Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển

115 972 4
  • Loading ...
1/115 trang
Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 18/04/2014, 07:06

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG CHƯƠNG TRÌNH KH&CN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 “NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG” _________ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR ỨNG DỤNG TRONG ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN” MÃ SỐ: KC.01.21/06-10 Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Nguyễn Thế Hiếu Cơ quan chủ trì: Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Bộ Quốc phòng. 8692 HÀ NỘI, 2010 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG CHƯƠNG TRÌNH KH&CN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10 “NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG” _________ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR ỨNG DỤNG TRONG ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN” MÃ SỐ: KC.01.21/06-10 Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài PGS. TS. Nguyễn Thế Hiếu Chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ GS. TS. Nguyễn Thúc Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU PHẦN I. TỔNG QUAN. ……… …………………. ……….…….………………5 1.1. Tổng quan về LIDAR và khả năng ứng dụng ……… … … …………….5 1.1.1. lược về LIDAR….………………………………… …… ……………5 1.1.1.1. Khái niệm LIDAR………………………………….……………… … 5 1.1.1.2. Ưu điểm của LIDAR so với không ảnh trong viễn thám…… …….… 8 1.1.2. Khả năng ứng dụng của LIDAR………………… …………………….…. 9 1.1.2.1. Khả năng ứng dụng của công nghệ LIDAR 9 1.1.2.2. Nhu cầu sử dụng LIDAR trong không ảnh ……… ……………….….13 1.1.2.3. Kết hợp không ảnh và LIDAR ……………………… ……………….15 1.2. Ứng dụng LIDAR trong đo đạc các thông số khí quyển … ………….… 16 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của LIDAR đo đạc các thông số khí quyển ….……16 1.2.2. Nghiên cứu LIDAR đo đạc các thông số khí quyển trên thế giới……… 25 1.2.3. Nghiên cứu và ứng dụng LIDAR ở Việt Nam ……………….……… … 28 1.2.3.1. LIDAR trong thống kê và dự đoán triều cường ………….……….……29 1.2.3.2. Nghiên cứu sol khí bằng kỹ thuật LIDAR 30 1.3. Kết luận 31 PHẦN II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LIDAR ĐỂ ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN………………………….………………………… 32 2.1. Yêu cầu chung và giải pháp xây dựng hệ thống ………….…………… … 32 2.2. Xây dựng cấu trúc hệ thống …………………………….…………… …….33 2.2.1. Cấu trúc hệ thống phát …………………………… ………….………… 33 2.2.2. Cấu trúc hệ thống thu …………………………… …………………… 34 2.2.3. Các loại detector dùng cho thu tín hiệu LIDAR………….……………… 37 PHẦN III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR 39 3.1. Hệ máy phát Laser YAG-Nd BRILIANT của Hệ thống LIDAR ….…….….39 3.1.1. Đặc tính kỹ thuật của hệ Laser YAG-Nd BRILIANT ………….…….……39 3.2. Lắp đặt và hiệu chỉnh hệ thống LIDAR ………………………………….….43 3.2.1. Gá lắp và tinh chỉnh cho hệ máy phát laser………………………….……. 43 3.2.1.1. đồ thiết kế của hệ máy phát laser ……………………………….……43 3.2.1.2. Một số thiết bị, linh kiện và hệ gá lắp tinh chỉnh của hệ thống phát …… 45 3.2.2. Hệ thu tín hiệu LIDAR……………………………………………………. 47 3.2.2.1. đồ cấu tạo của hệ thu tín hiệu LIDAR ……………………….……….47 3.2.2.2. Thiết kế bàn quang học cho hệ thống LIDAR ………………….……… 51 3.2.2.3. Giá đỡ kính viễn vọng ………………………………………………… 53 3.2.2.4. Giá đỡ hệ quang học của kính viễn vọng ………………………………. 55 3.2.2.5. Một số hệ gá lắp cơ quang chính xác cho hệ thống thu …………………56 3.3. Hệ xử lý tín hiệu trong hệ thống LIDAR…………………………………… 59 3.3.1. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu trong chế độ đo tương tự ………… 60 3.3.1.1. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu đo tương tự ………………………63 3.3.2. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu trong chế độ đếm Photon….………. 66 3.3.2.1. Đếm Photon thông qua xử lý tín hiệu tán xạ Raman Nitơ …….… ……66 3.3.2.2. Thuật toán thu nhận và xử lý tín hiệu chế độ đếm Photon …….… ……68 3.3.2.3. Phần mềm thu nhận và xử lý tín hiệu chế độ đếm Photon …….……… 69 Kết Luận…………………………………………………………………….…… 70 PHẦN IV: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG LIDAR ………….….…… 71 4.1. MỞ ĐẦU ……………………………………………………………….……71 4.2. Nội dung thử nghiệm ……………………………………………….……… 72 4.2.1. Địa điểm thử nghiệm……………………………………………………….72 4.2.2. Thời gian thử nghiệm 4.2.3. Điều kiện thời tiết thực hiện thử nghiệm 4.3. Thiết bị sử dụng trong thử nghiệm gồm: ……………………….……………72 4.4. Lắp đặt và hiệu chỉnh hệ thu tín hiệu LIDAR ……………………….………74 4.5. Hiệu chỉnh Hệ thố ng LIDAR ……………………………………….……….74 4.6. Kết quả thử nghiệm Hệ thống LIDAR thu được ban ngày………………… 76 4.7. Kết quả thử nghiệm Hệ thống LIDAR thu được ban ngày ……….………….85 4.8.Tính toán các thông số khí quyển trẻn cơ sở các số liệu LIDAR đo được… 91 4.8.1.Phương pháp tính toán các thông số cơ bản của khí quyển …….…… … 91 4.9. Kết luận ………………………………………………………………………97 V. KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………… 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………… 103               DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt A ADC Analog Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số ALS Airborne Laser Scanner Máy quét Laser trên máy bay APD Avalanche Photodiode Photodiode thác lũ B BCH Laser Resonator Buồng cộng hưởng BFL Back Focus Length Độ dài tiêu cự ngược C CGU Cooling Group Unit Khối làm lạnh D DEM Digital Elevation Model Mô hình số địa hình DSM Digital Surface Model Mô hình số bề mặt E EFL Effective Focus Length Độ dài tiêu cự hiệu dụng G GIS Geologic Infomation System Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu H HABH Second Harmonic Generator Hòa âm bậc hai L LBE Laser Beam Expander Bộ mở rộng chùm tia laser LIDAR Light Detection And Ranging tìm và đo khoảng cách bằng sóng ánh sáng M MCP Multichannel Plates Đĩa đa kênh O OPO Optical Parametric Generator Máy phát thông số quang học P PCC Bộ phận làm lạnh PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện PPC Buồng làm lạnh PSU Power Supply Unit Khối nguồn điện nuôi R RC Remote Control Box Hộp điều khiển xa S SHG Second Harmonic Generator Bộ phát hòa âm bậc hai SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu T TEM Transverse Electromagnetic Modes Các mode điện từ trường ngang THG Third Harmonic Generator Bộ phát hòa âm bậc ba 1 MỞ ĐẦU Sự hình thành đề tài Biến đổi khí hậu toàn cầu là vấn đề của cả nhân loại. Chúng ta đang phải hứng chịu những thay đổi khó dự đoán và mức độ thiệt hại do thiên tai ngày càng tăng. Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới gió mùa và có tần suất và mật độ bão, áp thấp nhiệt đới… rất cao. Mặc dù Đảng và Nhà nước đã có nhiều biện pháp vĩ mô cũ ng như được sự chia sẻ đồng lòng của đồng bào cả nước, nhưng những thiệt hại cho nền kinh tế xã hội do thiên tai ở nước ta trong mấy năm gần đây là rất lớn và ảnh hưởng lâu dài. Vì vậy việc đánh giá dự đoán thiên tai là vấn đề sống còn mang tính quốc gia và khu vực. Mặt khác, ô nhiễm môi trường ở Việt Nam đang là một vấn nạn. Chúng ta đang sống trong môi trườ ng bị ô nhiễm cao về bụi và khí thải, nhất là ở trong các đô thị và khu công nghiệp. Trong khi Việt Nam là nước đang phát triển, chưa bắt kịp được các tiêu chuẩn về môi trường sống như ở một số nước phát triển thì việc tìm giải pháp đề đánh giá giúp các nhà hoạch định có cơ sở để cải thiện môi trường là rất cần thiết. Gần đây vào 1/11/2010, Hội nghị viễn thám châu Á l ần thứ 31 đã diễn ra tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia (Mỹ Đình – Hà Nội). Tại đây, các nhà khoa học Việt Nam và thế giới, chủ yếu từ các nước châu Á và Bắc Mỹ, cùng bàn và chia sẻ kinh nghiệm và học hỏi lẫn nhau về những công nghệ tiên tiến của viễn thám, không chỉ trong lĩnh vực thảm họa thiên nhiên mà còn trong các hoạt động kinh tế khác. Nhờ ứng dụng kết hợp các công nghệ hi ện đại trên thế giới hiện nay, nhiều giải pháp khoa học kỹ thuật đã mang lại cho con người những khả năng ứng dụng hiệu quả, đem lại nguồn lợi nhiều mặt cho cả cộng đồng. LIDAR là một trong những thành tựu đó. Việc sử dụng kỹ thuật quang phổ, điện tử, công nghệ thông tin cho phép ứng dụng LIDAR để đo đạc các đặc tr ưng vật 2 lý của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân giải cao. LIDARhệ thống mang tính lưỡng dụng, ban đầu chủ yếu được phát triển ở các nước tiên tiến dùng trong mục đích quân sự, sau đó được phát triển và đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân khác [2, 3, 4, 5, 6]. Gần đây, LIDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu vật lý của khí quyể n. Radar LIDAR có thể đưa ra những dự báo chính xác hơn. Không giống Radar bình thường, LIDAR có khả năng đo nhiều loại gió không có bất kỳ loại hạt nào, chẳng hạn như hơi nước. Bên cạnh đó, hệ thống LIDARđộ phân giải cao hơn, ổn định hơn so với Radar và có khả năng tạo hình ảnh 3 chiều. Ngoài ra, các hiện tượng khí quyển như: sóng trọng lực, phân bố nhiệt độ trên tầng khí quyể n, quan trắc môi trường như xác định mật độ của bụi, son khí (aerosol), ozon hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như: thủy ngân, SO 2 , NO 2 , Benzen… đều có thể phát hiện, đo đạc và đánh giá bằng LIDAR. Hiện nay, ở các nước tiến tiến như Pháp, Mỹ, Đức, Nga, Trung Quốc, Italia, Canada, Đài Loan, Belarus đều tiến hành chế tạo nhiều hệ thống LIDAR để nghiên cứu khí quyển. Trong quân sự, LIDAR được dùng để phát hiện khí độc và máy bay tàng hình. LIDAR có thể phát hiện các hạt nổi lơ lửng trong không khí và tiến hành phân loại chúng. Quân đội Mỹ đang tiến hành nghiên cứu sử dụ ng LIDAR phát hiện các tác nhân hoá học và sinh học, nhằm báo động sớm sự tấn công bằng vũ khí hoá học và sinh học. Trong hàng không dân dụng và quân sự, LIDAR dùng để phát hiện sự biến đổi của các luồng gió, đo đạc độ cao của trần mây, các tầng mây theo độ cao để bảo đảm cho các hoạt động an toàn bay. Cục Khí quyển và Đại dương cùng với Công ty Hàng không Michigan (Mỹ) đã xây dựng và thử nghiệm hệ thống theo dõi thời tiết LIDAR c ả trên mặt đất và máy bay. Hệ thống cho phép giám sát những chuyển động của các hệ thống thời tiết lớn và dự đoán các dòng khí của chúng. Từ đó có thể đưa ra 3 những dự báo thời tiết trước bảy ngày với độ chính xác không kém dự báo trước hai ngày hiện nay. Bên cạnh đó, Đài Loan cũng có hai hệ ứng dụng LIDAR để đo đạc, nghiên cứu phân bố nhiệt độ khí quyển, vật lý của mây tầng cao, son khí và bụi có nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nông nghiệp Một số trung tâm nghiên cứu môi trường khu vực Đông Á đã liên kết hệ thống LIDAR thành một m ạng lưới nghiên cứu khói bụi và son khí. Tại Pháp, thành phố Lion và trường Đại học Lyon I đã nhiều năm nghiên cứu về ô nhiễm không khí, son khí vùng này. Với nước ta, trước nhiều nhu cầu ứng dụng kỹ thuật LIDAR phục vụ các mục đích quân sự, nghiên cứu môi trường và dự báo khí tượng thủy văn những nghiên cứu và phát triển ứng dụng hệ thống LIDAR đã được nhiều trung tâm nghiên cứu quan tâm. Một sốsở như Viện Vật lý Kỹ thuật/Viện KH&CN Quân sự, Viện Vật lý/Viện KH&CN Việt Nam… bước đầu đã có những nghiên cứu và phát triển hệ thống LIDAR chủ yếu ứng dụng cho nghiên cứu sol khí và một số ứng dụng tiếp cận LIDAR khác [1]. Tuy nhiên, việc phát triển một hệ LIDAR nhiều bước sóng, cho phép nghiên cứu, đo đạc và phân tích nhiều thông số khí quyển từ xa, đồng thời kế t hợp với những thông tin khoa học khác để đánh giá được sự thay đổi khí hậu hay mức độ ô nhiễm của môi trường, phục vụ cho các mục đích an ninh quốc phòng và kinh tế xã hội là một vấn đề mang tính cấp thiết hiện nay nhưng chưa được đề cập đến. Do đó, đề tài cấp Nhà nước thuộc chương trình KC.01/06-10: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển” do Viện Điện tử/Viện KH&CN Quân sự chủ trì phối hợp với Viện Vật lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã được triển khai thực hiện và đạt được nhiều kết quả khả quan. [...]... của đề tài là: - Nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống LIDAR - Chế tạo thành công một hệ thống LIDAR sử dụng Laser YAG –Nd nhân đôi tần số, công suất cao có thể sử dụng để đo đạc các thông số khí quyển - Đào tạo đội ngũ khoa học công nghệ trong lĩnh vực Điện tử - Vật lý Hệ thống LIDAR đã được thiết kế chế tạo dựa trên các giải pháp kỹ thuật và công nghệ tiên tiến, sử dụng các thiết bị hiện đại... gian của son khí và xác định một số thông số vật lý như kích thước hạt trung bình Muốn đo đạc đầy đủ hơn các thông số vật lý như hệ số suy hao (extinction coefficient), hệ số LIDAR của son khí hay các thông số khí quyển thì cần đến ít nhất một kênh đo tín hiệu tán xạ Raman Hệ LIDAR LSA-2C chủ yếu dùng để phát hiện cháy rừng, phát hiện nguồn phát tán son khí v.v Tại Đài Loan hiện có hai hệ LIDAR đang... so với các công nghệ cũ Nhìn vào những tiềm năng của LIDAR, rõ ràng sẽ là công nghệ đóng vai trò lớn trong tương lai Ở Việt Nam đã tiến hành bay thử nghiệm tại Cần Thơ, Đồng Tháp bởi Công ty ảnh địa hình và Công ty Credent cho những kết qủa khả quan 1.2 Ứng dụng LIDAR trong đo đạc các thông số khí quyển 1.2.1 Nguyên lý hoạt động của LIDAR đo đạc các thông số khí quyển Về nguyên tắc hoạt động LIDAR cũng... trò chính trong việc đo đạc và xác định phân bố của bụi ở châu Á và sol khí Các đo đạc LIDAR này cho phép nghiên cứu chi tiết về ảnh hưởng của son khí Châu Á lên sự cân bằng nhiệt trong khí quyển, hay các vấn đề về môi trường như sự xuất hiện và phát tán trong khí quyển của sol khí có nguồn gốc nông nghiệp, sinh học, v.v Giá thành của một hệ LIDAR thương mại hoàn chỉnh cho phép đo các thông số vật lý... (1.2) Trong đó z là khoảng cách tới vị trí tán xạ, A là diện tích hiệu dụng của anten thu, λL là bước sóng laser phát lên khí quyển Từ lý thuyết tán xạ Rayleigh trên các phân tử khí, mối liên hệ giữa hệ số suy hao αRayleigh và hệ số tán xạ σRayleigh là: α Rayleigh = 8π σ Rayleigh 3 (1.3) Hằng số S (hằng số LIDAR) là mối liên hệ giữa hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược của son khí: S=αMie/σMie Hằng số LIDAR. .. Hauchecorne (1980) áp dụng để xác định phân bố nhiệt độđộ cao trên 30 km từ các đo đạc tín hiệu LIDAR do tán xạ Rayleigh trên các phân tử khí Ở vùng khí quyển thấp hơn, ta phải loại trừ phần đóng góp của tán xạ Mie và hấp thụ bởi son khí Khi đó việc đo đạc tín hiệu Raman do tán xạ trên phân tử Nitơ đóng vai trò quyết định nhằm xác định các thông số vật lý của son khí (hệ số LIDAR, hệ số hấp thụ), từ đó... đạc các thông số khí quyển trên thế giới Hiện nay, ở các nước tiến tiến như Pháp, Mỹ, Đức, Nga, Trung Quốc, Italia, Canada, Đài Loan, Belarus đều tiến hành chế tạo nhiều hệ thống LIDAR để nghiên cứu khí quyển Trong quân sự, LIDAR được dùng để phát hiện khí độc và máy bay tàng hình LIDAR có thể phát hiện các hạt nổi lơ lửng trong không khí và tiến hành phân loại chúng Quân đội Mỹ đang tiến hành nghiên. .. nhanh có thể đo các bước sóng trong miền tử ngoại đến vùng khả kiến hoặc các photodiode avalanche đối với các bước sóng trong miền hồng ngoại [2, 3, 4] Hình 1.8 đồ mô tả phép đo LIDAR trong khí quyển - Phần thứ tư của hệ LIDAR là một hệ điện tử phức tạp nhằm khuếch đại tín hiệu từ các đầu đo quang và thực hiện phép đo các tín hiệu này theo chế độ tương tự (đo dòng) đối với tín hiệu LIDAR tương đối... game online Cách phổ bến chia sẻ mô hình này cũng rất linh động, từ ứng dụng trên máy bàn tới qua web, sử dụng các chuẩn mở, dễ trao đổi và dễ cấu hình phù hợp từng đối tượng sử dụngCác ứng dụng khác với LIDAR Trong tương lai, dữ liệu LIDAR khi được tích hợp với các hệ thống sẽ tạo ra nhiều khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: Cấu trúc địa điểm tham chiếu, GIS và hàng không công nghệ cao,... nhằm cải tiến thiết bị diễn ra rất nhanh và mạnh mẽ làm cho công nghệ LIDAR ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả Trong thời gian gần đây, LIDAR đã trở thành một công cụ không thể thiếu để đo đạc các thông số khí quyển, đo đạc địa hình, rừng cây, nghiên cứu biển, phát hiện rỉ của các đường ống dẫn dầu, theo dõi kiểm tra các đường dây cao thế Trong hàng không dân dụng và quân sự, LIDAR dùng laser . 1.2. Ứng dụng LIDAR trong đo đạc các thông số khí quyển … ………….… 16 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của LIDAR đo đạc các thông số khí quyển ….……16 1.2.2. Nghiên cứu LIDAR đo đạc các thông số khí quyển. THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG” _________ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG LIDAR ỨNG DỤNG TRONG ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN”. - Nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống LIDAR. - Chế tạo thành công một hệ thống LIDAR sử dụng Laser YAG –Nd nhân đôi tần số, công suất cao có thể sử dụng để đo đạc các thông số khí
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển, Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển, Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay