Nghiên cứu hoàn thiện hệ thông lida quan trắc son khí TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA Âu Duy Tuấn NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG LIDAR QUAN TRẮC SON KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 952 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG HÀ NỢI - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: TS.Nguyễn Xuân Anh PGS.TS Thái Quang Vinh Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá họp hội trường vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu ḷn án thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự đợng hóa Phần mở đầu Tính cấp thiết luận án Hiện nay, ô nhiễm môi trường vấn đề nghiêm trọng thế giới cũng ở Việt Nam Kinh tế phát triển nhiễm mơi trường lại gia tăng Ơ nhiễm mơi trường chủ ́u ô nhiễm nguồn nước ô nhiễm không khí Ơ nhiễm khơng khí hình thành từ hai nguồn chính một các “vụ nổ” ở tầng điện ly, hoạt động của mặt trời, hai hoạt động tự nhiên của trái đất của người gây khói, bụi bốc lên khí Lidar một thiết bị chuyên dụng dùng đo đạc các đặc trưng vật lý của khí theo không gian thời gian với độ phân giải cao Mục tiêu luận án Tự xây dựng, tích hợp một hệ Lidar quan trắc sol khí tối ưu về nhiều mặt: Các modul phần cứng tích hợp lựa chọn chế tạo kiểm chứng phần mềm mơ theo phương trình Lidar; Phương pháp hiệu chỉnh hệ thống để đạt phép đo có đợ nhạy cao; phần mềm đo, thu thập xử lý số liệu; nâng cao đợ xác tính đợ cao lớp biên khí (LBKQ) từ số liệu đo của hệ Lidar; thí điểm đo kiểm chứng xử lý số liệu khu vực Hà Nội Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu ở kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm về nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống Lidar để thiết kế Nghiên cứu mô thông số kỹ thuật phần cứng để kiểm tra đánh giá các thơng số kỹ tḥt modul phần cứng tích hợp hệ Lidar trước chế tạo So sánh kết tính tốn lý thút với kết đo thực nghiệm; So sánh kết đo với kết đo của hệ đo khác hay phương pháp đo khác Các đóng góp luận án Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí khí tối ưu gồm: kiểm tra đánh giá các thông số kỹ thuật modul phần cứng tích hợp hệ Lidar từ kết chạy chương trình mơ phương trình Lidar trước chế tạo; đề xuất quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar; tự động chuyển chế độ đo phù hợp với thông số đầu vào về môi trường đo chế độ kết hợp với trạm đo khác Xây dựng phần mềm đo, thu thập, xử lý số liệu phương pháp tính đợ cao lớp biên khí từ số liệu Lidar với nội dung: Phần mềm đo, thu thập xử lý kết đo mây sol khí khí theo thời gian thực với độ phân giải không gian cao (1-3m); đề xuất giá trị giãn nở a tối ưu để tính độ cao LBKQ hoặc lớn 24m cho hệ Lidar nghiên cứu, thiết kế chế tạo Thuật toán, chương trình xử lý số liệu Lidar để tính biến đổi wavelet hiệp phương sai (WCT) độ cao LBKQ từ số liệu Lidar thu Bố cục luận án Bố cục luận án gồm phần mở đầu, bốn chương nội dung, phần kết ḷn, danh mục cơng trình cơng bố, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục Chương Chương trình bày cấu trúc, thành phần khí, thành phần sol khí cấu thành nên lớp khí bao quanh trái đất Tổng quan về phương pháp thiết bị quan trắc sol khí khí hệ Lidar đề xuất một số vấn đề nghiên cứu Chương Chương trình bày lý thuyết q trình vật lý tán xạ đàn hồi khơng đàn hồi Cấu trúc, nguyên lý hoạt động khối cấu thành một hệ Lidar đo sol khí mơ hình toán học của các hiệu ứng vật lý hệ Lidar phương trình Lidar Chương Chương trình bày tốn xây dựng hệ Lidar thực tế để quan trắc sol khí của Viện Vật lý địa cầu; thiết kế hệ Lidar quan trắc sol khí; chương trình mơ các thơng số kỹ thuật; xây dựng hệ Lidar quan trắc sol khí theo các thông số kỹ thuật phần cứng lựa chọn chế tạo; đề xuất quy trình kỹ thuật hiệu chỉnh hệ Lidar; xây dựng phần mềm đo thu thập số liệu; chế độ đo theo các thơng số mơi trường Chương Chương trình bày phần mềm xử lý số liệu đo của hệ Lidar nghiên cứu, chế tạo hoàn thiện Xác định độ cao LBKQ ở Hà Nội một số thời điểm các năm 2016, 2017 2018 số liệu đo Lidar thông qua phương pháp WCT với đề xuất giá trị giãn nở a lớn hoặc 24 m cho hệ thống Lidar nghiên cứu, thiết kế chế tạo Phần kết luận nêu đóng góp của luận án, hướng phát triển vấn đề quan tâm của tác giả luận án Chương Tổng quan về hệ Lidar quan trắc sol khí Đặt vấn đề Sol khí mợt tác nhân quan trọng gây nên thay đởi hóa học của khí quyển, thay đởi q trình hình thành mây, phản xạ hấp thụ lượng bức xạ gây nên biến đổi hệ thống thời tiết - khí hậu Nghiên cứu nâng cao khả quan trắc sol khí thiết thực công tác dự báo khí tượng, phòng chống giảm nhẹ thiên tai ở Việt Nam Hệ Lidar một thiết bị công nghệ cao sử dụng việc nghiên cứu, quan trắc khí nói chung sol khí nói riêng có hiệu 1.1 Các phương pháp đo sol khí khí Các phương pháp nghiên cứu khí nói chung đo sol khí khí nói riêng chia thành loại đo trực tiếp (tại chỗ) đo gián tiếp (viễn thám) Hình 1.1 1.1.1 Phương pháp đo sol khí trực tiếp Phương pháp đo trực tiếp phương pháp thu thập số liệu thông qua thiết bị đo đạc các đặc tính của mẫu cách tiếp xúc trực tiếp với mẫu đo Các phép đo trực tiếp có lợi điểm tham số về quang học, hóa học tính chất vật lý vi mơ xác định xác, có hạn chế khơng có đợ phân giải số liệu theo độ cao Hình 1.1 Minh họa hình thức nghiên cứu khí 1.1.2 Phương pháp đo sol khí gián tiếp (đo từ xa) Phương pháp đo từ xa kể tới kĩ thuật đo xa sử dụng sóng vơ tún – hệ rada, sử dụng ánh sáng – hệ Lidar hay phương pháp chụp ảnh vệ tinh Các kỹ thuật cho phép nhận biết mợt số các đặc trưng lý hóa của đối tượng nghiên cứu mà không cần phải tiếp cận trực tiếp đối tượng cần khảo sát Ưu điểm khả phân giải về thời gian không gian của thiết bị đo tham số cần quan trắc Hệ Lidar quan trắc sol khí thiết kế theo hai cấu trúc bản: Đồng trục (mono-static) khơng đồng trục (bi-static) Hình 1.2 Hình 1.2 Cấu trúc hệ Lidar theo kiểu đồng trục không đồng trục Trong cấu trúc không đồng trục, thiết bị phát bố trí độc lập với thiết bị thu nhận với một khoảng cách tương đối xa Tuy nhiên, hiện cấu trúc hệ Lidar thiết kế kiểu đồng trục phổ biến Thiết bị phát laser bố trí ở vị trí với thiết bị thu Kiểu thiết kế bố trí theo hai cách khác một trục hoặc hai trục 1.1.3 Ứng dụng hệ Lidar giới và tại Việt Nam Trên thế giới, MPLNET mạng trạm của NASA từ năm 2000, sử dụng mạng thiết bị Lidar để nghiên cứu phân bố sol khí mây theo chiều thẳng đứng liên tục ngày đêm, Ở Việt Nam, Lidar sử dụng dự báo úng ngập, triều cường Sở Khoa học Cơng nghệ Thành phố Hồ Chí Minh triển khai Nghiên cứu sol khí hệ Lidar ở mợt số sở: Viện Điện tử, Viễn thông (Viện KH&CN Quân sự), Viện Vật lý địa cầu, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam 1.2 1.2.1 Các nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar đo sol khí Trên giới Năm 2001-2002 trường đại học Địa vật lý Hành tinh ở Manoa, Honolulu, Hawai nghiên cứu, phát triển đưa vào sử dụng Lidar nhỏ để đo tán xạ sol khí Hình1.3 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc ảnh hệ Lidar ĐH Địa vật lý Hành tinh Manoa, Honolulu, Hawai Năm 2003 tác giả Hyo Sang Lee cộng sự công bố sáng chế Mỹ [49] về hệ Lidar kỹ thuật số di động với 67 điểm bảo vệ về hệ thống Năm 2010 tác giả Hyo Sang Lee cộng sự công bố sáng chế Mỹ [50] về về hệ Lidar kỹ thuật số di động nâng cao với 95 điểm bảo vệ về hệ thống Năm 2011 tác giả David S Hall, Los Altos Hill công bố sáng chế Mỹ [26] về hệ thống Lidar có đợ xác cao với 25 điểm bảo vệ Hệ Lidar Hình1.4 thiết bị thuộc mạng trạm MPLNET của NASA, hoạt động ở chế độ Rayleigh a) Hệ lidar đo cố định b) Hệ lidar đo di động Hình 1.4 Ảnh thiết bị Lidar NASA chế tạo Hệ Lidar cố định sử dụng Viện Vật lý địa cầu sản phẩm thương mại của NASA 1.2.2 Ở Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar ứng dụng đo đạc các thông số khí quyển” mã số KC.01.21/06-10 PGS.TS Nguyễn Thế Hiếu [4] Hình 1.5 Hình 1.5 Ảnh hệ Lidar của đề tài KC.01.21/06-10 Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Văn Hải về “Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của sol khí tầng khí quyển” năm 2014 [3] Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Xuân Tuấn về “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật Lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ mật độ khí quyển” năm 2016 [9] 1.3 Phương pháp xác định độ cao LBKQ số liệu Lidar 1.3.1 Trên giới Trong sử dụng số liệu Lidar để xác định độ cao LBKQ [23] Vanessa Caicedo cộng sự nêu ba phương pháp để tính đợ cao lớp biên khí quyển: Phương pháp gradient, phương pháp phân tích cụm phương pháp Haar wavelet sử dụng số liệu từ thiết bị đo Vaisala CL31 Rajitha Paleti công sự đề xuất phương pháp Wavelet để xác định chiều cao lớp ranh giới khí từ tín hiệu Lidar [61],[80] Phương pháp WCT sử dụng để tính toán sự thay đổi tín hiệu lidar đo 1.3.2 Ở Việt Nam Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar ứng dụng đo đạc các thông số khí quyển” mã số KC.01.21/06-10 PGS.TS Nguyễn Thế Hiếu [4] chủ nhiệm Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Văn Hải về “Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của sol khí tầng khí quyển” năm 2014 [3] Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Xuân Tuấn về “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật Lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ mật độ khí quyển” năm 2016 [9] Trong kết nghiên cứu phương pháp, thuật toán để tính đợ cao lớp biên khí từ số liệu Lidar chưa nghiên cứu Kết luận chương Trong các nghiên cứu về hệ thống Lidar nước quốc tế tác giả trình bày ở trên, có mợt số nợi dung chưa thấy đề cập đặc biệt nghiên cứu Việt Nam: + Kiểm tra đánh giá thông số kỹ thuật modul phần cứng tích hợp hệ Lidar từ kết chạy chương trình mơ phương trình Lidar trước chế tạo + Quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar với các bước hiệu chỉnh cụ thể có tính toán đo nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu, tăng độ nhạy thiết bị + Các chế độ đo phù hợp với thông số đầu vào về môi trường đo (nhiệt độ, độ ẩm, mây mưa) chế độ kết hợp với trạm đo khác để giải quyết các phép đo phức tạp khí + Xây dựng thuật toán chương trình xử lý số liệu Lidar để tính độ cao LBKQ từ số liệu Lidar, áp dụng cho khu vực Hà Nội Chương Phương pháp quan trắc sol khí hệ Lidar Tán xạ đàn hời ( tán xạ Mie – Rayleigh) Trong khí trái đất tồn nhiều thành phần vật chất có cấu tạo dạng hạt với hình dạng, kích thước khác Tán xạ đàn hồi xảy hạt miêu tả tổng quát theo lý thuyết tán xạ Mie – Rayleigh, thông thường người ta gọi chung tán xạ Mie Với hạt sol khí thường tồn dải kích thước từ 10-8 ÷ 10-2 m lý thuyết tán xạ đàn hồi tuân theo lý thuyết tán xạ Mie [81] Hình 2.1 Tán xạ đàn hồi các hạt có kích thước khác với bước sóng ánh sáng kích thích Hình 2.1 thể hiện sự tương ứng kích thước hạt tán xạ lý thuyết tán xạ Trong đó: Đo tín hiệu Lidar thu tán xạ Rayleigh của sol khí đến độ cao 15km với độ phân giải khoảng 30m điều kiện thời tiết thuận lợi; So sánh số liệu quan trắc sol khí với số liệu đo sol khí của thiết bị hoặc phương pháp khác; Bợ số liệu tín hiệu đo mây, sol khí khu vực Hà Nội tính độ cao LBKQ từ số liệu thu nhằm sử dụng cho tính toán, hiệu chỉnh ảnh hưởng của sol khí tới ảnh vệ tinh biến số đầu vào để chạy mơ hình vận chuyển sol khí 3.2 Thiết kế hệ Lidar Hầu hết các hệ Lidar đều có cấu tạo gồm có: Hệ phát (laser phát); hệ quang học (kính thiên văn, các phin lọc, bộ phân cực …); sensor thu nhận tín hiệu tán xạ phản xạ (PMT, APD); hệ điện tử điều khiển, phần mềm thu thập xử lý số liệu 3.2.1 Lựa chọn số modul phần cứng Chọn laser phát cho hệ Lidar Laser LOTIS LS - 2137U có đợ phân kỳ buồng bơm laser que kép đặc biệt Hình 3.1 [57] Hình 3.1 Ảnh khối phát tia Laser của Laser LOTIS Khối thu của hệ Lidar có nhiệm vụ thu thập tín hiệu tán xạ ngược biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Khối thu gồm có kính thiên văn, hệ quang học (thấu kính, kính lọc và khối tách chùm tia) nhân quang điện (PMT) Hình 3.2 11 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc khối thu 3.2.2 Chế tạo số modul phần cứng Tác giả thiết kế, chế tạo một số modul phần cứng như: - Bộ nguồn cung cấp điện áp cho các bợ phận cấu thành các mạch điện tử Nó điều khiển hệ số khuếch đại PMT việc điều khiển điện áp ở chân điều khiển Hình 3.3 Nguồn cung cấp sử dụng lúc cho 03 PMT (loại H6780-03 H10722-1) với kích thước hình học (240 x 210 x 90) mm Các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, mưa ) Mạch nguồn cấp Ống nhân quang điện (PMT) Mạch điện tử phụ trợ Hình 3.3 Sơ đồ khối ảnh bộ nguồn cung cấp điện áp cho hệ Lidar - Thiết kế chế tạo bộ giá đỡ hệ quang học thu Để chùm tia sáng lối của kính thiên văn Φ = 40 mm tập chung mặt thu ánh sáng của PMT Φ = mm lọc bỏ nhiễu cần có bợ gá đỡ hệ quang 12 học liên kết các linh kiện với với kính thiên văn Các bộ phận quang học thu tác giả chế tạo Hình 3.4 Hình 3.4 Ảnh các bộ phận quang học thu 3.3 Mô phỏng thơng số hệ Lidar Tác giả xây dựng chương trình mô các thông số kỹ thuật hệ Lidar theo phương trình Lidar (3.1) Mơ cần thiết việc kiểm chứng sự lựa chọn chế tạo modul phần cứng tích hợp cho hệ Lidar Kết của chương trình mơ so sánh với đường mật độ phân tử khí theo độ cao của NASA Phương trình Lidar (3.1) tính số lượng photon tán xạ thu so với số lượng photon phát từ laser (3.1) NS(λ,R): Số photon thu bước sóng λ ở khoảng cách R NL(λL): Số photon phát bởi laser [β(λ,λL,θ,R)]: Hệ số tán xạ ngược của photon va đập vào đối tượng ở khoảng cách R với góc ∆R: Đợ dầy khoảng cách thâm nhập của xung laser; A: Diện tích kính thu thiên văn R: Khoảng cách từ laser phát đến đối tượng tán xạ [T(λL,R)T(λ,R)]: Hệ số truyền ánh sáng từ laser phát đến đối tượng tín hiệu tán xạ trở về trở lại từ đối tượng đến kính thiên văn η(λ,λL) : Hệ số hiệu suất của hệ quang học; G(R):Hệ số hình học của hệ thống; NB: Nhiễu nền các nhiễu khác 13 Start Epul, λL, RTmirror, TAtmos, P, T, A, zR, nair, h, c N L ( L ) = E pule * L hc NTr = N L * RTmirror * TAtmos P  m ( , z R ,  =  ) = 2.938*10−32 * 4.0117 T  N R = NTr *  m ( , z R ,  =  ) nair N Pr imary = N R * TAtmos * A receiver = R Pr imary * TTmirror * TIF * QE N p = receiver * N Pr imary Vẽ đồ thị Np theo độ cao zR Vẽ đồ thị Np hiệu chuẩn theo độ cao zR Kết thúc Hình 3.5 Lưu đồ mơ Lưu đồ mơ Hình 3.5 các thông số hệ Lidar nhằm đạt mục tiêu sau: Biết trước tín hiệu thu từ hệ thống Lidar thực thông qua kết chạy mô phỏng; đánh giá khả hiệu suất của hệ Lidar chế tạo; cung cấp thông số kỹ thuật để chế tạo phát triển hệ Lidar; so sánh số liệu đo từ hệ Lidar thực tế với kết mơ Hình 3.6a kết chạy mô với các thông số kỹ thuật đầu vào của hệ Lidar theo phương trình Lidar Hình 3.6b đường mật đợ 14 phân tử khí ngày 01 tháng năm 2016 vĩ độ 21.00, kinh độ 106.00 Độ cao (Km) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 theo số liệu mơ hình ch̉n MSIS-E-90 của NASA 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 Mật độ phân tử khí (e+19) b a Hình 3.6 (a) tín hiệu Rayleigh mô hiệu chỉnh theo độ cao; (b) tín hiệu mật đợ phân tử khí theo MSIS-E-90 3.4 Hiệu chỉnh hệ Lidar Khi một hệ Lidar chế tạo xong cần hiệu chỉnh theo mợt quy trình đặt trước Tác giả sử dụng phương pháp chia kính thiên văn thành các cung ¼ Hình 3.7 tín hiệu đo của hệ Lidar thực tế sau cân bằng; chỉnh trục quang của laser với trục quang của kính thiên văn song song với tinh chỉnh hệ khí đỡ laser theo các hướng đông, tây, nam bắc Hình 3.7 Tín hiệu Lidar thu từ các hướng sau hiệu chỉnh 15 3.5 Xây dựng chương trình phần mềm đo và lưu trữ số liệu Hình 3.8 sơ đồ khối chương trình cài đặt các thơng số hệ Lidar lưu trữ số liệu đo viết ngôn ngữ LabView Hình 3.8 Sơ đồ khối chương trình cài đặt thơng số, lưu trữ số liệu Chương trình cài đặt thơng số lưu trữ số liệu máy tính xuất hiện giao diện người sử dụng Hình 3.9 Hình 3.9 Giao diện chương trình thu tín hiệu Lidar 16 Kết luận chương Tác giả nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar nghiên cứu môi trường khí theo các thông số kỹ thuật phần cứng tích hợp tối ưu từ chương trình mơ phương trình Lidar Đề xuất mợt quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar sau chế tạo, giảm bớt thời gian hiệu chỉnh thiết bị trước đo, tăng độ nhạy của thiết bị Xây dựng phần mềm kết nối thiết bị người sử dụng ngôn ngữ Labview Các thông số kỹ thuật của hệ cài đặt giao diện người sử dụng tự động chuyển sang các chế độ đo phù hợp nhờ các sensor đầu vào Chương Xử lý kết quả đo và phương pháp tính độ cao lớp biên khí tại khu vực Hà Nội Đặt vấn đề Các phép đo Lidar thường xuyên cung cấp chuỗi số liệu liên tục về thành phần cấu trúc khí LBKQ nơi xảy sự trao đổi nhiệt, động lượng độ ẩm bề mặt nằm bên tầng đối lưu tự bên 4.1 Phần mềm xử lý số liệu đo Hình 4.1 sơ đồ khối biểu diễn kết đo của hệ Lidar Hình 4.1 Sơ đồ khối vẽ kết đo 17 Hình 4.2a đồ thị biểu diễn kết chạy chương trình mơ theo phương trình Lidar với các thơng số đầu vào: EL=180 mJ, λ = 532nm, Φ = 8mm, τ = 8ns, f = 10Hz; hệ số khuếch đại PMT (104) a b Hình 4.2 Tín hiệu Lidar mô (a); tín hiệu Lidar (b) λ =532nm 30phút ngày 26/10/2016 Hình 4.2b biểu diễn tín hiệu thu hệ Lidar chế tạo thời điểm 9h30 ngày 26/10/2016 với thông số kỹ thuật các thông số mô với góc ngẩng của hệ 250 4.2 Đo thử nghiệm và đánh giá kết quả đo hệ Lidar tại Hà Nội Hình 4.3a dạng tín hiệu đo ngày 01/9/2012 thiết bị của NASA Hình 4.3b tín hiệu đo hệ Lidar nghiên cứu chế tạo a b Hình 4.3 (a) tín hiệu Lidar đo lúc 17 (01/9/2012), (b) tín hiệu Lidar đo lúc (26/10/2016) 18 Hình 4.4 tín hiệu Lidar chế tạo thu khoảng thời gian 21 phút (từ 18 16 phút đến 18 37 phút) ngày 24/11/2016 Hình 4.4 Tín hiệu Lidar đo lúc 18 16 -18 37 phút 4.3 Tính độ cao lớp biên khí số liệu Lidar Trong luận án, trình bày phương pháp WCT để tính toán đợ cao LBKQ từ số liệu hệ Lidar đo sol khí; đề xuất phương pháp xác định giá trị giãn nở a tối ưu để xác định độ cao LBKQ Biến đổi WCT định nghĩa sau: W f (a , b) = rt f (r)h ( a rb Trong đó: r−b a ) dr (4.1) - Wf(a,b) biến đổi wavelet liên tục của hàm f(r); r độ cao - f(r) tín hiệu tán xạ Lidar hiệu chỉnh theo đợ cao có giá trị f (r) = P(r)r2; P(r)r2 tín hiệu tán xạ thu có hiệu chỉnh theo đợ cao của hệ Lidar; rb rt giới hạn của trắc đồ tương ứng Hàm Haar lấy giá trị theo biểu thức (4.2) h (4.2) a tỷ lệ (scale) giá trị giãn nở, yếu tố quan trọng cho phép thay đổi độ phân giải độ cao; b vị trí dịch chuyển 19 Hình 4.5 lưu đồ thuật toán tính toán sự phụ thuộc của biến đổi WCT phụ thuộc vào giá trị giãn nở a Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán xác định WCT phụ tḥc giãn nở a Hình 4.6 tín hiệu hệ Lidar đo Viện Vật lý địa cầu lúc 18 ngày 09/03/2018 Hình 4.6a tín hiệu thu hiệu chỉnh theo đợ cao Hình 4.6b đồ thị biểu diễn WCT của tín hiệu Lidar thu với các giá trị giãn nở a khác với việc sử dụng ngôn ngữ Matlab để tính theo lưu đồ thuật toán ở Hình 4.5 20 a b Hình 4.6 (a) Tín hiệu Lidar thu hiệu chỉnh theo độ cao (b) WCT phụ tḥc vào đợ giãn nở a Hình 4.7a lưu đồ thuật toán tính toán sự phụ thuộc độ cao LBKQ vào giá trị giãn nở a a b Hình 4.7 (a) Lưu đồ thuật toán xác định độ cao LBKQ phụ thuộc giãn nở a; (b) sự phụ thuộc độ cao LBKQ vào giãn nở a 21 Với giá trị độ cao LBKQ nhỏ 3000m [17],[28] Giá trị sai số độ cao LBKQ khoảng ±1% LBKQ tương ứng ± 30m Từ lưu đồ thuật toán xác định độ cao LBKQ phụ thuộc giãn nở a Hình 4.7a Tác giả xây dựng chương trình tính độ cao LBKQ ở khu vực Hà Nội phụ thuộc vào giá trị giãn nở a ngôn ngữ Matlab Kết tính toán độ cao LBKQ vào ngày 9/3/2018 Hình 4.7b theo các số liệu Lidar thu Kết chạy chương trình cho thấy, hệ Lidar tác giả thiết kế chế tạo với giá trị giãn nở a hoặc lớn 24m giá trị đợ cao LBKQ gần trùng Hình 4.8a,b tín hiệu độ cao LBKQ mây Hà Nội ngày 31/11/2016 lúc 18 ngày 9/4/2018 lúc 18 xử lý thuật toán WCT với bước chạy 3m giá trị a = 60m từ số liệu hệ Lidar thu a b Hình 4.8 a, b ảnh độ cao LBKQ mây ngày 31/11/2016 ngày 9/4/2018 Kết luận chương Tác giả phân tích, đánh giá số liệu của hệ Lidar nghiên cứu, chế tạo hoàn thiện Viện Vật lý địa cầu Xử lý tín hiệu Lidar thu các tháng 10-11/2016 biểu diễn mây thu thông qua đồ thị chương trình chuyên dụng (tự phát triển) So sánh dạng tín hiệu đo với dạng tín hiệu thu của hệ Lidar MPLnet của NASA, bóng thám khơng cho kết tương đồng 22 Xác định độ cao LBKQ ở Hà Nội một số thời điểm các năm 2016, 2017 2018 số liệu đo Lidar thông qua phương pháp WCT Trên sở tính toán thực nghiệm đề xuất giá trị giãn nở a lớn hoặc 24m cho hệ Lidar nghiên cứu, thiết kế chế tạo Áp dụng phương pháp WCT với giá trị giãn nở a đề xuất cho xử lý tín hiệu của hệ Lidar cho kết tốt KẾT LUẬN Luận án tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử với tiêu đề “Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống Lidar quan trắc sol khí” đạt kết sau: • Hoàn thành mục tiêu đặt ra: + Tự xây dựng, tích hợp mợt hệ Lidar quan trắc sol khí tối ưu về nhiều mặt như: Các modul phần cứng tích hợp lựa chọn chế tạo kiểm chứng phần mềm mô theo phương trình Lidar; phương pháp hiệu chỉnh hệ thống để đạt phép đo có đợ nhạy cao; phần mềm đo, thu thập xử lý số liệu + Nâng cao đợ chính xác tính đợ cao lớp biên khí từ số liệu đo của hệ Lidar xây dựng; thí điểm đo kiểm chứng xử lý số liệu khu vực Hà Nợi • Hai kết khoa học của tác giả: ✓ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí khí tối ưu gồm: + Kiểm tra đánh giá các thông số kỹ thuật modul phần cứng tích hợp hệ Lidar từ kết chạy chương trình mơ phương trình Lidar trước chế tạo; + Đề xuất quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar với các bước hiệu chỉnh cụ thể có tính toán, đo đạc nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu, tăng độ nhạy thiết bị 23 + Các thông số kỹ thuật của hệ Lidar cài đặt giao diện người sử dụng; chế độ đo phù hợp với thông số đầu vào về môi trường đo (nhiệt độ, độ ẩm, mây mưa) chế độ kết hợp với trạm đo khác để giải quyết các phép đo phức tạp khí ✓ Xây dựng phần mềm đo, thu thập xử lý số liệu phương pháp tính đợ cao lớp biên khí từ số liệu Lidar với nội dung: + Phần mềm đo, thu thập xử lý kết đo mây sol khí khí theo thời gian thực với độ phân giải không gian cao (1-3m) Thu thập xử lý số liệu quan trắc mây sol khí khí năm 2016, 2017 2018 (khu vực Hà Nội) Kết dạng tín hiệu đo với dạng tín hiệu của hệ Lidar MPLnet của NASA, bóng thám khơng tương đồng + Đề xuất giá trị giãn nở a tối ưu để tính độ cao LBKQ hoặc lớn 24m cho hệ Lidar nghiên cứu, thiết kế chế tạo Viện Vật lý địa cầu Đưa thuật toán, chương trình xử lý số liệu Lidar để tính WCT độ cao LBKQ từ số liệu Lidar thu Áp dụng xác định độ cao LBKQ Hà Nội vào một số ngày năm 2016, 2017 2018 • Hướng phát triển tiếp theo của luận án + Tích hợp các modul điều khiển chuyển động, thuật toán điều khiển bám chương trình thu thập số liệu đồng bợ để hệ Lidar hoạt đợng ở chế đợ quan trắc sol khí theo chiều + Nghiên cứu thuật toán để tính tốc đợ gió ở đợ cao từ 100 mét trở lên từ số liệu Lidar với mục đích có bợ số liệu về tốc đợ gió, hướng gió phân giải theo khơng gian thời gian phục vụ cho quy hoạch, phát triển điện gió ở Việt Nam Với kết đạt của tác giả thời gian thực hiện Khẳng định nghiên cứu thiết kế, chế tạo hồn thiện hệ Lidar ln lĩnh vực nghiên cứu của ngành điện tử, tin học tự đợng hố nói chung lĩnh vực chế tạo thiết bị khoa học nói riêng ở Việt Nam 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ A.D Tuan, N.X Anh and T.P Hung (2017), “The Simulation of aerosol Lidar developed at the Institute of Geophysics ”,Journal of Marine Science and Technology, Vol 17, No 4B, pp 51-57, ISSN 1859-3097 Âu Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Anh, Thái Quang Vinh Trần Phúc Hưng (2019), “Sol khí độ cao lớp biên khí khu vực Hà Nội qua số liệu Lidar”, Tạp chí công nghiệp mỏ, Số 2, Tr.76-81, ISSN 0868-7052 Phạm Xuân Thành, Nguyễn Xuân Anh, Phạm Lê Khương, Đỗ Ngọc Thúy, Hoàng Hải Sơn, Nguyễn Xuân Sơn Âu Duy Tuấn (2015), “ Đặc điểm độ dày quang học sol khí từ số liệu các trạm AERONET Việt Nam so sánh chúng với số liệu MODIS”, Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất, Số 37, Tr.252-263, ISSN 0866-7187 A P Chaikovsky, A I Bril, A S Fedarenka, V A Peshcharankou,…Nguyen Xuan Anh, Pham xuan Thanh, Nguyen Van Hiep, Au Duy Tuan, (2020), “Synergy of Ground-based and satellite optical remote measurements for studying atmospheric aerosols”, Journal of Applied Spectroscopy, Vol 86, No 6, pp 1092-1099, DOI 10.1007/s10812-020-00945-z Âu Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Anh Nguyễn Thế Truyện (2016), “Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống Lidar quan trắc sol khí – Mô Lidar”, Hội thảo toàn quốc về điện tử, truyền thông và Công nghệ thông tin REV-2016 Âu Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Anh, Trần Phúc Hưng Thái Quang Vinh (2019), “Research for the improvement of an aerosol Lidar system”, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ về Điều khiển Tự đợng hố VCCA-2019 ... trúc, thành phần khí, thành phần sol khí cấu thành nên lớp khí bao quanh trái đất Tổng quan về phương pháp thiết bị quan trắc sol khí khí hệ Lidar đề xuất một số vấn đề nghiên cứu Chương... Nguyễn Thế Truyện (2016), ? ?Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống Lidar quan trắc sol khí – Mô Lidar”, Hội thảo toàn quốc về điện tử, truyền thông và Công nghệ thông tin REV-2016 Âu Duy... Nội Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu ở kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm về nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống Lidar để thiết kế Nghiên cứu mô thông số kỹ