Luận án tiến sĩ kỹ thuật nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

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 thơng 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 cơng bố tạp chí khoa học chun 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 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 tốn 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 hoàn thiện công 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 tốn 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 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 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 quét SIA Static Image Analysis Phân tích hình ảnh tĩnh SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu vii 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 qt viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ngun lý đo kích thước tác động học [22] Hình 1.2 Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22] Hình 1.3 Sơ đồ khối thiết bị đo kích thước hình ảnh [22,57] Hình 1.4 Sơ đồ khối thiết bị đo kích thước hiệu ứng quang 10 Hình 1.5 Các tượng quang học tia sáng qua hạt 11 Hình 1.6 Mơ hình đo thiết bị P-POD [30] 12 Hình 1.7 Mặt cắt máy đo quang học P-POD cải tiến [26] 13 Hình 1.8 Hai mơ hình đo Thies LPM Parsivel 14 Hình 1.9 Mơ tả phương pháp đo kích thước hạt với xung quang điện [8] 14 Hình 1.10 Mơ tả mặt chiếu mơ hình đo Parsivel1 [38] 15 Hình 1.11 Tín hiệu Parsivel1 với hạt có kích thước khác [38] 16 Hình 1.12 Mặt khe nhạy sáng mơ hình D V Kiesewetter V I Malyugin 21 Hình 1.13 Sơ đồ khối thiết bị đo hạt từ hai xung quang điện [14] 22 Hình 1.14 Mơ tả dạng xung quang điện thu mơ hình D V Kiesewetter V I Malyugin [16] hạt rơi qua khoảng đo 23 Hình 1.15 Một đường cong hiệu chỉnh M(R)-1 C(R)-2 mơ hình đo độ sâu điều chế [14] 25 Hình 1.16 Mơ hình thực tế thiết bị đo kích thước hạt nghiên cứu [14,16] 26 Hình 1.17 Mơ hình thiết bị cải tiến Bryson Evan Winsky 27 Hình 1.18 Xung quang điện thu thiết bị đo cơng trình [3] 28 Hình 1.19 Các dường cong phân tích đa thức hồi quy thể mối quan hệ đường kính hạt thực với đường kính D1 max 29 Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu hệ đo D V Kiesewetter and V I Malyugin đề xuất 37 Hình 2.2 Mơ hình thực nghiệm xác định xung quang điện 39 Hình 2.3 Hình dạng xung hai chồi cảm biến quang ứng với vị trí rơi hạt 39 Hình 2.4 Hình dạng xung hai chồi đảo ngược cảm biến quang hạt rơi 40 Hình 2.5 Mơ tả hình dạng chồi xung sau xử lý với phần cứng luận án 44 ix Hình 2.6 Mơ tả điểm lựa chọn xung quang điện dạng hai chồi 46 Hình 2.7 Sự phụ thuộc đường kính D vào k075 48 Hình 2.8 Dạng xung quang điện có chồi 49 Hình 2.9 Mơ tả xung quang điện ứng với vị trí hạt bay vào khoảng đo 52 Hình 2.10 Sơ đồ thuật toán xác định dạng xung biến số tương ứng 56 Hình 2.11 Sơ đồ thuật tốn xác định đường kính vận tốc hạt 57 Hình 2.12 Mơ tả cấu gá đỡ hiệu chỉnh trục quang đề xuất 60 Hình 2.13 Sơ đồ khối thiết bị đo mưa luận án 61 Hình 2.14 Lị xo chỉnh nguồn quang hệ quang 64 Hình 2.15 Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất 65 Hình 2.16 Sơ đồ khối bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa luận án 67 Hình 2.17 Kết hiệu chỉnh mềm với hạt nhỏ 3,5mm 68 Hình 3.1 Mơ hình kịch đánh giá hai phương pháp đo 73 Hình 3.2 Lưu đồ thuật tốn đo D so sánh theo hai phương pháp M k 075 74 Hình 3.3 So sánh đường kính trung bình hai phương pháp tính với hạt mẫu 75 Hình 3.4 So sánh sai số hai phương pháp tính với hạt mẫu 75 Hình 3.5 Hình ảnh viên bi mẫu có đường kính biết trước 77 Hình 3.6 Đường kính đo cỡ bi mẫu mơ hình thử nghiệm 79 Hình 3.7 Đường kính trung bình viên bi mơ hình thử nghiệm 79 Hình 3.8 Sai số tương đối viên bi mơ hình thử nghiệm 80 Hình 3.9 Mơ hình kịch đánh giá thực nghiệm 81 Hình 3.10 Các loại đầu nhỏ giọt sử dụng 82 Hình 3.11 Kết đo kích thước hạt nước với cỡ đầu tốc độ khơng đổi 83 Hình 3.12 Kết đo kích thước hạt nước tốc độ thay đổi 84 Hình 3.13 Các kết đo kích thước hạt nước sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt 87 Hình 3.14 Thiết bị đo mưa The Rain Collector II Davis Mỹ 90 Hình 3.15 Mơ hình kịch đánh giá thực nghiệm 90 Hình 3.16 Trung bình lượng mưa đo mơ hình thực nghiệm 91 Hình 3.17 Sai số tuyệt đối lượng mưa đo mơ hình thực nghiệm 91 Hình 3.18 Bố trí thiết bị hệ thử nghiệm đo mưa 92 x 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 // 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