Xác định chênh lệch độ cao chính thông qua truyền tần số bằng sợi cáp quang

Bài viết giới thiệu khái quát về phương pháp so sánh tần số truyền qua sợi cáp quang (GOFT: Geopotentialdifferenceoptical fiber frequency transfer) để xác định chênh lệch thế trọng trường cũng như chênh lệch độ cao chính giữa hai điểm. Đồng thời giới thiệu một vài kết quả đã đạt được trên thế giới.

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000116 XÁC ĐỊNH CHÊNH LỆCH ĐỘ CAO CHÍNH THƠNG QUA TRUYỀN TẦN SỐ BẰNG SỢI CÁP QUANG Hoàng Anh Thế1,2, Nguyễn Quang Phúc3 Viện Nông nghiệp tài nguyên, Trường Đại học Vinh, Email: anhthe.dhv@gmail.com NCS Đại học Vũ Hán, Trung Quốc Khoa Trắc địa-Bản đồ Quản lý đất đai, Trường đại học Mỏ-Địa chất TÓM TẮT Bài báo giới thiệu khái quát phương pháp so sánh tần số truyền qua sợi cáp quang (GOFT: geopotentialdifferenceoptical fiber frequency transfer) để xác định chênh lệch trọng trường chênh lệch độ cao hai điểm Đồng thời giới thiệu vài kết đặt giới Từ khóa: GOFT, truyền tần số, cáp quang, trọng trường, độ cao GIỚI THIỆU Trước đây, việc xác định độ cao thường dùng phương pháp thủy chuẩn phương pháp đo GPS kết hợpsố liệu trọng lực Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm sau: (1)- Lỗi tích lũy đường dẫn thủy chuẩn làm cho độ xác khơng đảm bảo (2) – Khó kết nối độ cao hai điểm nằm hai lục địa khác (3) – Nhân lực kinh tế cho phương pháp tốn (4) – liệu trọng lực chưa đầy đủ, vùng núi độ xác chưa cao nên sử dụng để nội suy dẫn đến độ xác độ cao khơng đảm bảo Một hướng dựa thuyết tương đối rộng Einstein nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng có kết khả quan, sử dụng tín hiệu tần số để xác định chênh lệch độ cao điểm Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật so sánh tần số thông qua sợi quang từ xa [1] thúc đẩy nhà khoa học nghiên cứu đo trực tiếp khác biệt trọng trường hai điểm kết nối sợi quang [2], phương pháp xác định chênh lệch trọng trường truyền tần số qua sợi cáp quang (GOFT: geopotentialdifferenceoptical fiber frequency transfer) Ưu điểm sợi quang việc truyền tín hiệu tần số (tín hiệu ánh sáng) nằm chỗ loại bỏ nhiễu mơi trường, (nhiễu mơi trường ảnh hưởng lớn đến việc truyền tín hiệu) Nhiều tác giả xác nhận kỹ thuật truyền tần số sợi quang từ xa cung cấp so sánh tần số hai nơi cách khoảng cách từ 50 km đến 600 km mức xác từ 10−18 đến 10−19 [3,4] Do đó, kỹ thuật cung cấp ứng dụng quan trọng trắc địa PHƯƠNG PHÁP 2.1 Lý thuyết phương trình biến đổi tần số Giả sử tín hiệu có tần số f phát từ phát điểm P tín hiệu nhận thu điểm Q Do khác biệt trọng trường hai điểm này, tần số tín hiệu thu f mà f' Gọi fP fQ tương ứng giá trị f f', ta có phương trình sau [5]: f (W Q WP ) f WPQ (1) c c2 Trong phương trình (1), c vận tốc ánh sáng chân không, WP WQ trọng trường điểm P Q Phương trình (1) phương trình biến đổi tần số trọng trường mô tả mối quan hệ thay đổi tần số chênh lệch trọng trường Do đó, biết trọng trường điểm P f PQ fQ fP 202 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” trọng trường điểm Q tùy ý xác định từ cơng thức (1) cách đo thay đổi tần số Δf P Q Theo phương trình (1), thay đổi tần số ∆fPQ đo với độ xác đảm bảo, khác biệt trọng trường P Q xác định với độ xác đảm bảo theo phương trình sau: f PQ (2) WPQ c f Nếu xác định ΔWPQ, dựa vào công thức Bruns xác định chênh lệch độ cao ΔhPQ theo phương trình sau [6]: WPQ (3) hPQ Trong γ = 9,8 ms-2 giá trị trung bình trọng lực Thay ΔWPQ từ phương trình (2) vào phương trình (3) ta thu được: f PQ c hPQ (4) f 2.2 Nguyên lý truyền tần số qua sợi cáp quang Dựa vào phương trình (4), biết thay đổi tần số hai điểm ta xác định chênh cao hai điểm Có nhiều cách để xác định thay đổi tần số hai điểm: sử dụng hệ thống GNSS [7], sử dụng cáp đồng trục [8] sử dụng cáp quang [9] Hiện nay, với phát triển mạng cáp quang độ xác đồng hồ quang, phương pháp truyền tần số qua mạng cáp quang cho kết xác định thay đổi tần số với độ xác tốt Trong tài liệu [9], W.B Shen mô tả nguyên lý phương pháp so sánh tần số qua mạng cáp quang trình bày Trong Hình 1, hai trạm P Q nối với sai sợi cáp quang F1 F2.SP SQ tín hiệu tần số (lan truyền sợi F1 F2) phát phát tín hiệu quang (OSO) kết nối với đồng hồ quang CP CQ trạm P Q tương ứng Máy thu RE P (hoặc Q) nhận tín hiệu tần số từ Q (hoặc P) quan sát thay đổi tần số fObs at P (hoặc fObs at Q ) có đo (CM) F1 F2 hai sợi quang giống hệt nhau, với số khuếch đại quang để bảo tồn cơng suất tín hiệu kết hợp (theo[3]) Hai đồng hồ quang đặt điểm P Q nối với sợi quang F1 F2 (Hình 1) Bây giờ, trạm P phát tín hiệu phía trạm Q qua sợi F1 trạm Q quan sát thay đổi tần số, ký hiệu fObs at Q , biểu thị sau: fObs at Q f PQ f DPL1 f F1 f Ran1 (5) f PQ thay đổi tần số trọng lực (gây khác biệt trọng trường), f DPL1 hiệu ứng Doppler trình lan truyền tín hiệu F1, f F tổng lỗi vật lý khác f Ran1 lỗi ngẫu nhiên Đồng thời trạm Q phát tín hiệu phía trạm P qua sợi F2 tương tự có: fObs at P fQP f DPL fF f Ran (6) 203 Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 Hình Sơ đồ hệ thống truyền so sánh tần số qua sợi cáp quang Vì F2 giống hệt với F1 trạm P Q phát tín hiệu đồng thời, nên chúng tơi cho f f f DPL f F = f F f F Lưu ý rằng, f fQP , trừ phương trình DPL1 = DPL PQ (5) (6) ta thu được: f PQ fObs at Q fObs at P f Ran1 f Ran (7) 2 Từ số liệu thu hai trạm P Q, xác định thay đổi tần số trọng lực dựa công thức (7) Để tăng độ xác kết quả, tiến hành quan sát nhiều lần lấy trung bình MỘT SỐ KẾT QUẢ TRÊN THẾ GIỚI Ở Việt Nam chưa có báo cáo khoa học phương pháp GOFT, nhiên giới có nhiều học giả nghiên cứu vấn đề Năm 2012, báo cáo hội nghị GGHS (Gravity, Geoid and Height Systems) Ý Shen and Peng đề xuất chênh lệch trọng trường chênh lệch độ cao chỉnh hình hai điểm P Q kết nối sợi cáp quang xác định kỹ thuật truyền tần số qua sợi quang Cũng năm 2012, tài liệu [3], K Predehl đồng nghiệp công bố kết so sánh truyền tần số qua sợi cáp quang với chiều dài 920km Nhóm tác giả sử dụng hai sợi cáp quang dài 920 km, F1 F2, để kết nối Max Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) Garched, Đức PhysikalischTechnische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, Đức, cách khoảng cách 600 km Các sợi chạy ống dẫn cáp bên cạnh đường ống dẫn khí ngầm Kết nghiên cứu thu độ xác chênh lệch 4x10-19, kết vượt xa đồng hồ xác có Năm 2016, theo tài liệu [4] ,C Lisdat nhóm tác giả cơng bố kết thí nghiệm so sánh tần số giữahai trạm đặt viện đo lường quốc gia LNE-SYRTE Paris, Pháp PTB Braunschweig, Đức, sử dụng đồng hồ mạng tinh thể strontium Hai đồng hồ Sr cách 690 km theo đường thẳng 1.415 km liên kết sợi thực tế Đo tỷ số tần số hai đồng hồ mạng bao gồm tần số quang viện để so sánh tần số laser đồng hồ cục với laser truyền dải viễn thông 194,4 THz (1.542 nm) Độ không đảm bảo phân đoạn tồn liên kết ước tính 2,5 x 10-19 204 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” KẾT LUẬN Các kết thí nghiệm khác cho thấy độ xác đo thay đổi tần số trọng lực tín hiệu truyền qua sợi quang kiểm sốt mức 10-18 độ ổn định đồng hồ quang đạt mức 10-18 Do đó, xác định chênh lệch trọng trường chênh lệch chiều cao chỉnh hình tương ứng mức độ centimet hai điểm tùy ý kết nối sợi quang, có sẵn đồng hồ quang có độ ổn định 10-18 Giả sử hai điểm P Q đặt hai điểm tùy ý quốc giahoặc quốc gia khác ngăn cách biển (Việt Nam Indonesia),sự khác biệt trọng trường độ cao hai điểm khó khơng thể xác định thủy chuẩn thông thường GPS kết hợp trọng lực Tuy nhiên, điểm kết nối sợi quang (có thể cách thơng qua trạm trung gian), khác biệt địa chất xác định xác GOFT điều kiện có sẵn đồng hồ xác Nghiên cứu cho việc xác định chênh lệch trọng trường chênh lệch chiều cao chỉnh hình hai điểm tùy ý cách sử dụng đồng hồ quang thông qua kỹ thuật truyền tần số sợi quang có tiềm lớn đồng thời việc thực hóa GOFT góp phần vào việc thống hệ thống chiều cao khu vực (ví dụ: hệ thống chiều cao Việt Nam hệ thống chiều cao Đông Nam Á) với độ xác cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.A Diddams et al (2001) An optical clock based on a single trapped199Hg+ ion, Science, vol 293, pp 825-828 [2] W.B Shen, and Z Peng (2012) Gravity potential determination using remote optical fiber”, Presented at GGHS Symp., 9-.12 Oct, 2012, Venice, Italy, unpublished [3] K Predehl et al (2012) A 920-kilometer optical fiber link for frequencymetrology at the 19th decimal place”, Science, vol 336, pp 441-444 [4] Lisdat, C., Grosche, G., Quintin, N., et al., (2016) A Clock Network forGeodesy and Fundamental Science Nature Communications, 7, 12443 [5] W B Shen, D Chao and R Jin (1993) On the relativistic geoid Boll Geod Sci Aff., 52, 207–216 [6] W A Heiskanen and H Moritz Physical geodesy Freeman and Company, San Francisco (1967) [7] W.B Shen, X Sun, C Cai, K Wu, and Z Shen (2019) Geopotential determination based on a direct clock comparison using two-way satellite time and frequency transfer Terr Atmos Ocean Sci., 30(1), 1-11 [8] Shen, Z and W Shen (2015) Geopotential difference determination using optic-atomic clocks via coaxial cabletime transfer technique and a synthetic test GeodesyGeodyn., 6, 344-350 [9] Z Shen, W B Shen, Z Peng, T Liu, S Zhang, D Chao (2019) Formulation of Determining the Gravity Potential Difference Using Ultra-High Precise Clocks via Optical Fiber FrequencyTransfer Technique Journal of Earth Science, 30(2), p 422-428 DETERMINATION THE ORTHOMETRIC HEIGHT VIA OPTICAL FIBER FREQUENCY TRANSFER TECHNIQUE ABSTRACT The paper gives an baseview of the method of geopotential difference optical fiber frequency transfer (GOFT) to determine the difference between the geopotential and the orthometric height difference between two points And introduce some results achieved in the world Key words: GOFT, optical fiber, frequency transfer, geopotential, orthometric height 205 ... dụng cáp đồng trục [8] sử dụng cáp quang [9] Hiện nay, với phát triển mạng cáp quang độ xác đồng hồ quang, phương pháp truyền tần số qua mạng cáp quang cho kết xác định thay đổi tần số với độ xác. .. thấy độ xác đo thay đổi tần số trọng lực tín hiệu truyền qua sợi quang kiểm sốt mức 10-18 độ ổn định đồng hồ quang đạt mức 10-18 Do đó, xác định chênh lệch trọng trường chênh lệch chiều cao chỉnh... Systems) Ý Shen and Peng đề xuất chênh lệch trọng trường chênh lệch độ cao chỉnh hình hai điểm P Q kết nối sợi cáp quang xác định kỹ thuật truyền tần số qua sợi quang Cũng năm 2012, tài liệu [3],