2.1.1. Hệ lidar nhiều bƣớc sóng 2.1.1.1. Khối phát
Cấu trúc của hệ lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện trong hình 2.1. Khối phát của hệ lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2 cho phép điều chỉnh phương phân cực của chùm tia phát ra, bản phân cực này sẽ được sử dụng để chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo ở chế độ thu nhận tín hiệu phân cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ được chuyển hướng bắn từ phương ngang thành phương thẳng đứng nhờ một gương đặt với góc nghiêng 45o.
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64].
ĐẶC TRƢNG KHỐI PHÁT
Bƣớc sóng phát 1064 nm 532 nm Ý nghĩa
64 Góc mở của tia
laser
0,5 mrad // Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e2
năng lượng đỉnh xung, tương ứng 85% tổng năng lượng chùm tia
Đường kính chùm 6 mm // Xét tại trường gần của chùm tia laser Tỉ số phân cực
chùm
> 90% // Theo phương đứng
Tính hội tụ chùm < 2 // Giới hạn nhiễu xạ thơi gian tại mức cường độ 1/e2 đỉnh xung.
Tính không gian 0,7 0,95
// Theo phân bố Gauss ( đối với trường gần 1m) Đối với trường xa cách 2m
Năng lượng xung 360 mJ 180 mJ Sử dụng đầu đo công suất Năng lượng đỉnh ±2 (0,6) ±4 (1,3)
Độ dịch năng lượng
±3% ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra
Độ rộng xung ~5 ns ~4 ns FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz Độ rộng vạch 0,7 cm-1 1,4 cm-
1
Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính xác: 0,045cm-1
Độ Jitter ± 0,5 ns // So sánh với trigger và lấy trung bình của 500 xung
Tính ổn định điểm < 50 mrad
// Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200 xung tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f = 2m
2.1.1.2. Khối thu
Trong Hình 2.1 là hệ lidar phức hợp được xây dựng và phát triển tại Viện Vật lý sử dụng laser công suất cao hoạt động ở bước sóng họa ba bậc hai 532 nm. Với khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope 100 mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát của hệ có thể đồng thời khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần. Telescope nhỏ
65
quan trắc trường gần được đặt cách chùm laser (30 cm) gần hơn so với telescope lớn (cách chùm laser 80 cm) đo trường xa. Khoảng cách giữa ống kính quang học và chùm laser sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hàm chồng chập và có tác dụng giảm tín hiệu trường gần trong trường hợp muốn quan trắc đối tượng ở xa. Trong hệ quang thu nhận chúng tôi thiết kế hệ ở chế độ thu tín hiệu Raman kết hợp với phép đo tín hiệu đàn hồi trên 2 kênh phân cực của son khí trường xa và tín hiệu đàn hồi trên son khí trường gần.
Khối thu của hệ lidar: gồm một ăng ten quang học (telescope) cho phép thu nhận tín hiệu quang với bước sóng lọc lựa nhờ một phin lọc tại bước sóng 532 nm với độ rộng 3 nm. Tiếp đó tín hiệu quang được chia thành hai chùm với phương phân cực vuông góc với nhau, một phương song song với phương phân cực của chùm tia laser phát và một chùm có phương phân cực vuông góc với phương phân cực của chùm tia phát, nhờ một bản tách chùm phân cực (beams plitter). Sau đó tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua hai PMT hoạt động tại bước sóng 532 nm và sau đó chuyển sang tín hiệu số nhờ một dao động ký kết nối qua cổng USB với máy tính, nhờ chương trình nghi Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu. Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]. Telescope 100mm Laser beam 532nm Gương PMT Bản λ/2
Laser YAG.Nd: 2ω Máy tính Nguồn nuôi
ADC Telescope 250 mm
66
nhận, được lập trình bằng ngôn ngữ Labview cho phép lưu dữ dưới dạng file .txt. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của khối thu được trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64, 65, 67]. ĐẶC TRƢNG KHỐI THU Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric
Độ mở f/10
Đường kính 203.2 mm
ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN
Đầu thu PMT Hamamatsu R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương tự và đếm photon kênh 532 nm
Đầu thu APD Hamamatsu Hoạt động chế độ đo tương tự kênh 1064 nm
ĐẶC TRƢNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN VÀ XỬ LÝ
ADC 12 bit Picosope 4000 series 3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB Chương trình ghi
tín hiệu
Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt, có hai chế độ hoạt động: tương tự và đếm photon
Chương trình xử lý tín hiệu
Matlab Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các đặc trưng quang học
Trong quá trình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ lidar tại Viện Vật lý chúng tôi gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật cũng như trong quá trình quan trắc khí quyển tại Hà Nội. Bởi vậy việc nghiên cứu mở rộng quy mô đào tạo và xây dựng nhóm nghiên cứu khí quyển, môi trường… sử dụng kỹ thuật lidar sẽ là
67
một nhiệm vụ cần được phát triển, chắc chắn sẽ phức tạp và tốn kém. Bởi để thiết kế, xây dựng một hệ lidar đòi hỏi sự nghiên cứu hiểu biết kết hợp của nhiều kĩ thuật như: kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật ghép nối máy tính, kỹ thuật tính toán, khoa học về khí quyển môi trường… Bên cạnh đó yếu tố kinh tế không thể không kể đến. Bởi thực tế trước đây việc xây dựng các hệ lidar ban đầu chỉ nhằm mục đích phục vụ cho quốc phòng hoặc trong các lĩnh vực nghiên cứu dân dụng chỉ thuộc về các nước có tiềm lực kinh tế và kỹ thuật. Ngày nay các hệ lidar đã được thương mại hóa nhưng giá cả của một hệ lidar nhiều bước sóng vẫn rất lớn, giá trị thương mại lên đến hàng trăm nghìn USD, và phí vận hành thường xuyên cũng rất tốn kém. Do đó, chúng tôi định hướng xây dựng các hệ lidar có những tính năng chuyên biệt thu gọn, phù hợp với mục đích cụ thể. Với mục đích đo gần, điều chỉnh dễ dàng, có phí duy trì thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và quan trắc ở Việt Nam. Với những lý do đó một hệ lidar di động, nhỏ gọn dễ lắp đặt đã được thiết kế và phát triển tại Viện Vật lý trong năm 2012.
2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode
Với đặc điểm thời tiết tại Hà Nội những ngày trời xuất hiện nhiều sương mù thường rất phổ biến. Ví dụ trong năm 2011 số ngày trời có mù và mưa (không thể quan trắc khí quyển tầng cao) chiếm ~55% tổng số ngày trong năm (200 ngày trong năm 2011). Trong điều kiện khí quyển đó không cho phép các hệ lidar khảo sát các đối tượng trong khí quyển tầng cao, theo phương thẳng đứng hoạt động, bởi không đảm bảo an toàn và ở điều kiện đó không thể thực hiện việc quan trắc các đối tượng khí quyển tầng cao. Như vậy, đối tượng son khí trường gần là đối tượng trực tiếp, dễ dàng đo đạc và cần được quan trắc bởi vai trò trực tiếp, tức thời ảnh hưởng tới chất lượng sinh quyển và môi trường sống của con người. Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar nhỏ gọn có khả năng di động, có thể quang trắc theo các hướng khác nhau, theo thời gian liên tục đã trở nên cấp thiết trong điều kiện quan trắc ở Hà Nội. Với mục đích đó
68
chúng tôi đã nghiên cứu và phát triển một hệ lidar nhỏ gọn có tính năng di động, dễ điều chỉnh, sử dụng laser diode công suất cao, sử dụng đầu thu diode quang thác lũ, đặt trong phòng, có thể thay đổi góc quan sát và quan trắc liên tục trong mọi điều kiện thời tiết vào thời gian ban đêm. Trong chương ba và bốn chúng tôi sẽ trình bày những kết quả đầu tiên khai thác từ dữ liệu của hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao quan trắc độ cao lớp son khí bề mặt và sự phân bố lớp Mây Ti tầng cao dưới 10 km.
Trong mục này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ lidar nhỏ, di động nhằm mục đích quan trắc lớp son khí bề mặt và Mây Ti tầng cao dưới 10 km. Hệ lidar nhỏ này được phát triển trên cơ sở cải tiến kỹ thuật là:
Sử dụng laser diode công suất cao phát bước sóng 905 nm an toàn với mắt người.
Đầu thu sử dụng photodiode thác lũ hoạt động ở chế độ Geiger trong điều kiện hạ nhiệt độ thấp.
Sử dụng module ADC nhanh, phần mềm kết nối máy tính viết trên ngôn ngữ Labview cho phép ghi nhận tự động thông qua cổng USB. Những tính năng nổi bật của hệ lidar nhỏ đó là: Hệ lidar nhỏ gọn, dễ điều chỉnh và di chuyển tiện lợi trong quá trình vận hành. Cho phép thay đổi hướng quan trắc một cách dễ dàng.
1. Tần số lặp lại xung cao (kHz) cho phép tăng độ phân giải theo thời gian đo thực.
2. Giảm giá thành xây dựng và vận hành thiết bị vì nhóm nghiên cứu đã làm chủ hoàn toàn kỹ thuật chế tạo phần lớn các bộ phận của hệ đo. Thời gian sống và giá thành laser diode ở bước sóng 905 nm là rất thấp. Hệ lidar này còn khá thuận tiện, hữu ích trong công tác giảng dạy và phát triển kỹ thuật sử dụng lidar phục vụ nghiên cứu các mục đích môi trường, khí quyển trường gần… ở Việt Nam.
69
Trong Hình 2.2 là hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao với mục đích khảo sát các đối tượng son khí trường gần như lớp son khí tầng thấp sát bề mặt trái đất. Hệ sử dụng laser diode với nguồn nuôi tự chế tạo với mức chi phí thấp cho phép quan trắc trong thời gian dài. Đầu thu xử dụng là photodiode thác lũ - APD hoạt động trong chế độ Geiger ở điều kiện làm lạnh tới - 20oC có khả năng phân giải từng photon. Để hạ nhiệt độ của đầu thu photodiode thác lũ chúng tôi sử dụng bộ làm lạnh bằng pin nhiệt điện hai lớp với tổng công suất điện tới 70 W kết hợp với kỹ thuật hút ẩm tạo môi trường không có hơi nước trong buồng kín chứa đầu đo APD.
Chế tạo và chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng công suất cao bằng hệ 2 thấu kính trụ gắn trên dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều chỉnh tới 10 µm và áp dụng thành công đầu thu photodiode thác lũ hoạt động ở điều kiện hạ nhiệt độ có độ nhạy cao là hai cải tiến có giá trị của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm (của hãng Osram) được xây dựng tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [14, 60, 128].
Khối phát APD Máy tính Bộ nguồn Module đếm photon Kính thiên văn d = 200mm
Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế.
70
Các thông số đặc trưng cụ thể đối với những thành phần cấu tạo hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm chúng tôi xin trình bày theo cấu trúc khối phát và khối thu của hệ trong phần tiếp sau đây. Hệ lidar này có hai khác biệt là: sử dụng laser diode công suất cao nhỏ gọn và đầu thu APD cải tiến hoạt động ở chế độ Geiger đã được phát triển thành công ứng dụng lần đầu tiên để thu nhận tín hiệu yếu trên hệ lidar phát triển tại Việt Nam. Hệ đo có được những ưu điểm kể trên và đã được vận hành hiệu quả trong thời gian dài đo đạc trong năm 2012 tới nay ở mọi điều kiện thời tiết khác nhau. Trên thế giới đối với những hệ lidar sử dụng laser diode compact hiện có khá ít các nhóm phát triển, đặc biệt trong vùng bước sóng 905 nm an toàn cho mắt, bởi vậy hệ đo cũng được xem là mới trên thế giới trong lĩnh vực lidar sử dụng nguồn bức xạ nhỏ gọn.
Tín hiệu lidar ở chế độ đếm photon từ hệ được thiết lập thời gian thực hiện một phép đo là 10 phút tương đương ~600.000 xung, tần số lặp lại của laser là ~1 kHz. Nhược điểm của hệ lidar là công suất laser thấp tuy nhiên với tần số lặp lại cao cho phép chúng ta có thể tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu lên khá đơn
Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm.
Bộ nguồn và đầu laser SPL_PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram Thấu kính trụ 1 Thấu kính trụ 2 Bộ vi dịch chuyển 3chiều Trigger quang
71
giản bằng cách thực hiện thời gian đo không cần quá dài. Khi năng lượng xung laser nhỏ, vùng bước sóng bức xạ của laser nằm trong miền không nhìn thấy cho phép hệ quan trắc theo tất cả các phương khác nhau mà vẫn đạt tiêu chuẩn về điều kiện an toàn đối với mắt người. Đó là một ưu điểm rất lớn của hệ lidar mini này trong ứng dụng quan trắc các đặc trưng khí quyển vùng độ thị.
Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng, hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ [55].
2.1.2.1. Khối phát
Laser diode 905 nm bản chất là laser diode loại mảng. Tức là mỗi module laser là tổ hợp của một dãy các laser diode ghép song song nhờ đó mà công suất laser sẽ được tăng lên tỉ lệ tuyến tính theo số lượng các đầu laser tích hợp trong mảng. Tia laser phát ra có dạng khối nêm mở rộng theo cả hai phương. Độ mở theo hai phương là khác nhau. Theo phương dọc theo trục của mảng laser tốc độ mở 90
chậm hơn theo phương vuông góc là 25o. Vì vậy mode ngang của chùm laser phát ra ở trường gần của laser mảng loại này có dạng hình chữ nhật và kích thước vết tăng đều theo khoảng cách. Hình ảnh về vết và module laser diode 905 nm của hãng Osram được thể hiện trong Hình 2.4. Các thông số đặc trưng về quang điện của module laser 905 nm được thống kê trong Bảng 2.3.
Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram và dạng bề mặt bức xạ laser [14, 61].
72
Bảng 2.3. Các tham số của chùm laser diode loại mảng SPL PL90_3 của Osram sử dụng cho hệ lidar khảo sát trường gần [14].
Các tham số Kí hiệu G.T. dƣới G.T. trung bình G.T. trên Đ/v
Bước sóng λđỉnh 895 905 915 nm Tần số - 1 - KHz Độ rộng phổ (FWHW) Δλ - 7 - nm Năng lượng đỉnh phát Pop 65 75 85 W Dòng ngưỡng Ith 0,5 0,75 1,0 A Thế điều khiển Vop 8 9 11 V
Thời gian tăng, giảm I (10% - 90%) tr, tf - 1 - ns
Kích thước vùng phát xạ w x h - 200 x 10 - µm
Góc mở chùm tia FWHM θ ss x θvg - 9x25 - deg
Hệ số nhiệt của λ ∂λ/∂T - 0,28 - Nm/K
Hệ số nhiệt công suất ∂Pop/Pop.
∂T - -0,4 - %/K
Trở nhiệt Rth JA - 160 - K/W
Để xây dựng thành công module nguồn nuôi cho laser loại này chúng tôi