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 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 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 Tơi 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 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, 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 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) Nguyên 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 thơng 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 mô 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 khơng cần đến mơ hình giả định khí cho kết xác[3],[5] 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, 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 thông 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 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 laser sol khí hạt bụi mơi trường khí Trong năm 1930 nghiên cứu thực để đo thông tin mật độ không 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 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 thơng, 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 1.2.1.1 Tán xạ đàn hồi không đàn hồi Tán xạ đàn hồi tán xạ không 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, tán xạ Mie xảy hạt có kích thước tương đương với bước sóng chiếu vào[3] Tán xạ không 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 thơng tin kích cỡ thơng số khác phân tử sol khí khí phạm vi bán kính từ 50 nm đến vài micromet Ứng dụng cơng nghệ địi 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 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 q 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 tế bào quang điện KD*P (KD2PO4) Pockels kính phân cực Cơ chế làm lạnh nước qua chưng cất Nguồn laser phát xung laser hồng ngoại đặc trưng có bước sóng 1064 nm Một phần tín hiệu chuyển đổi thành xạ thứ hai có bước sóng 532 nm tinh thể KTP (KTiOPO4) Độ rộng bán nguyên xung laser Tần số phát xung lớn 20 Hz Nguồn laser LS-2131 làm việc tốt nhiệt độ 15†30oC, áp suất 630†810 mmHg độ ẩm nhiệt độ 25oC từ 40÷80 %[7] Bảng 3.2.1 Thơng số kỹ thuật Laser Nd:YAG LS-2131 Laser Nd:YAG laser LS-2131 Bước sóng làm việc 1064 nm 532 nm Xung lượng bước sóng 1064 nm Khơng lớn 100 mJ Xung lượng bước sóng 532 nm Khơng lớn 50 mJ Tần số phát xung Không lớn 20 Hz Độ rộng bán nguyên xung laser 10-12 ns Góc phân kỳ Khơng lớn 1,5 mrad Năng lượng tiêu thụ Không lớn 750 W Độ mở rộng chùm tia 5X Hộp chứa khối laser làm nhơm, có kích thước 800x300x x130mm Bề mặt bên sơn lớp sơn hấp thụ ánh sáng Các phận quang học đặt cố định giá vít điều chỉnh để làm cho chùm tia laser dọc theo trục quang học phận mở rộng chùm tia Hộp laser có kính bảo vệ, có tác dụng đóng kín cửa sổ phía trước hộp laser ngăn chặn bụi bẩn từ mơi trường xung quanh Kính bảo vệ làm thạch anh với lớp chống phản xạ cho phép chùm tia với bước sóng 532 nm 1064 nm truyề n qua với xác suất lớn 97% Khi laser không hoạt động ln ln phải đậy kín kính bằ ng nắp bảo vệ 64 3.2.2 Lựa chọn thiết bị mở rộng chùm tia (Beam Expander) Bộ phận mở rộng chùm tia hệ thống thấu kính có nhiệm vụ làm tăng diện tích mặt cắt ngang chùm tia laser làm giảm độ phân kỳ chùm tia laser Hiện có nhiều hãng chế tạo phù hợp cho thiết kế chọn, sử dụng loại Bex Singapo Seri BEX gồm 1064nm, chuỗi 532nm, 355nm, 266nm cho phép ta lựa chọn loại có thơng số hợp lý Loại Hình 3.2.2 Thiết bị mở rộng chùm tia M16x0.75 hãng BEX Singapo có lợi ống kính nội di chuyển dọc theo trục quang học mà không cần phải di chuyển vị trí nhiều lần hạn chế nhiều sai lệch quang học :M16x0.75, M22x0.75 M30x1 3.2.3 Nguồn nuôi thiết bị làm mát laser Nguồn nuôi cho Laser sử dụng để cấp cho laser Nguồn nối với điều khiển từ xa qua đường cáp, cho phép người sử dụng điều chỉnh hoạt động nguồn laser từ khoảng cách định Bảng 3.2.3 Nguồn hệ thống làm mát Hệ thống nguồn nuôi Một pha xoay chiều, 220±20V, 5060 Hz, 5A 65 Bắt buộc phải sử dụng hệ thống nối đất Yêu cầu nước làm mát Nước trưng cất lần Laser làm lạnh nước cất, loại chưng cất lần, điều giúp cho việc nước không bị lắng cặn hay mọc rêu trình sử dụng lâu dài Laser làm mát luồng nước ln di chuyển tuần hồn thông qua monito nhỏ Việc làm lạnh đảm bảo cho việc laser hoạt động lâu dài 4.3 Lựa chọn hệ quang 4.3.1 Lựa chọn telescope thu nhận tín hiệu Telescope có tác dụng thu nhận photon tán xạ ngược gây đám mây son khí tương tác với chùm tia laser Telescope đươ ̣c dùng hệ thống quang học, cấu tạo dựa loại kính thiên văn Cassegrain hãng Quasi-Cassegrain[7] Khi lựa chọn kính cần ý đến thị trường kính có độ rộng tương đối, làm giảm nhiễu, đồng thời đảm bảo nhỏ gọn cần thiết thiết bị Để phù hợp với thiết kế thơng số hệ thống Telescope sau: - Đường kính lối vào: 260 mm - Tiêu cự: 1050 mm - Độ mở tương đối: 1:4 - Góc phương vị: 0o đến 360o - Góc nâng: -10o đến 90o - Trọng lượng khoảng 15 kg Cấu tạo hệ gồm: - Vỏ anten (0) - Tấm chắn bảo vệ kính (1) - Gương cầu lõm (2) 66 - Gương cầu lồi phụ (3) Hình 3.3.1 Các chi tiế t chính và cách bố trí quang học telescope Bức xạ tán xạ ngược qua kính bảo vệ làm thạch anh (1) tới gương cầu lõm (2) Tia sáng phản xạ trở lại tới gương cầu lồi (3) qua lố thủng gương cầu lõm qua khe chắn (4) Khe hẹp chắn (4) đặt điểm hội tụ tia sáng Gương cầu lồi (3) Vỏ (0) telescope làm thép mỏng Bề mặt phía phủ lớp sơn tối hấp thụ tốt ánh sáng điều giảm đáng kể nhiễu từ xạ phản xạ nhiều lần Telescope thiết kế sau: Kính bảo vệ (1) đặt phía vào chùm tia sáng tán xạ ngược từ khí Gương cầu lõm (2) đặt đầu đối diện của kính bảo vệ (1) Cịn gương cầu lồi (3) giữ vững giá điều chỉnh quay được, để hội tụ tia phản xạ khe hẹp chắn Kính thu với hộp laser liên kết thành khối Khối giữ thanh, thay đổi góc theo phương nằm ngang phương thẳng đứng 67 3.3.2 Lựa chọn thấu kính chuẩn trực Thấu kính chuẩn trực dạng phẳng lồi đặt sau telescope tiêu điểm kính thiên văn có tác dụng tạo chùm tia song song trước tới gương tách chùm tia Tiêu cự: - 10 cm Hình 3.3.2 Thấu kính phẳng lồi Loại lựa chọn: Optarius Anh 3.3.3 Lựa chọn gƣơng tách chùm tia Có tác dụng tách chùm tia 1064nm 532nm thành hai chùm tia riêng biệt Gương tách chùm tia bố trí đặt nghiêng góc 45 độ so với phương Hình 3.3.3.1 Sơ đồ hai loại tách chùm tia thảng đứng Đối với tia 1064nm gương cho phản xạ góc 90 độ cịn 532nm cho xạ truyền qua Loại gương tách chùm tia lựa chọn có dạng hình trịn, đường kính 46,8mm , độ dày 3,2 nm hãng chọn mua Optarius Anh Hình 3.3.3.2 Một số loại gương tách chùm tia hãng Optarius Anh 68 3.3.4 Lựa chọn lọc cho 532nm 1064nm Bộ lọc thường sử dụng hệ thống Lidar nhằm loại bỏ tín hiệu khơng mong muốn Bộ lọc lọc xạ có bước sóng từ 254-1064nm Thơng số: Hình trịn, kích thước đường kính cm Loại thơng dụng chúng tơi thấy phù hợp lọc hãng Liaoning China Hình 3.3.4 Kính lọc Filter Liaoning China 3.3.5 Lựa chọn gƣơng đổi hƣớng cho hệ thu - Đảm bảo phản xạ cực tốt, tín hiệu tán xạ phản hồi thu yếu nhiều so với lúc phát đi, tránh tượng hấp thụ photon gương - Đảm bảo nhỏ gọn, dễ lau chùi, dễ thay - Phản xạ tốt loại bước sóng 1064nm 532nm ( Newport Mỹ) Lựa chọn cần thiết hãng Newport - Mỹ hãng có uy tín Hình 3.3.5 Gương đổi hướng cho hệ thu giá thành đắt nhung bù lại gương đổi hướng hãng mang lại hiệu cao, hoạt động ổn định bền Mặt khác gương đổi hướng thiết bị thiếu hệ thu, dùng nhiều đóng vai trò quan trọng việc nâng cao hiệu suất thu nhận hệ thống 69 3.4 Hệ thống đầu thu hệ thống xử lý tín hiệu 3.4.1 Lựa chọn đầu thu PMT - Ống nhân quang điện PMT-100 dùng để ghi nhận thành phần quang học với bước sóng 532 nm tách riêng Quang catốt có hiệu suất lượng tử khoảng 10% bước sóng 532 nm - Loại PMT-100 đầu dị vùng nhìn thấy tới vùng cực tím - Tín hiệu khuyếch đại - Nguồn nuôi cao áp 2500V, dòng 3mA, độ ổn định 0,05% - Điện áp ni: 0-2500V Hình 3.4.1 Đầu thu PMT 3.4.2 Lựa chọn đầu thu APD - Photo điốt thác lũ APD dùng để ghi nhận thành phần quang học với bước sóng 1064 nm tách riêng Nó có hiệu suất nhạy với lượng tử quang điện 40% bước sóng 1064 nm Có kích thước vùng nhạy 1,5 mm Dải tần số khuếch đại lớn MHz Hệ số khuếch đại lớn 200 lần sử dụng điện áp 200÷380 V - ADP cấu tạo dựa sở photo điốt thác lũ hãng PerkinElmer Bộ phận thu nhận photon gồm thấu kính, photo điơt thu nhận photon, phận cung cấp điện áp cao để nuôi điốt cuối phận khuếch đại tín hiệu vào Tất thành phần đặt vỏ kim loại Nguồn nuôi cho APD nguồn thấp áp, có điện áp +30V ứng với dòng 200 mA áp ±12V ứng với dòng 100 mA 70 3.4.3 Lựa chọn chuyển đổi tín hiệu Card ADC - ADC có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự Lidar sang dạng tín hiệu số để lưu trữ xử lý liệu máy vi tính Các đặc điểm kỹ thuật ADC sau: - Độ phân giải: 12 bit liệu - Tần số:30 MHz - Số kênh: - Bộ nhớ đệm cho kênh: 64 K - Số lượng đầu vào/ra : - Đồng tín hiệu bên trong/bên - Xung đồng đầu vào/ra - Loại giao tiếp: cổng PCI Mạch ADC sử dụng loại chip ADS801 cơng ty BURR-BROWN, có nhớ đệm (RAM) với dung lượng 64K cho phép lưu trữ mảng liệu mà khơng cần chương trình can thiệp ADC sử dụng chế độ gia tăng địa tự động để tăng tốc độ đọc liệu từ RAM Ngồi mạch ADC cịn sử dụng ngắt để hạn chế thời gian kiểm tra Một quy trình ngắt thực việc đọc liệu, chuẩn bị xử lý khởi động lại trình đo đạc Trong khoảng thời gian này, chương trình thực việc biểu diễn liệu, điều khiển chức v.v Các loại ngắt sử dụng IRQ10, IRQ11 IRQ12 Dải điện áp đầu nằm khoảng từ đến +4V ± 2V tùy thuộc vào vị trí chân đặt cạnh đầu vào khuếch đại đệm AD830 Trở kháng vào 50 Ω 3.4.4 Phần mềm xử lý số liệu Hiện phần mềm xử lý số liệu Lidar hầu hết viết dạng ngôn ngữ Labview Khi viết ngôn ngữ Labview thông số thu từ hai Lidar tán xạ đàn hồi tổng hợp lại xử lý đưa kết xác nhanh chóng 71 Trong trường hợp không viết phần mềm Labview số liệu từ hai Lidar tán xạ đàn hồi xử lý Matlap thông qua lý thuyết hai chùm tia Lidar 3.5 Lựa chọn thiết bị hỗ trợ 3.5.1 Lựa chọn phân cực nửa bƣớc sóng - Bản nửa bước sóng đặt trước chùm tia 532 nm trước phát ngồi khí nhằm điều chỉnh độ phân cực phẳng ban đầu - Bản nửa bước sóng mạ chóng phản xạ 532nm chịu xạ laser công suất cao - Một giá vi chỉnh cho phép quay nửa bước sóng với độ xác góc nhỏ 0.5 3.5.2 Lựa chon máy phân tích phân cực - Máy phân tích phân cực có tác dụng xác định loại phân cực độ phân cực xạ tán xạ đàn hồi bước sóng 532nm - Loại máy PMDPro General photonic - Nguồn nuôi 220V, 50, 60Hz Hình 3.5 Máy phân tích phân cực PMDPro 72 - Tốc độ sử lý cỡ pico giây , loại kĩ thuật số thuận tiện cho trình sử dụng - Màn hình Led, cổng giao tiếp thuận lợi 3.6 Thiết kế phận ghép nối thiết bị quang khối thu - Khối thu phận quan trọng để thu tín hiệu phản hồi bao gồm linh kiện quang học chủ yếu: Gương tách chùm tia, thấu kính, lọc, đầu thu… - Buồng chứa linh kiện(bản vẽ phụ lục) thiết kế hợp lý để tránh nhiễu, giảm kích thước cồng kềnh hệ thu - Các thiết bị quang gắn với giá vi chỉnh điều chỉnh xoay góc xác nhỏ Kích thước thiết bị quang hình trịn (đường kính 45mm) hình chữ nhật (4x5)cm - Các thiết bị có hình dạng, kích thước phù hợp, thuận tiện để chế tạo, thay thế, hiệu chỉnh có độ bền học tốt, đồng thời phải đảm bảo tốt phản xạ, truyền qua an toàn xạ - Toàn hệ thống quang che lại nhôm độ dày 2mm, điều tránh ánh sáng gây nhiễu vào buồng thu 3.7 Chế tạo phận khí nâng đỡ, bảo vệ chuyển động Do yêu cầu cần phải có linh động thiết bị di chuyển địa điểm khác Thiết bị đặt phận nâng đỡ có bánh xe di chuyển - Khung đỡ toàn hệ thống máy có dạng hình hộp làm thép dày 2mm( xem phụ lục) - Toàn hệ thống: thu nhận, phát, nguồn nuôi xếp giá đỡ làm cho tồn hệ thống có kết cấu đồng nhất, nhỏ gọn có độ bền học định 73 Bảng 3.7 Bảng tổng hợp số thông số kỹ thuật số chi tiết hệ Lidar hai chùm tia TT Tên thiết bị Thông số đặc trƣng Ghi Laser - Nd:YAG (Nd:Y3Al5O12), hoạt động chế độ xung phát 1064nm 532nm - Bề rộng xung laser nửa chiều cao đỉnh 10÷12ns - Góc phân kỳ: Không lớn 1,5 mrad - Năng lượng tiêu thụ: Không lớn 750 W Bộ phận mở rộng chùm tia - Seri BEX gồm : M16x0.75, M22x0.75 M30x1 - Ống kính nội di chuyển dọc theo trục quang học Nguồn nuôi - Làm lạnh nước cất phận làm mát Telescope - Kính thiên văn Cassegrain hãng QuasiCassegrain - Đường kính lối vào: 260 mm - Tiêu cự: 1050 mm - Góc phương vị: 0o đến 360o - Góc nâng: -10o đến 90o - Trọng lượng 15 kg Thấu kính chuẩn trực Gương tách chùm tia - Tiêu cự: - 10 cm - Hãng Optarius - Anh - Phản xạ 1064nm truyền qua 532nm - Hình trịn, đường kính 46,8mm , độ dày 3,2 nm hãng Optarius - Anh 74 Gương phản xạ - Phản xạ tốt loại bước sóng 1064nm 532nm ( Newport - Mỹ) Kính lọc - Hình trịn, kích thước đường kính cm - Hãng Liaoning China Đầu thu PMT - Ống nhân quang điện PMT-100 - Nguồn ni cao áp 2500V, dịng 3mA, độ ổn định 0,05% - Hiệu suất lượng tử 10% bước sóng 532 nm 10 Đầu thu APD - Kích thước vùng nhạy 1,5 mm - Dải tần số khuếch đại lớn MHz - Hệ số khuếch đại lớn 200 lần - Điện áp 200†380 V - Hãng Perkin-Elmer 11 Máy phân tích phân cực - PMDPro General photonic - Nguồn nuôi 220V, 50,60Hz - Tốc độ sử lý cỡ pico giây , loại kĩ thuật số - Màn hình Led, cổng giao tiếp thuận lợi 12 ADC - Độ phân giải: 12 bit - Tần số:30 MHz - Số kênh: - Bộ nhớ đệm cho kênh: 64 K - Đồng tín hiệu bên trong/bên ngồi - Xung đồng đầu vào/ra - Loại giao tiếp: cổng PCI - Chip ADS801 công ty BURR-BROWN 13 Phần mềm xử lý - Viết ngơn ngữ Labview tín hiệu 75 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu hệ đo Lidar nghiên cứu phát triển hệ đo Lidar tán xạ đàn hồi trung tâm laser môi trường đại học Mỏ - Địa chất, trình chế tạo Lidar Viện vật lý – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, nghiên cứu Lidar LSA-2C đại học Bách Khoa Hà Nội, đề tài thu kết sau: Nắm tổng quan số hệ đo hệ Lidar: Lidar tán xạ đàn hồi, Lidar Raman, Lidar huỳnh quang công hưởng, Lidar Doppler, Lidar hấp thụ vi phân Tìm hiểu hệ Lidar giới Lựa chọn thông số cụ thể để thiết kế hệ Lidar Tìm hiểu cấu hình phù hợp với hệ hai chùm tia Thực vẽ kỹ thuật số chi tiết quang chi tiết khí hệ đo Lidar tán xạ đàn hồi 76 KIẾN NGHỊ Việc thiết kế chế tạo Lidar tán xạ đàn hồi phương pháp hai chùm tia phù hợp cần thiết Đây việc có ý nghĩa Việt Nam Việc thiết kế chế tạo thành công hệ Lidar Việt Nam giúp Việt Nam bắt kịp với công nghệ Lidar giới nay, làm giảm giá thành hệ đo mà chủ động nghiên cứu mơi trường khí quyển, học tập cơng nghệ cao, chủ động kỹ thuật chế tạo máy, trì bảo dưỡng q trình sử dụng Tơi hy vọng giai đoạn sau đề tài sau chế tạo thành cơng hệ máy Lidar có nhiều đề tài tiếp tục nghiên cứu, chế tạo Lidar ứng dụng Lidar cụ thể vào điều kiện Việt Nam đưa khoa học công nghệ cao vào thực tiễn sống 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phần tiếng Anh Bui Thi Thanh Lan, Le Hong Khiem, Pham Van Ben (2008), “The simulation studies of the laser propagation in coal mining”, Proceeding of the fifth National conference on Optics and Spectroscopy, (6),Nha Trang Claus Weitkamp (2005) ,” Lidar Range-Resolved Optica Remote Sensing of the Atmosphere”, Springer series in optical sciences ; v 102 Juan Cuesta, Pierre H Flamant (2003), “Two-Stream lidar inversion algorithm for airborne and satellite validations”, Laboratoire de Météorologie Dynamique , institut Pierre Simon Laplace École Polytechnique, 91128 Palaiseau S Stachlewska (2010), “AMALi – the Airborne Mobile Aerosol Lidar for Arctic research”, Atmos Chem Phys, 10, 2947–2963 S Stachlewska, and C Ritter (2009), “On retrieval of lidar extinction profiles using Two-Stream and Raman techniques”, Atmos Chem Phys,(9), 20229– 20257 Vladimir A.Kovalev – William E.Eichinger ( 2004), “ESLASTIC LIDAR, Theory, Practice, and Analysis Methods”, Inc., Hoboken, New Jersey Published simultaneously in Canada Phần tiếng Việt Trần Thùy Dương (2006), “ Một số đo đạc thực nghiệm ban đầu với Lidar”, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội Đinh Văn Trung, Nguyễn Thanh Bình (2010) “Chế tạo hệ thống Lidar bước đầu cho nghiên cứu sol khí, Viện khoa học cơng nghệ Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài Viện Vật lý – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội 78