2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu
Trong quá trình xử lý tín hiệu lidar từ file dữ liệu số dạng .txt. Dữ liệu thô thu nhận trên máy tính thông qua phần mềm Labview kết nối qua cổng USB với máy tính. Trước khi tính toán các thông số quang đặc trưng của son khí sử dụng tín hiệu đo này thì từ tín hiệu thô đó chúng ta cần thực hiện 2 bước chuẩn hóa cơ bản và 2 bước đánh giá chất lượng tín hiệu như sau [51, 52]:
Bƣớc 1: Chuẩn tín hiệu lidar theo thời gian và cường độ:
Dịch chuyển mức trigger của tín hiệu về mốc thời gian 0 và trừ nền gây ra offset cường độ về mức cường độ 0.
Bƣớc 2: Lấy trung bình nhiều tín hiệu:
Chất lượng tín hiệu sẽ tăng lên khi lấy trung bình nhiều tín hiệu, tuy nhiên điều này sẽ làm giảm độ phân giải về mặt thời gian đối với đối tượng quan trắc.
Tuy nhiên, khi tín hiệu đã được chuẩn hóa trước khi sử dụng việc đánh giá chất lượng tín hiệu là rất cần thiết. Việc đánh giá chất lượng tín hiệu có hai ý nghĩa cơ bản là:
Thứ nhất cho phép chúng ta có những đánh giá cho quá trình thiết lập hệ đo, nhằm mục đích điều chỉnh tối ưu tín hiệu thu nhận trong điều kiện khí quyển thực tế.
Lựa chọn các số liệu với độ chính xác cao sử dụng để tìm các tham số vật lý của đối tượng quan trắc, khi đó sai số gặp phải sẽ được giảm thiểu.
Bƣớc 3: Chuẩn hóa tín hiệu theo khoảng cách và so sánh với tín hiệu radiosonde.
Để đánh giá chất lượng của tín hiệu chúng ta sẽ so sánh đường tín hiệu đo với một đường tín hiệu khác được đo theo phương pháp độc lập. Theo lý thuyết tán xạ đàn hồi sự phụ thuộc của tín hiệu đàn hồi xảy ra trên các phân tử khí trong miền không còn son khí (trên 5 km so với mặt đất) sẽ tỉ lệ với mật độ phân tử khí tại đó. Vì vậy, việc vẽ đồng thời đường log của cường độ tín hiệu sau khi loại bỏ sự phụ thuộc vào khoảng cách (I.z2
) sẽ cho đường song song với đường mật độ khí theo số liệu của phép đo radiosonde hoặc theo tính toán của mô hình chuẩn MSIS-E-90 của NASA, như Hình 2.25 [68].
Bước 4: Tìm đặc trưng tỉ số tín hiệu trên nhiễu đánh giá chất lương tín hiệu thu nhận
Đánh giá chi tiết hơn chất lượng của tín hiệu lidar chúng tôi tiến hành xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng biểu thức lý thuyết sau [46]:
𝑆𝑁𝑅 = 𝑃𝑠𝑖𝑔
𝑃𝑠𝑖𝑔+2𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 (2.2)
Trong đó SNR - Signal to noise ratio là tỉ số tín hiệu trên nhiễu, Psig là cường độ tín hiệu trung bình chuẩn hóa theo khoảng cách đo - I.z.z, Pnoise là độ lệch chuẩn của cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo khoảng cách tuân theo phân phối chuẩn Gauss. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu là một tham số quan trọng được sử
dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu, chất lượng và khả năng quan trắc xa của mỗi hệ lidar. Khi xử lý tín hiệu lidar xác định các thông số của đối tượng trong miền quan trắc thường sẽ xét tới khoảng cách có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 10.
Trong phép đo lidar để đánh giá chất lượng tín hiệu đo một phương pháp đơn giản là so sánh đường log(I.z2) với đồ thị phân bố mật độ phân tử (theo mô hình chuẩn MSIS-E-90 của NASA). Sự phù hợp của đường tín hiệu đo và đường
T ỉ l ệ t ổn g x u n g laser đ ếm đ ƣợ c 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 0 200 400 600 Height (km) C o u n ts 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 200 400 600 Height (km) C o u n ts 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 200 400 600 Height (km) C o u n ts Khoảng cách đo (km)
Hình 2.24: a): Tín hiệu thô ghi nhận trực tiếp từ hệ lidar đếm photon trong thời gian 5 phút tương đương 3.000 xung, b): tín hiệu sau khi dịch chuẩn gốc tọa độ, c): sau khi lấy trung bình 10 lần đo tương đương 30.000 xung laser.
1 0 đ ơ n vị cƣ ờ n g đ ộ 1 0 đ ơ n vị cƣ ờ n g đ ộ 1 0 đ ơ n vị cƣ ờ n g đ ộ Vị trí 5,5 km Vị trí 5,5 km Vị trí 5,5 km a) b) c) Cƣờ n g đ ộ tín h iệu (a.u )
mật độ khí thể hiện trên Hình 2.25 là tốt và cho ta biết chất lượng tín hiệu đo có thể đáng tin cậy tới khoảng cách ~19 km.
Bên cạnh đó để đánh giá chất lượng tín hiệu chúng ta dựa vào đồ thị tỉ số tín hiệu trên nhiễu được đưa ra trong Hình 2.26. Từ đồ thị này chúng ta xác định tín hiệu của phép đo có độ tin cậy khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 1 [46]. Khi tỉ số này nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì điều đó có nghĩa để tách tín hiệu ra khỏi nhiễu trong tổng tín hiệu thu nhận là không thể thực hiện được. Đối với tín hiệu trong phép đo này tín hiệu tin cậy của chúng ta đạt tới khoảng cách ~19 km. Chúng ta so sánh với đồ thị trong Hình 2.25 thì từ khoảng cách trên 19 km Hình 2.26: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu lidar đếm photon trong thời gian 25 phút của hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG với tần số lặp lại là 10 Hz tương đương 15.000 xung. Độ cao (km) T ỉ số tín h iệu tr ên n h iễu L og(I.z 2 ) Khoảng cách (km) Mật độ phân tử khí 5 10 15 20 25 3 4 5 6 Height (km) lo g (I *Z *Z )
Hình 2.25: Đồ thị so sánh tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử khí theo mô hình lý thuyết.
Tín hiệu lidar đếm photon
Mật độ phân tử khí
L
og(I.z
2 )
không thấy sự phù hợp tốt giữa đường tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử khí theo mô hình lý thuyết của NASA.
2.4.2. Xác định hàm chồng chập đặc trƣng của hệ lidar
Hàm chồng chập (OV – Overlap function) là hàm không gian đặc trưng của mỗi hệ lidar, cấu trúc không gian của hệ ảnh hưởng tới tín hiệu trường gần ghi nhận được. Trong Hình 2.27 là sơ đồ không gian về sự chồng chập trường của chùm laser và trường nhìn của ống kính quang học. Tại vị trí A khi không có sự chồng chập của hai trường, giá trị của hàm chồng chập bằng không (trong khoảng cách từ vị trí A trở về telescope tín hiệu lidar bằng 0), vị trí B là điểm khi một phần trường của chùm laser chồng chập với trường của telescope nhưng chưa hoàn toàn (trong khoảng AC: 0 < OF < 1, một phần tín hiệu tán xạ được ghi nhận, cường độ tín hiệu ghi nhận chỉ là một phần cường độ tán xạ ngược), tại vị trí C là điểm bắt đầu hàm chồng chập bằng 1: sự chồng chập là hoàn toàn (từ khoảng cách này trở ra tín hiệu tán xạ không còn phụ thuộc vào đặc trưng không gian của hệ đo). Hình 2.8 thể hiện cường độ tín hiệu khi chưa kể tới hàm chồng chập, sau khi tính tới và hàm chồng chập và đồ thị hàm đặc trưng của hệ đo tương ứng.
Hình 2.27. Sơ đồ không gian chồng chập của chùm tia laser và trường nhìn của telescope [46].
Nếu giả thiết trục của chùm tia laser và trục quang của kính thiên văn là song song thì khoảng cách R mà từ đó tham số đặc trưng OF của hệ lidar sẽ bằng 1, hay nói cách khác chùm tia sẽ hoàn toàn vào trong trường nhìn của telescope. Khoảng cách R được xác định theo công thức 2.3 sau đây [66]:
𝑅 =𝑙− 𝑑 1
2+𝑑 2 2
𝜙1−𝜙2 (2.3)
Áp dụng xác định hàm chồng chập của hệ lidar nhiều bước sóng với các đặc trưng sau: góc mở tia laser YAG: Nd 2 = 0,5 mrad, góc mở trường nhìn của telescope 1 = 0,75 mrad (đường kính của SF = 3 mm), khoảng cách giữa trục tia laser và quang trục kính thiên văn là l = 0,6 m, kích thước chùm laser d2 = 6 mm và đường kính ống kính là d1 = 0,2 m. Đối với trường hợp này tại vị trí R ~2.012 m thì toàn bộ chùm tia laser sẽ nằm trong trường nhìn của telescope tương ứng vị trí C trong Hình 2.27 và tại đó hàm chồng chập bằng 1. Khi đó cường độ tín hiệu lidar chuẩn hóa không còn phụ thuộc vào khoảng cách sẽ lớn nhất (ứng với đỉnh của đồ thị hàm I.z2
vẽ theo khoảng cách đo) và tương ứng với độ cao tối thiểu hmin để hàm chồng chập - OF đạt giá trị đơn vị. Trong xử lý tín
hiệu lidar thì thông tin của tín hiệu trường gần dưới độ cao hmin có thể vẫn cần để phân tích các đối tượng quan trắc, do vậy việc nâng cao hiệu năng của phép đo trong miền trường gần là rất quan trọng, đặc biệt trong việc khảo sát lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội.
Đối với hệ đo lidar nhiều bước sóng sử dụng laser YAG: Nd công suất lớn với mục đích khảo sát đối tượng thuộc lớp cao của tầng đối lưu, như Mây Ti tầng trên, thì thiết lập hệ đo sẽ ưu tiên hơn cho việc lựa chọn thu nhận tín hiệu tán xạ đàn hồi từ tầng cao. Chính vì thế mà độ cao tối thiểu của hàm chồng chập bằng 1 bắt đầu ở vị trí hmin > 2 km. Sau đây tôi xin trình bày vắn tắt về các phương pháp xác định hàm chồng chập đặc trưng thường được sử dụng:
Về mặt lý thuyết xác định hàm chồng chập chúng ta có thể kể tới 3 phương pháp quen thuộc hay được áp dụng để tìm hàm chồng chập cho các hệ lidar đó là:
1. Phương pháp Kano – Hamilton dựa theo nguyên lý thống kê hồi quy tín hiệu ở nhiều góc đo khác nhau của cùng một hệ đo trong điều kiện khí quyển coi như không có đóng góp của son khí. Phương pháp này được áp dụng đối với các hệ lidar di động có thể thay đổi góc nghiêng khi thực hiện phép đo. Và điều kiện khi góc nghiêng thay đổi thì tính chất hệ đo là không đổi. Điều này là không phù hợp với hệ lidar YAG: Nd khi cấu trúc bộ truyền và bộ thu là không đồng trục và không thể điều khiển đồng thời [91].
2. Phương pháp xác định tham số OF bằng thuật toán tương tác - Interactive method [8, 93].
3. Phương pháp xác định hàm chồng chập sử dụng trực tiếp tín hiệu Raman của hệ đo trong điều kiện trời trong [47].
Đối với hệ đo tín hiệu trường xa sử dụng laser YAG: Nd vì không thể đồng bộ cả bộ phát và thu tín hiệu quang nên chúng tôi tiến hành xác định hàm đặc trưng phân bố trường của hệ bằng phương pháp trực tiếp sử dụng tín hiệu đo
Raman của hệ. Tuy nhiên với phép toán xác định này trong bài báo của nhóm Blbert Ansman [47] đã khẳng định phép toán gần đúng chấp nhận được là khi hệ số truyền qua của khí quyển trong giới hạn đo phải ≥ 90%. Trong điều kiện trời trong tại Hà Nội tín hiệu ghi nhận lúc 19h ngày 10 tháng 6 năm 2012 chúng tôi thu được có hệ số truyền qua của lớp son khí tầng thấp dưới 4 km đạt 92%, như vậy so với điều kiện của phương pháp tìm hàm chồng chập của nhóm tác giả thì tín hiệu của hệ đo cho phép đáp ứng tốt.
Tuy nhiên đối với điều kiện khí hậu tại Hà Nội, thời gian bầu khí quyển trong, tức là sự đóng góp của son khí là rất thấp là cực kì hiếm. Để đảm bảo tín hiệu lidar được xử lý chính xác ở trường gần thì đặc trưng hàm OF của hệ cần được cập nhật thường xuyên bởi hệ đo sẽ bị thay đổi do nhiều tác nhân như nhiệt, cơ học… để giải quyết vấn đề này chúng tôi lựa chọn giải pháp đối với hệ đo lidar thiết lập tại Viện Vật lý tại phòng riêng biệt và đặt cố định hệ trong thời gian dài quan trắc. Hạn chế tối đa những ảnh hưởng do nhiệt độ bằng cách duy trì nhiệt độ ổn định bằng điều hòa ở 25oC. Sử dụng bàn quang học có độ ổn định cao và gia cố thêm các vật nặng làm tăng trạng thái cân bằng cho chân đế nâng đỡ hệ lidar. Kết cấu các giá nâng đỡ laser, gương quang học, ống kính telescope Hình 2.29. Tín hiệu tán xạ Raman thu được từ hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG hoạt động ở chế độ đếm photon trong thời gian 20 phút tương đương 18.000 xung laser. 2 4 6 8 10 12 14 16 4 5 6 Height (km) lo g (I * Z * Z ) Lidar Molecular Tín hiệu radiosonde
Tín hiệu lidar Raman
L
og(I.z
2 )
được siết chặt và hạn chế tối đa sự điều chỉnh khi hệ đã được tối ưu tín hiệu sau lần đầu thiết lập.
Hệ đo thực hiện đồng thời phép đếm photon trên cả 2 kênh tán xạ đàn hồi và tán xạ Raman. Tín hiệu tán xạ Raman của khí N2 đạt tới khoảng cách 18 km, tín hiệu tán xạ đàn hồi Rayleigh tới khoảng cách trên 20 km, như Hình 2.10. Điều này thể hiện đóng góp của son khí ở tầng thấp trong thời gian thực hiện phép đo là rất nhỏ. Từ số liệu của phép đo chúng tôi tiến hành xử lý theo phương pháp tính trực tiếp đặc trưng hàm chồng chập – OF (overlap function) theo phương pháp của nhóm F. Navas [47] thu được hàm chồng chập của hệ lidar như trong Hình 2.31 (a).
Hàm chồng chập - overlap đặc trưng cho hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd thiết lập đo theo phương thẳng đứng được biểu diễn theo đồ thị được vẽ như trong Hình 2.31 (a), mã chương trình xác định OF của hệ từ tín hiệu Raman được trình bày trong phụ lục 2.4. Với hệ lidar bố trí mục đích đo trường xa, từ đồ thị cho phép chúng ta thấy hàm chồng chập của hệ đạt giá trị 1 ở khoảng cách R ~2,1 km. Từ hàm chồng chập đặc trưng của hệ chúng tôi tiến hành xử lý tín hiệu lidar đàn hồi trong miền trường gần, như thể hiện trong Hình 31 (b).
Hình 2.30: Tín hiệu đếm photon ghi nhận từ hệ lidar Raman ngày 20/11/2012.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 13 14 15 16 17 Độ cao (km) Cƣờ n g đ ộ (a.u)
Tín hiệu đàn hồi Tín hiệu Raman Tín hiệu radiosonde
Với tín hiệu lidar chưa tính tới OF chúng ta chỉ được phép sử dụng đến khoảng cách Rmin, tại đó vị trí khi hàm chồng chập của hệ bằng 1, với hệ lidar của chúng tôi theo tính toán hình học thì Rmin ~2 km. Từ tín hiệu Raman của hệ ta tính được vị trí OF đạt giá trị một đơn vị là ở khoảng cách 2,1 km. Điều này thể hiện hệ trục tương quan giữa chùm laser và telescope là không hoàn toàn song song, mà có góc mở nào đó. Dưới khoảng cách Rmin tín hiệu sẽ là không đáng tin cậy, thực sự tín hiệu tán xạ ngược khi đó chỉ là một phần năng lượng photon quay trở lại. Khi tín hiệu được chuẩn hóa, kể tới hàm đặc trưng overlap, thì khoảng tín hiệu tin cậy đạt tới vị trí ~450 m. Vị trí đó chúng ta có thể suy ra là điểm có cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo khoảng cách đạt giá trị cực đại như trong Hình 2.31 (b).
Hình 2.31: (a): Hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd tại Viện Vật lý, (b): Tín hiệu lidar đàn hồi trước và sau khi tính đến hàm chồng chập đặc trưng của hệ [16, 20]. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 Overlap function H ei g h (km) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 Height (km) I.z.z
Signal without overlapfunction Signal with overlapfunction
a) b ) Độ c ao (km) Giá trị hàm chồng chập I.z 2 Độ cao (km)
2.4.3. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp Mây Ti tầng cao
Trong thực nghiệm có nhiều phương pháp để xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt cũng như độ cao của lớp Mây Ti tầng cao. Một trong các