung RUSLE Revised Universal Soil Loss Phương trình đất hiệu chỉnh Equation SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử qt SIA Static Image Analysis Phân tích hình ảnh tĩnh SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu vii ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com SVI Snowflake Video Imager Thiết bị đo tuyết hình ảnh TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy TLPM Thies Laser Precipitation Máy đo lượng mưa laser Thies Monitor USLE Universal Soil Loss Equation Phương trình đất tổng quát viii ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com 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; // tolerance //======================= //For da0=7.0604; da1=-4.84769; da2=-5.03949; ivalfind=120; // valhold=1.3*ivalfind; // lev_for_start to read data in to array // m3:; valLL=THRESHOLD; lp01=0; ip01=0; ivmt=0; 136 ho tro tai file : luanvanchat@gmail.com // 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