Nguyên lý đếm photon của
Xung tín hiệu quang và điện trong chế độ đếm photon được trình bày ở Hình 2.21, khi ánh sáng tới có cường độ thấp coi như các photon bay tới cathode
Khoảng cách đo (km)
Trục thời gian (µs)
Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng kênh 1064 nm và 532 nm. 1064 nm 532 nm Cƣờ n g đ ộ tín h iệu (a.u) Mức tín hiệu yếu
Photon đi tới PMT Quang điện tử sơ cấp
Xung tín hiệu ra Hình 2.21: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79].
là riêng biệt. Khi đó xung điện tương ứng là tín hiệu ra ở anode cũng sẽ rời rạc, hệ đếm hoạt động ở chế độ đếm xung riêng biệt – chế độ đếm photon. Số xung tín hiệu ra tỉ lệ trực tiếp với số lượng photon tín hiệu tới. Việc đặt mức ngưỡng thu tín hiệu điện - DL (discrimination level) cho phép loại bỏ nhiễu và sự lệch chuẩn với mức gốc 0 (offset) của cường độ tín hiệu ở chế độ đếm photon. Chế độ đếm photon có những ưu điểm vượt trội hơn chế độ tương tự bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ ổn định cao hơn. Việc xác định các xung này thông qua một quá trình xử lý số nên chế độ đếm photon được xem như một chế độ số.
Trong Hình 2.22 là ảnh tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon. Trong kỹ thuật đếm photon hoạt động theo bộ phân tích đa kênh thì chúng ta có khái niệm bin time, và mức so sánh trên. Bin time được hiểu là khoảng thời gian mặc định mà các tín hiệu trở về trong khoảng đó được cộng gộp lại và cho ra một điểm cường độ tín hiệu duy nhất, với chương trình Labview xây dựng cho hệ lidar nhiều bước sóng chúng tôi đặt bin time bằng 4 ns như vậy độ phân giải về không gian của chương trình ghi nhận là 1,2 m. Với mỗi lần lấy mẫu, tín hiệu điện xuất hiện trên đầu ra của ống nhân quang điện phân bố theo thời gian sẽ được lưu lại trong bộ nhớ tạm thời. Sau đó tùy thuộc mức ngưỡng cường độ trên do người đo thiết lập, thì các xung có cường độ lớn hơn sẽ được hiểu là xung tín hiệu. Với bin time là 4 ns, khi đó trong khoảng cách một bin time các xung xuất hiện mà lớn hơn ngưỡng sẽ được cộng dồn lại và cho một giá trị cường độ tổng hợp sau đó sẽ gán cho mức cường độ tương ứng với vị trí bin time trên khoảng đo, khi đó chúng ta xác định được một điểm cường độ tín hiệu trên miền khảo sát. Khoảng đo dài ngắn và số điểm lấy nhiều hay ít hoàn toàn phục thuộc vào số điểm lấy mẫu trong mỗi lần đo. Quá trình thu nhận xung photon trở về và ghi nhận tín hiệu được lặp lại sau mỗi xung laser. Vì đó với chế độ đếm photon để chất lượng tín hiệu tăng lên chúng ta sẽ thực hiện quá trình lấy tín hiệu lặp lại rất nhiều lần, tương đương với số xung của mỗi phép đo lên tới hàng nghìn lần lấy mẫu, tương đương hàng nghìn xung laser. Chính vì lý do đó mà dù cường độ tín
hiệu yếu và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố suy hao nhưng nguyên tắc lấy trung bình thống kê của phép đếm photon vẫn cho tín hiệu cuối cùng rất tốt.
Trong đồ thị Hình 2.22 và các hình tiếp theo trong luận án tôi thường lấy giá trị trục tung là Log(I.z2), với I là cường độ tín hiệu nghi nhận và z là khoảng cách quan trắc. Theo phương trình lidar 2.1 chúng ta dễ dàng hiểu được trị số Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon: a) Ở chế độ xung đơn, b) Trung bình của 12000 xung laser.
Cƣờ n g đ ộ tín h iệu tỉ đ ối (a.u) a) b) Khoảng cách đo (km)
Trục thời gian đo (µs)
L
og (I.z
I.z2 là đại lượng không còn phụ thuộc vào khoảng cách đo mà tỉ lệ trực tiếp với tiết diện tán xạ của khối son khí ở khoảng cách z. Log(I.z2) tỉ lệ trực tiếp với mật độ tâm tán xạ trong môi trường. Ở đây chúng ta luôn vẽ sự biến đổi của I.z2
: giá trị cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng cách, bởi tích số đó giúp chúng ta loại bỏ ảnh hưởng của khoảng cách tới cường độ tín hiệu nghi nhận.
Hệ lidar hoạt động ở chế độ tương tự được áp dụng với các phép đo thực hiện trong điều kiện ban ngày, khi cường độ nhiễu nền lớn, đồng nghĩa công suất phát laser phải lớn. Ngược lại khi hệ hoạt động ở chế độ đếm photon sẽ chỉ áp dụng quan trắc khí quyển ở điều kiện nền nhiễu thấp, vào thời gian không có mặt trời, công suất laser nhỏ và ống nhân quang điện (PMT) hoạt động ở chế độ có hệ số khuếch đại lớn cỡ x106. Ưu điểm nổi trội của kỹ thuật lidar đếm photon đã được khảng định (về độ nhạy, khả năng giảm nền nhiễu, tăng chất lượng tín hiệu đo, khoảng xa có thể quan trắc được) vì lý do đó hầu hết các hệ lidar đời mới hiện này đều hoạt động ở chế độ đếm photon. Vậy câu hỏi đặt ra là làm sao có thể nâng cấp để hệ đo có thể hoạt động ở chế độ đếm photon trong điều kiện nền nhiễu lớn? Để trả lời câu hỏi đó chúng ta có thể cải tiến cơ cấu quang hệ thu nhận. Bằng cách giảm nền nhiễu bằng phin lọc trung tính. Khi giảm nền nhiễu đồng nghĩa cũng sẽ giảm cường độ tín hiệu, vậy chúng ta sẽ đồng thời phải tăng cường độ laser kích thích thì mới có thể thỏa mãn cả hai điều kiện trên. Ở đây Hình 2.23: Hình ảnh tín hiệu thu nhận từ hệ lidar hoạt động ở chế độ đếm photon vào ban ngày tại Hà Nội.
L
og (I.z
2 ) (a.u
)
Khoảng cách (km)
Tín hiệu lidar lúc 7h sáng tại Hà Nội, ngày 8/11/2012
chúng tôi sử dụng phin lọc trung tính giảm cường độ tín hiệu x10-3 lần và ghi nhận được tín hiệu đếm photon vào 7h sáng ngày 8/11/2012 như Hình 2.12. Chất lượng tín hiệu khá tốt tới 18 km. Đây là kết quả bước đầu hứa hẹn cho việc nâng cấp hệ lidar quan trắc thời gian ban ngày sử dụng kỹ thuật đếm photon [10, 99].
2.3. Phƣơng trình lidar
Phương trình lidar cụ thể được viết dưới dạng sau [109]:
𝑃 𝑧 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂 𝑧 . 𝑍−2 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp2 − [𝜎0𝑧 𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧 (2.1) Trong đó Plaser là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ, A là tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng của hệ đo,
𝛽𝑎 𝑧 𝑣à 𝛽𝑚 𝑧 lần lượt là hàm đặc trưng cho hệ số tán xạ ngược của son khí và phân tử khí, 𝜎𝑎 𝑧 𝑣à 𝜎𝑚(𝑧) là hệ số suy hao (hay còn được gọi là tiết diện tán xạ hay suy hao không gian) của son khí và phân tử khí.
Phương trình lidar này được sử dụng để xử lý và phân tích các tín hiệu lidar với giả thiết tín hiệu lidar chỉ tán xạ một lần trong môi trường và chùm laser nằm hoàn toàn trong thị trường kính thiên văn. Đối với các môi trường khảo sát có mật độ quang học lớn, các bó photon bị tán xạ nhiều lần trong môi trường hoặc chùm laser phát ra ngoài thị trường của kính thiên văn, việc sử dụng phương trình (2.1) không còn phù hợp. Khi đó, để phân tích và xử lý tín hiệu lidar trong trường hợp đa tán xạ, ta cần xây dựng các mô hình riêng dựa trên các lý thuyết tán xạ đối với từng hạt và với cả môi trường tán xạ [87,122]. Trong luận án tôi chỉ xin dừng lại lý thuyết tán xạ đàn hồi một lần. Lý thuyết tán xạ một lần và đa tán xạ cũng được nhóm nghiên cứu thực hiện [3] và thấy sự sai khác không đáng kể giữa hai trường hợp. Vì vậy trong một giới hạn cho phép việc sử dụng lý thuyết đơn tán xạ là có thể được chấp nhận.
Trong phương trình lidar chúng ta cần xác định bốn tham số đó là hệ số suy hao của son khí, hệ số suy hao của phân tử khí, hệ số tán xạ ngược của phân tử và hệ số tán xạ ngược của son khí. Vậy chúng ta cần 4 điều kiện biên, tương đương với 4 nguồn dữ liệu độc lập. Ở đây chúng ta có mật độ phân tử khí tỉ lệ trực tiếp với hệ số suy hao của phân tử khí qua đó từ tín hiệu radiosonde cho phép xác định hệ số suy hao của phân tử khí. Chúng ta biết tỉ số giữa hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược trên phân tử khí là hằng số. Vậy chúng ta cần thêm hai phép đo độc lập để xác định hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược của son khí. Đó là cơ sở của việc xây dựng hệ lidar Raman – đàn hồi nhiều bước sóng đã được đưa ra. Từ tín hiệu Raman cho phép xác định hệ số suy hao của son khí một cách độc lập và từ tín hiệu tán xạ đàn hồi cho phép xác định hệ số suy hao của son khí.
2.4. Xử lý tín hiệu lidar 2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu 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