Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Tuấn Anh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Tuấn Anh NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến Điện tử Mã số: 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Bạch Gia Dương PGS TS Vũ Anh Phi Hà Nội - 2011 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .3 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .6 MỞ ĐẦU 10 Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG 15 1.1 Đối tượng thực nghiệm vấn ñề liên quan 15 1.2 Mơ hình xác định mức độ nhiễm mơi trường thuỷ vực 16 1.2.1 Phương pháp truyền thống xác định thơng số tảo 16 1.2.2 Xu giới lĩnh vực quan trắc thuỷ vực 18 1.2.3 Mơ hình quan trắc thủy vực dự kiến 21 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG 25 2.1 Tính chất vật lý tương tác photon - ñối tượng sinh học 25 2.1.1 Hấp thụ ánh sáng 25 2.1.2 Tán xạ ánh sáng .26 2.1.3 Những thông số lý thuyết tán xạ .28 2.1.4 Hàm tán xạ .29 2.1.5 Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ tán xạ phổ biến 30 2.2 Mơ tả q trình lan truyền ánh sáng mẫu sinh học .32 2.3 Lý thuyết chung mơ hình Kubelka-Munk 34 2.4 Lý thuyết chung cầu tích phân 35 2.5 Xác ñịnh thành phần phản xạ truyền qua cầu tích phân 39 2.6 Lý thuyết chung mô Monte Carlo 40 Chương ÁP DỤNG MƠ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MƠ PHỎNG MONTE CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ĐƠI 45 3.1 Áp dụng mơ hình Kubelka-Munk cho mẫu dung dịch 45 3.2 Mối liên hệ hệ số K, S với µa, µs 52 3.3 Thiết kế cầu tích phân 54 3.4 Thiết kế quang hệ 58 3.5 Mô Monte Carlo cho mẫu sinh học .59 3.5.1 Quá trình di chuyển photon mẫu 59 3.3.2 Mô Monte Carlo với kỹ thuật cầu tích phân đơi 63 Chương XÂY DỰNG HỆ ĐO, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ ĐO MẪU 66 4.1 Sơ ñồ khối hệ ño 66 4.2 Hệ ño với cấu hình đo xác 67 4.2.1 Cấu trúc đơn vị xử lý tín hiệu số 67 4.2.2 Tổng quan TMS320C6713 70 4.2.3 Khảo sát khả xử lý tín hiệu DSK TMS320C6713 73 4.2.4 Thiết kế chế tạo ADC, tích hợp ADC-DSP phát triển ứng dụng DSP 76 4.2.5 Kiểm tra hệ đo với tín hiệu chuẩn lối vào .80 4.3 Hệ ño với cấu hình đo nhanh 84 4.4 Chế tạo thiết bị 85 4.4.1 Các khối chức 86 4.4.2 Tối ưu thông số kỹ thuật 91 4.4.3 Hình ảnh thơng số kỹ thuật thiết bị 93 4.5 Đo mẫu 96 4.5.1 Đo mẫu chuẩn 96 4.5.2 Đo mẫu thủy vực chứa tảo ñộc, hại .103 KẾT LUẬN 120 KIẾN NGHỊ 122 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .124 PHỤ LỤC 135 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter Bộ biến ñổi Tương tự - Số ALU Arithmetic Logic Unit Đơn vị lơ gíc số học BOD Biochemical oxygen demand Nhu cầu ôxy sinh học Cache Cache Memory Bộ nhớ đệm CCS Code Composer Studio Mơi trường soạn thảo mã CDOM Colored Dissolved Organic Chất hữu hòa tan có mầu Matter COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ơxy hóa học CPLD Complex Programmable Logic Mơ đun lơ gíc khả trình phức hợp Device DAC Digital to Analog Converter Bộ biến ñổi Số - Tương tự DAGEN Data Generator Bộ tạo liệu DMA Direct Memory Access Truy cập nhớ trực tiếp DSK DSP Starter Kit Bo mạch phát triển Xử lý tín hiệu số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số EDMA Direct Memory Access Enable Cho phép truy cập nhớ trực tiếp ELISA Enzyme-linked immunosorbent Phân tích kháng nguyên assay Enzyme EMIF External Memory Interface Giao diện nhớ EOC End of Conversion Kết thúc q trình biến đổi FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn g Asymmetric/ Anisotropy Hệ số bất ñối xứng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị tồn cầu HAB Harmful Algae Tảo ñộc, hại HPI Host Port Interface Giao diện chủ I/O Input/Output Vào/Ra IOC Intergovernmental Uỷ ban liên phủ Hải dương Oceanographic Commission học Interrupt Tín hiệu ngắt INT JTAG Joint Test Action Group Bộ nạp nhúng K KM absorption coefficient Hệ số hấp thụ Kubelka-Munk KM Kubelka-Munk Mô hình Kubelka-Munk L Radiance Độ xạ M Sphere Multiplier Hệ số nhân cầu tích phân MC Monte Carlo simumations Mô Monte Carlo McASPs Multichannel audio serial ports Cổng nối tiếp âm ña kênh McBSPs Multichannel buffered serial Cổng nối tiếp ñệm ña kênh ports Medium Resolution Imaging Đầu thu phổ xạ hình ảnh có ñộ Spectrometer phân dải trung bình Moderate Resolution Imaging Đầu thu phổ xạ hình ảnh có độ Spectroradiometer phân dải thấp p (x) Probability Hàm mật ñộ xác suất PHG Henyey-Greenstein Scattering Hàm pha tán xạ Henyey-Greenstein MERIS MODIS Phase PLL Phase Lock Loop Vịng khố pha Rd Backward Scattering Tán xạ ngược s Stepsize Bước dịch chuyển S KM scattering coefficient Hệ số tán xạ Kubelka-Munk SeaWiFS Sea-viewing Wide Field-of-View Đầu thu quan sát ñại dương trường Sensor nhìn rộng Tc Collimated transmission Thành phần truyền qua chuẩn trực Td Forward Scattering Tán xạ xuôi WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới µa Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ µs Scattering Coefficient Hệ số tán xạ µt Total attenuation coefficient Hệ số suy giảm tổng thể θ Deflection Angle Góc lệch Azimuthal Angle Góc phương vị ψ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Thời gian tính tốn DSP phép nhân hai ma trận n x n 74 Bảng 4.2: Sai khác biên độ tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị 82 Bảng 4.3: Sai khác tần số tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị 83 Bảng 4.4: Tiêu chuẩn nguồn sáng cho việc kiểm tra chất lượng nguồn nước 86 Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật chip laser sld102 nhiệt độ phịng 87 Bảng 4.6: Thơng số kỹ thuật đầu thu OPT101 89 Bảng 4.7: Số liệu ño mẫu sữa tiêu chuẩn với nồng ñộ khác 97 Bảng 4.8: Số liệu đo µa , µs g theo MC KM mẫu sữa tiêu chuẩn 102 Bảng 4.9: Phổ huỳnh quang tảo phụ thuộc vào bước sóng kích thích 105 Bảng 4.10: Phổ kích thích huỳnh quang tảo 107 Bảng 4.11: Rd , Td , Tc tảo P rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 109 Bảng 4.12: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo P Rhathymum 111 Bảng 4.13: Rd , Td , Tc tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ .112 Bảng 4.14: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia 114 Bảng 4.15: Rd , Td , Tc tảo A minutum phụ thuộc vào mật ñộ 115 Bảng 4.16: Tỷ lệ µs / µa thay đổi theo mật độ tảo A minutum .116 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần phản xạ ñược ñầu cảm biến thu ñược 18 Hình 1.2 Thơng số hình học liên quan đến xạ thu 19 Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang số lồi tảo 21 Hình 1.4 Mơ hình quan trắc thuỷ vực dự kiến 22 Hình 2.1 Photon bị ñổi hướng tán xạ 26 Hình 2.2 Cơ chế phát huỳnh quang lân quang 27 Hình 2.3 Nguyên lý tán xạ Raman 28 Hình 2.4 Đo thành phần hấp thụ 31 Hình 2.5 Đo tán xạ ngược 31 Hình 2.6 Đo thành phần tán xạ xi 32 Hình 2.7 Bức xạ tia tới thể tích ds dA vị trí r từ hướng s’ vào hướng s33 Hình 2.8 Mơ hình Kubelka-Munk 34 Hình 2.9 Phản xạ Lambertian 36 Hình 2.10 Trao đổi xạ hai yếu tố vi phân bề mặt khuếch tán 36 Hình 2.11 Trao đổi xạ hai phần tử bên cầu .36 Hình 2.12 Bức xạ bên cầu tích phân .37 Hình 2.13 Mối liên hệ ñộ dọi vào số lần phản xạ 38 Hình 2.14 Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe hệ số phản xạ 38 Hình 2.15 Đo thành phần phản xạ truyền qua nhờ cầu tích phân .39 Hình 2.16 Do tán xạ, photon bị lệnh hướng với góc lệnh θ, góc phương vị Ψ 40 Hình 2.17 Lấy mẫu biến ngẫu nhiên nhờ sử dụng số ngẫu nhiên ξ 41 Hình 3.1 Photon tán xạ với góc θ 52 Hình 3.2 Photon tán xạ đơn vị góc đặc d sˆ .53 Hình 3.3 Mối liên hệ hệ số nhân, hệ số phản xạ tỷ lệ diện tích khe 55 Hình 3.4 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ bước sóng làm việc 56 Hình 3.5 Mặt cắt hình ảnh bên ngồi cầu tích phân kép 58 Hình 3.6 Tạo chùm sáng chuẩn trực 58 Hình 3.7 Mơ tả mối liên hệ góc θ θi mặt mặt mẫu 62 Hình 3.8 Toạ độ photon thay đổi có phản xạ 62 Hình 3.9 Lưu đồ mơ MC kết hợp kỹ thuật cầu tích phân đơi .64 Hình 4.1 Sơ ñồ khối hệ ño 66 Hình 4.2 Kiến trúc ñơn vị xử lý liệu số .67 Hình 4.3 Kiến trúc bên DSK TMS320C6713 71 Hình 4.4 Cấu trúc lõi DSP TMS320C6713 73 Hình 4.5 Thời gian tính tốn sử dụng khơng sử dụng cấu trúc song song 75 Hình 4.6 Tỷ lệ thời gian tính tốn có khơng sử dụng cấu trúc song song 75 Hình 4.7 Thời gian tính tốn CT viết C Assembler cấu trúc song song 76 Hình 4.8 Tỷ lệ thời gian tính tốn C Assembler cấu trúc song song 76 Hình 4.9 Sơ đồ khối phép ño dựa phát triển DSK TMS320C6713 77 Hình 4.10 Sơ đồ khối ADC tích hợp với DSK TMS320C6713 .78 Hình 4.11 Sơ ñồ nguyên lý tích hợp ADC DSK TMS320C6713 78 Hình 4.12 Bo mạch ADC tích hợp với DSK TMS320C6713 79 Hình 4.13 Lưu đồ q trình đọc liệu từ ADC .79 Hình 4.14 Giao tiếp khối tích hợp ADC với DSP 80 Hình 4.15 Kiểm tra hệ đo với tín hiệu chuẩn lối vào 81 Hình 4.16 Thơng số tín hiệu chuẩn cửa sổ sau tích hợp với DSP.81 Hình 4.17 Sai khác biên độ tín hiệu chuẩn lối vào giá trị hiển thị 82 Hình 4.18 Sai khác tần số tín hiệu chuẩn lối vào giá trị hiển thị 84 Hình 4.19 Xác định Rd, Td, Tc dựa kỹ thuật cầu tích phân đơi 85 Hình 4.20 Sự phụ thuộc cường ñộ xạ vào góc phát xạ bước sóng 87 Hình 4.21 Đường ñặc tuyến P-I laser diode .88 Hình 4.22 Sơ đồ khối mạch ñiều khiển laser diode 88 Hình 4.23 Đáp ứng tần số đầu thu photoodiode OPT101 89 Hình 4.24 Kết nối ADC vào hệ ño 90 Hình 4.25 Lưu đồ truy nhập liệu từ ADC 90 Hình 4.26 Xác định thành phần Td 91 Hình 4.27 Xác định thành phần Rd 92 Hình 4.28 Xác ñịnh thành phần Tc 92 Hình 4.29 Hình ảnh bên ngồi thiết bị 93 Hình 4.30 Giao diện thiết bị 94 Hình 4.31 Cửa sổ giao diện xem kết ño thiết bị 95 Hình 4.32 Cửa sổ giao diện đặt cấu hình thiết bị .96 Hình 4.33 Hình ảnh hạt béo sữa 97 Hình 4.34 Sự phụ thuộc Rd , Td Tc vào nồng ñộ sữa 98 Hình 4.35 Khảo sát phụ thuộc Tc vào nồng ñộ sữa theo tác giả khác 99 Hình 4.36 Sự phụ thuộc µs vào nồng ñộ sữa .99 Hình 4.37 Giá trị µa, µs g theo tài liệu cơng bố tác giả khác .100 Hình 4.38 Sự phụ thuộc µa vào nồng độ sữa 100 Hình 4.39 Sự phụ thuộc g vào nồng ñộ sữa 101 Hình 4.40 Sự phụ thuộc µa, µs , g vào nồng độ sữa đo theo MC KM 103 Hình 4.41 Sơ đồ bố trí phép đo phổ huỳnh quang 104 Hình 4.42 Phổ huỳnh quang số loài tảo vùng thuỷ vực Đồ Sơn 105 Hình 4.43 Sơ đồ bố trí phép đo phổ kích thích huỳnh quang 106 Hình 4.44 Phổ KTHQ số lồi tảo độc, hại vùng thuỷ vực Đồ Sơn 107 Hình 4.45 Rd , Td , Tc tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật độ 109 Hình 4.46 µa , µs , g tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 110 Hình 4.47 Thay đổi tỷ lệ µs / µa theo mật độ tảo Prorocentrum rhathymum 111 Hình 4.48 Rd , Td , Tc tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật độ 112 Hình 4.49 µa , µs , g tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ .113 Hình 4.50 Thay đổi tỷ lệ µs / µa theo mật độ tảo Pseudo-nitzschia 114 Hình 4.51 Rd , Td , Tc tảo A minutum phụ thuộc vào mật độ .115 Hình 4.52 µa , µs , g tảo A minutum phụ thuộc vào mật độ 116 Hình 4.53 Thay đổi tỷ lệ µs / µa theo mật ñộ tảo A minutum 117 If r = Then r = 0.0001 End If S = -Log(r) / Mt r = Rnd(1) ' Góc lệch If g = Then M=2*r-1 Else M = (1 / (2 * g)) * (1 + g ^ - ((1 - g ^ 2) / (1 - g + * g * r)) ^ 2) End If Teta = Acos(M) Teta = Round(Teta, 7) r = Rnd(1) ' Góc phương vị Csi = * 3.14 * r Csi = Round(Csi, 7) '$$$$$ Xác ñịnh Mxold, Myold, Mzold Mxold = Sin(Teta) * Cos(Csi) Myold = Sin(Teta) * Sin(Csi) Mzold = Cos(Teta) Xold = x0 + Mxold * S ' Tọa ñộ sau lần dịch chuyển ñầu tiên Yold = y0 + Myold * S Zold = z0 + Mzold * S '$$$$$ Xác định photon cịn mẫu, vào cầu #1 ? If Mzold < Then Teta = 3.14 - Teta End If If Zold < Then teta_w = Teta Teta_g = Asin((n_w * Sin(teta_w)) / n_g) 'khuc xa tu water ->glass r = (1 / 2) * ((Sin(teta_w - Teta_g) ^ / Sin(teta_w + Teta_g) ^ 2) + (Tan(teta_w - Teta_g) ^ / Tan(teta_w + Teta_g) ^ 2)) W = W - R_g_w If W