luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ đo trong phương pháp hai chùm tia lidar luận văn ths vật lý 60 44 11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Văn Cường NGHIÊN CỨU HỆ ĐO TRONG PHƯƠNG PHÁP HAI CHÙM TIA LIDAR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Văn Cường NGHIÊN CỨU HỆ ĐO TRONG PHƯƠNG PHÁP HAI CHÙM TIA LIDAR Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 60.44.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Thị Thanh Lan Hà Nội – Năm 2011 z z LỜI CẢM ƠN Trước tiên cho phép gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo môn Vật lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy giáo tổ Quang lượng tử tận tình dạy bảo tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu Đặc biệt thầy giáo Phạm Văn Bền người định hướng, bảo cho lựa chọn hướng nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn tới TS Bùi Thị Thanh Lan – Giám đốc trung tâm CODECO – Đại học Mỏ địa chất tận tình bảo, trang bị kiến thức Lidar nói chung Lidar phương pháp hai chùm tia trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn tới lãnh đạo, cán công nhân viên trung tâm CODECO, Bộ môn Vật lý trường đại học Mỏ địa chất tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình nghiên cứu cơng ty môn Tôi xin cám ơn Lãnh đạo Đại học Mỏ Địa chất đồng nghiệp quan tâm, tạo điều kiện cho thời gian học tập nghiên cứu trường Cuối cùng, tơi xinh cảm ơn tới gia đình, bạn lớp cao học khóa 2009-2011 quan tâm, giúp đỡ chia sẻ q trình tơi học tập nghiên cứu luận văn Hà Nội, ngày 05 tháng 11 năm 20011 Học viên Nguyễn Văn Cường z MỞ ĐẦU Lidar (Ligth detection and ranging) kỹ thật đo lường từ xa[2],[6] Thiết bị sử dụng chùm tia laser xung chiếu vào khí (đối tượng nghiên cứu) Tín hiệu laser phản hồi thu lại đầu thu Lidar Thơng qua tín hiệu phản hồi Lidar cho phép xác định đầy đủ thơng tin khí (đối tượng nghiên cứu) Ngun tắc hoạt động Lidar nói chung giống nguyên tắc hoạt động Radar, nhiên kỹ Lidar người ta sử dụng bước sóng ngắn từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại gần Đối tượng nghiên cứu Lidar rộng, ví dụ nghiên cứu khí sol khí, bụi khí cho biết nồng độ, nhiệt độ, áp suất khí quyển, kích thước hình dạng sol khí(Lidar tán xạ đàn hồi, Lidar Raman) Trong nghiên cứu khí tượng thủy văn, Lidar cho phép đo tốc độ gió (Lidar Doppler), mật độ nước, mật độ ôzon, SO2, NOx… (Lidar hấp thụ vi phân, Lidar Raman) Trong giao thông vận tải, Lidar cho phép xác định tốc độ di chuyển phương tiện tham gia giao thông (Lidar Doppler)… Trong loại Lidar trên, loại ứng dụng nhiều nghiên cứu khí Lidar tán xạ đàn hồi Khi thu thập, xử lý thông tin sol khí, bụi Lidar tán xạ đàn hồi gặp khó khăn có đẳng phương trình có đến hai ẩn số chưa biết, hệ số tán xạ ngược  hệ số suy giảm , phương trình thường tạp khó giải Để giải vấn đề người ta phải giả định mối liên hệ   cách sử dụng mơ hình khí chuẩn US standard atmosphere (1976) Do kết thu mang tính gần Để khắc phục khó khăn trên, người ta thiết kế thêm hệ Lidar tán xạ đàn hồi thứ hai chiếu ngược lại nhằm thiết lập phương trình Lidar thứ hai độc lập với phương trình thứ nhất, vài tốn Lidar hồn tồn giải quyết, kỹ thuật gọi kỹ thuật Lidar phương pháp hai chùm tia Kỹ thuật hai chùm tia đời cho phép thu thông tin từ đối tượng cách độc lập mà không cần đến mơ hình giả định khí cho kết xác[3],[5] z luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 Với mục tiêu khắc phục khó khăn cách giải phương trình Lidar thơng thường, sản phẩm thương mại cấu thành nên hệ Lidar có thị trường Bài luận văn kế thừa nối tiếp kết nghiên cứu Trung tâm laser môi trường đại học Mỏ địa chất Hà Nội thiết kế, chế tạo hệ đo Lidar tán xạ đàn hồi, xin đề xuất hệ đo Lidar phương pháp hai chùm tia có khả thực thi cao, nhằm hướng tới làm chủ công nghệ kỹ thuật Lidar phương pháp hai chùm tia Mục tiêu nhóm nghiên cứu tìm hiểu số hệ đo Lidar phương pháp chùm tia, đồng thời lựa chọn chi tiết cấu thành hệ đo Lidar phương pháp hai chùm tia có chất lượng trung bình so với giới, tương đối hồn chỉnh phù hợp với điều kiện trình độ Việt Nam Hệ đo tiến hành đo, phân tích thành phần bụi, sol khí, nhiễm mơi trường khí quyển…Được đồng ý hướng dẫn TS Bùi Thị Thanh Lan, trưởng nhóm nghiên cứu, tơi tham gia vào giai đoạn đầu đề tài với nội dung nghiên cứu là: Nghiên cứu hệ đo phƣơng pháp hai chùm tia Lidar Yêu cầu cụ thể đề tài là: - Nghiên cứu, khảo sát công nghệ số hệ đo Lidar - Xây dựng sơ đồ khối cho hệ đo Lidar tán xạ đàn hồi phương pháp chùm tia để chế tạo hệ đo Lidar phương pháp hai chùm tia - Lựa chọn thiết bị cấu thành lên hệ đo Lidar có thơng số kỹ thuật phù hợp Với mục tiêu trên, phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm chương: Chƣơng 1: Tổng quan lý thuyết Lidar Chƣơng 2: Các hệ đo Lidar hệ đo lidar phương pháp hai chùm tia Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo Lidar phương pháp hai chùm tia luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYÊT LIDAR 1.1 Lịch sử phát triển Lidar Lidar đo lường tán xạ thông qua ánh sáng thường khơng phải laser sol khí hạt bụi mơi trường khí Trong năm 1930 nghiên cứu thực để đo thơng tin mật độ khơng khí bầu khí phía cách xác định cường độ tán xạ từ chùm tia ánh sáng khảo sát [2] Năm 1938, xung ánh sáng sử dụng cho lần để đo lường tính chất đám mây cao Việc cài đặt hợp lí hệ thống máy phát hệ thống máy thu đặt hợp lý mang lại thông tin có chất lượng từ việc đo thời gian vòng di chuyển tia sáng từ máy phát tới đối tượng máy thu Loại Lidar lần giới thiệu Middleton Spilhaus năm 1953 Sự phát triển nhanh chóng cơng nghệ LiDAR đại bắt đầu với phát minh công nghệ laser năm 1960 laser Q-switched vào năm 1962 Fiocco Smullin cơng bố quan sát khí với laser ruby năm 1963 Khoảng thập kỷ sau tất kỹ thuật LiDAR đề xuất chứng minh Do đó, giáo trình viết LiDAR viết E.D Hinkley xuất năm 1976 Kể từ đó, thành cơng phát triển LiDAR mạnh mẽ, kết nối với tiến công nghệ quang học điện tử, đặc biệt công nghệ laser Nghiên cứu Lidar luôn gắn liền với việc nghiên cứu laser Nhiều thiết bị sử dụng tia laser thiết kế đặc biệt cho LiDAR đáp ứng yêu cầu cao kỹ thuật LiDAR tia laser lượng , bước sóng, độ rộng xung, hình dạng chùm tia, độ tinh khiết quang phổ thường không thấy sản phẩm thương mại mà dùng riêng cho Lidar[2] Ngoài laser ra, lọc quang học với độ truyền qua cao, độ rộng phổ, sườn dốc phổ hay độ khử nhiễu cao, phát hiệu cho vùng bước sóng rộng, hệ thống thu thập liệu với phạm vi chức phần mềm máy tính luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 xử lý lượng lớn liệu với tốc độ lặp lại cao thuộc thiết bị cần thiết để nâng cao hệ thống LiDAR Lidar ln ln thừa hưởng phát triển nguồn sáng đổi công nghệ Ngày công nghệ Lidar phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực ngành nghề, mang lại nhiều hiệu thiết thực khí tượng thủy văn, trắc địa, giao thông, quân sự, khảo cổ… 1.2 Sự lan truyền tia laser mơi trƣờng khí Khi chùm tia laser vào mơi trường khí phần lượng chùm tia bị tán xạ, đồng thời phần lượng chùm tia laser bị môi trường hấp thụ Dẫn tới tượng lượng chùm tia sau qua môi trường bị suy giảm[1] -Absorption - Scattering z Hình 1.2 Hiện tượng hấp thụ(absorption) tán xạ(scattering) chùm laser khí 1.2.1 Tán xạ ánh sáng Khi chùm tia laser vào mơi trường khí nơi có nhiều hạt nhỏ lơ lửng, vùng bất mấp mô nhỏ làm chùm sáng bị đổi hướng làm thay đổi số tính chất nó, phân bố lại cường độ ánh sáng không gian, thay đổi tần số phân cực ánh sáng…gọi tượng tán xạ ánh sáng Có hai loại tán xạ: tán xạ đàn hồi tán xạ không đàn hồi luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 1.2.1.1 Tán xạ đàn hồi không đàn hồi Tán xạ đàn hồi tán xạ khơng làm thay đổi bước sóng xạ Hai loại thuộc tán xạ đàn hồi tán xạ Rayleigh tán xạ Mie Tán xạ Rayleigh xảy kích thước hạt nhỏ bước sóng xạ chiếu vào, cịn tán xạ Mie xảy hạt có kích thước tương đương với bước sóng chiếu vào[3] Tán xạ khơng đàn hồi tán xạ mà bước sóng xạ sau tán xạ bị thay đổi Tán xạ thường thấy tán xạ Raman 1.2.1.2 Tán xạ ngƣợc Trong tượng tán xạ, xạ bị lệch theo nhiều hướng khác Nếu xạ có hướng trở lại phương truyền cũ ( = 1800 ) gọi tượng tán xạ ngược Như xét với loại tán xạ nghiên cứu có tán xạ ngược đàn hồi tán xạ ngược không đàn hồi - Tán xạ Rayleigh định nghĩa tán xạ đàn hồi từ nhiều hạt hình cầu nhỏ so với bước sóng xạ Tán xạ Rayleigh khí thường tán xạ phân tử Oxi Nitơ chiếm 99% phân tử khí Trái Đất, hai khí nguồn xạ tán xạ Rayleigh Cường độ tán xạ Rayleigh tỉ lệ thuận với  4 chi phối ánh sáng tán xạ ngược bước sóng ánh sáng laser ngắn - Tán xạ Mie tán xạ đàn hồi với hạt có kích thước lớn 1/10 nhỏ 10 lần kích thước bước sóng Thuyết tán xạ phát triển nhờ Gastav Mie, phân tích lời giải xạ tán xạ bước sóng hạt có dạng cầu có bán kính Như thuyết tán xạ Mie khơng có giới hạn kích thước hạt cách chắn, chí bao gồm lời giải cho tán xạ Rayleigh Do đó, việc thu nhận tín hiệu tán xạ cho phép nhận biết thông tin kích cỡ thơng số khác phân tử sol khí khí phạm vi bán kính từ 50 nm đến vài micromet Ứng dụng công nghệ đòi hỏi phát xạ vài bước sóng laser xác định độc lập hệ số tán xạ ngược hệ số suy giảm Các hạt khí có nhiều hình dạng khác Do thuyết Mie gần đúng, thuyết áp dụng trường hợp hạt nhỏ có kích thước xấp xỉ luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 bước sóng phải có dạng hình cầu Nếu kích thước hạt lớn khơng có dạng hình cầu phải áp dụng thuyết tán xạ khơng phải dạng hình cầu cách kĩ lưỡng Các hạt có dạng hình cầu tán xạ khơng thay đổi trạng thái phân cực ánh sáng laser phân cực thẳng tán xạ 1800, hạt khơng phải dạng hình cầu dãn đến khử phân cực xạ tán xạ ngược Sự phát ánh sáng phân cực nhạy đặc biệt có ích việc điều tra nghiên cứu đám mây lớp bụi khí - Tán xạ Raman q trình tán xạ khơng đàn hồi có thay đổi mức lượng dao động quay phân tử Sự thay đổi tần số xạ tán xạ tương ứng với sai khác mức lượng trạng thái khác nhau, tán xạ Raman điển hình cho tương tác phân tử Sự thay đổi trạng thái lượng quay tương ứng với dải Raman quay Công nghệ Lidar Raman ứng dụng rộng rãi để đo mật độ nước nhiệt độ vùng khí cao 1.2.2 Hấp thụ ánh sáng Khi chùm sáng truyền qua môi trường vật chất, bị ảnh L hưởng theo hai cách chính: Một là, dx cường độ bị giảm trình qua mơi trường vật chất Hai là, vận tốc truyền môi trường nhỏ I0 chân khơng Cường độ ánh sáng I Hình 1.2.2.1 Sự hấp thụ ánh sáng laser suy giảm chủ yếu ánh sáng bị hấp thụ tượng tán xạ Hướng chùm xạ laser có cường độ I0 vng góc với lớp mơi trường có độ dày L Nếu bỏ qua tượng mát tán xạ phản xạ ánh sáng mát chủ yếu môi trường hấp thụ Cường độ ánh sáng khỏi môi trường I nhỏ cường độ ánh sáng trước vào môi trường vật chất luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11luan.van.thac.si.nghien.cuu.he.do.trong.phuong.phap.hai.chum.tia.lidar.luan.van.ths.vat.ly.60.44.11 z