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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 chế tạo mạch nuôi của laser theo thông số thiết kế mạch nguyên lý của hãng sản xuất như trong Hình 2.5.
Để chuẩn trực chùm tia laser diode loại mảng, chúng tôi xây dựng hệ quang gồm 2 thấu kính trụ đặt đồng trục theo hai phương vuông góc với nhau. Mỗi thấu kính có tiêu cự và kích thước phù hợp với góc mở và kích thước chùm
73
tia laser. Trong đó thấu kính f1 = 10 mm loại LJ1878 L1 và thấu kính f2 = 50 mm loại LJ1821 L1 của hãng Thorlabs. Mỗi thấu kính có tác dụng thay đổi chùm tia từ phân kì thành chùm tia song song theo hai phương ứng với các góc mở khác nhau. Thấu kính trụ nhỏ ngay trước laser có tác dụng chuẩn trực góc mở của chùm tia theo phương phân kì lớn (phương có góc mở 25o), thấu kính L2 có tác dụng loại bỏ góc mở của chùm tia theo phương phân kì nhỏ (phương có góc mở 9o). Hai thấu kính trụ được cố định bằng chi tiết cơ khí có chân đế gắn chắc trên mặt bàn quang học, có thể điều chỉnh góc nghiêng của mặt phẳng quang của thấu kính bằng vít nhựa và điều chỉnh khoảng cách giữa các thấu kính với nhau và với đầu phát laser bằng dịch chuyển 3 chiều với độ chính xác 1/100 mm. Hình ảnh của hệ quang chuẩn trực chùm laser 905 nm thể hiện trên Hình 2.3. Để lái chùm tia laser sau khi đã chuẩn trực chúng tôi sử dụng 2 gương bạc SA01 đường kính 2,5 cm (của Hãng Thorlabs), bố trí 2 gương này khá đơn giản chỉ cần đặt quay 2 mặt phản xạ vào nhau và cùng đặt lệch góc khoảng 45o
so với phương ban đầu của chùm laser đi ra ở Hình 2.3.
Với bố trí hệ quang chuẩn trực chùm tia laser như mô tả trong Hình 2.3. Tính chất chùm tia laser tạo ra được chúng tôi tiến hành khảo sát đặc trưng phân bố cường độ, góc mở theo dạng mode ngang. Trong Hình 2.6 cho chúng ta thấy phân bố cường độ và kích thước của vết chùm laser 905 nm có dạng hình chữ nhật khi vừa ra khỏi 2 thấu kính trụ như Hình 2.6 a. Tuy dạng vết là không thật sự hình chữ nhật và phân bố cường độ cũng không đối xứng đều trong không gian vết của chùm laser. Tuy nhiên trong quá trình chỉnh hệ quang tốt nhất chúng tôi đạt được kết quả về kích thước vết laser duy trì dạng hình chữ nhật và có độ rộng tại vị trí cách hệ 2 m là: 6 x 9 mm và vị trí cách hệ 4 m là: 10 x 15 mm.
Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương ngang là 1,5 mrad. Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì góc mở của khối thu phải lớn
74
hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập góc mở không gian của telescope là 2 mrad.
c. Sơ đồ nguyên lý hệ quang chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng
Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ và kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang và phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách 4 m, c) Sơ đồ nguyên lý chuẩn trực chùm laser.
Thấu kính bóp chùm theo phương ngang
Thấu kính bóp chùm theo phương đứng Dạng vết laser có dạng hình chữ nhật Vết laser diode SPL PL90_3 dạng mảng a) Trường gần b) Cách 4m Phƣơng ngang (mm) Phƣơng đ ứn g (mm) 4 8 12 Phƣơng ngang (mm) Phƣơng đ ứn g (m m ) 0 10 20
75
Theo sơ đồ lý thuyết mô tả ở Hình 2.6 c thì dạng vết của laser diode ở trường gần phải có hình chữ nhật và cường độ không đổi trên tiết diện chữ nhật đó. Tuy nhiên thực tế do thiết kế hệ chuẩn trực 2 thấu kính trụ và đầu phát laser mà chùm tia chưa chuẩn trực được theo kiều kiện lý tưởng. Mặc dù vậy để đat mục đích đo xa laser thì chúng ta quan tâm nhiều tới cường độ và điều kiện góc mở cực đại của chùm tia theo hướng bất kì phải nhỏ hơn góc mở trường nhìn của telescope.
Đối với laser diode SPL PL90_3 chúng tôi thiết kế và chế tạo mạch nuôi theo tham số của nhà sản xuất đảm bảo laser hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80 W. Đảm bảo công suất chùm laser tốt nhất và hoạt động an toàn trong thời gian dài. Như trong Hình 2.7 chúng ta thấy đường đặc trưng công suất laser theo thế nuôi thể hiện laser phát ở mức 80W có thể hoạt động trong miền tuyến tính của đường đặc trưng công suất của laser.
Với mục đích khảo sát chi tiết hơn nữa đặc điểm của nguồn phát laser diode công suất cao. Tôi tiến hành đo đặc đặc trưng cường độ của xung laser và tần số phát của laser. Xung laser diode có dạng Gauss với độ rộng nửa cực đại khi điều chỉnh tối ưu về mặt công suất khoảng 70 ns, như trong Hình 2.8. Độ rộng của xung laser sẽ quyết định tới đặc trưng phân giải không gian của hệ đo, trong trường hợp độ rộng xung ~70 ns thì khoảng cách đo hệ lidar này có thể phân biệt được vào cỡ 10 m. Tuy nhiên trong trường hợp đo xa với các đối
Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi.
0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 Thế nuôi (V) Công s u ất đ ỉn h (W)
76
tượng trong khoảng cách ~10 km thì độ phân giải cỡ chục m tức là đạt mức sai số ~1/1000, là hoàn toàn chấp nhận được.
Hình 2.8 và 2.9 thể hiện dạng xung và số xung lặp lại của laser diode phát tại bước sóng 905 nm ghi nhận từ dao động ký điện tử nhanh sau khi điều chỉnh
Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu. Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
77
tham số mạch điện tử nhằm tối ưu năng lượng xung cực đại. Từ hình 2.8 chúng ta thấy độ rộng xung ~75 ns tức độ phân giải không gian của hệ đo ~ 11 m.
Mặc dù vậy vấn đề chúng ta cần quan tâm là điều chỉnh ngưỡng phát và dòng nuôi phù hợp để năng lượng mỗi xung laser là cực đại và tần số lặp lại là cao nhất có thể. Khi thiết kế nguồn nuôi cho laser chúng tôi lựa chọn linh kiện và thực tế điều chỉnh để lựa chọn trạng thái hoạt động tối ưu cho laser ở công suất đỉnh trung bình cực đại khi tần số lặp lại của laser khoảng 1,25 kHz. Tần số lặp lại của laser được thể hiện trong Hình 2.9 [126].
2.1.2.2. Khối thu
Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang học, đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền phần cứng là bộ đếm photon tốc độ cao. Những thông sô kỹ thuật của khối thu được liệt kê trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser