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

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 kết hợp với những thông tin khoa học khác để đ

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

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”

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

PHẦN I TỔNG QUAN ……… ……… ……….…….………5

1.1 Tổng quan về LIDAR và khả năng ứng dụng ……… … … ……….5

1.1.1 Sơ 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 Sơ 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 Sơ 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 thống 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

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

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

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

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 cũng 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 trường 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 lần 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 hiện 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 trưng vật

lý của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân giải cao LIDAR là

hệ 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 quyển 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 LIDAR có độ 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 quyển, 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, SO2, NO2, 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 dụng 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 cả trên mặt đất và máy bay Hệ thống cho phép giám sát những chuyển động của các

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 mạng 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 số cơ sở 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 kết 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

Mục tiêu 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 trên thế giới, có các tính năng kỹ thuật tương đương với một số hệ thống của nước ngoài, nhưng giá thành thấp hơn và phù hợp với điều kiện và nhu cầu sử dụng tại Việt Nam Những vấn đề nghiên cứu khoa học, phương pháp nghiên cứu và giải pháp thiết kế sẽ được trình bày trong báo cáo, gồm các nội dung chính như sau:

PHẦN I: TỔNG QUAN

PHẦN II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THÔNG

PHẦN III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

PHẦN IV: CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

PHẦN V: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về LIDAR và khả năng ứng dụng

1.1.1 Sơ lược về LIDAR

1.1.1.1 Khái niệm LIDAR

Công nghệ hiện đại ngày nay đã cho phép con người tiếp cận đến nhiều

“ẩn số” khó giải bằng cách phối hợp liên kết rất nhiều giải pháp khoa học kỹ thuật Chúng ta có thể quan sát cả thế giới thông qua công cụ “Google Earth”

là kết quả của việc kết hợp công nghệ chụp ảnh, cơ sở dữ liệu và công nghệ viễn thông Cũng bằng phương pháp này, chúng ta có được các ảnh đám mây

để đánh giá dự đoán thời tiết Kết hợp nhiều phương pháp để đo nhiệt độ của các khối khí trong khí quyển và lập bản đồ di chuyển của chúng

Rất nhiều giải pháp và khi ứng dụng đã cho ra những kết quả không ngờ, đem lại nguồn lợi nhiều mặt cho cả cộng đồng LIDAR là một trong những thành tựu đó LIDAR (Light Detection And Ranging) là một thuật ngữ

để chỉ một công nghệ viễn thám mới, mang tính chủ động, sử dụng các loại tia laser để khảo sát đối tượng từ xa Dữ liệu thu được của hệ thống là tập hợp đám mây điểm phản xạ 3 chiều của tia laser từ đối tượng được khảo sát

Sử dụng kỹ thuật đo đạc sử dụng bức xạ Laser trong miền tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại, LIDAR có thể thu nhận tín hiệu phản hồi đầu tiên và cuối cùng với tần suất trung bình 5 nghìn tới 33 nghìn tia/giây, do đó dữ liệu thu được cho phép lập bản đồ khối 3 chiều và bề mặt với mật độ dữ liệu dày và

độ chính xác cao Một số hệ thống LIDAR còn cho phép thu nhận các tín hiệu phản hồi trung gian (giữa tín hiệu đầu và cuối) cho phép phân tích cấu trúc đối tượng (cấu trúc tán)

Trong lịch sử hình thành và phát triển, ban đầu công nghệ LIDAR chủ yếu sử dụng để do thám điện tử phục vụ các mục đích quân sự Do vậy, ở các nước Mỹ, Nga, Nhật, Pháp, Đức, Italy, Tây Ban Nha, Trung Quốc, Canada

công nghệ này đã được phát triển rất sớm và do Bộ Quốc phòng quản lý Hiện nay, do tính lưỡng dụng, nhiều hệ thống LIDAR đã được mở rộng ứng dụng

và khai thác cho nhiều mục đích khác nhau

Hình 1.1 LIDAR sử dụng trong viễn thám

Hệ thống LIDAR điển hình là loại gắn cố định trên máy bay, hoạt động tương tự như các hệ thống viễn thám chủ động khác Khi máy bay ở độ cao phía trên vùng cần khảo sát, các chùm tia laser sẽ được phát về phía đối tượng,

bộ thu nhận tín hiệu laser sẽ thu nhận tín hiệu phản xạ Hệ thống LIDAR thường sử dụng gương quét để khảo sát đối tượng theo từng dải với độ rộng của dải dữ liệu do góc quay của gương quét quy định Mật độ điểm dữ liệu thu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vận tốc và độ cao bay, mức độ quay của gương quét…

Khoảng cách được xác định qua việc tính toán thời gian đi và về của tia laser được phát đi Điểm dữ liệu nhận được thường bao gồm thông số về vị trí

3 chiều của đối tượng (X, Y, Z) và cường độ tia laser phản hồi Vị trí 3 chiều chính xác của thiết bị quét, góc quay của gương và khoảng cách thu được của tập hợp điểm sau đó sẽ được sử dụng để tính toán vị trí 3 chiều các điểm trên

bề mặt đối tượng khảo sát Hệ thống LIDAR thường được gắn kèm với các thiết bị định vị (GPS) và thiết bị xác định quán tính (IMU/INS) và trạm định

vị mặt đất để thu thập đầy đủ tham số hiệu chỉnh cho quá trình xử lý dữ liệu

Hình 1.2 Thu thập dữ liệu bằng LIDAR

Mỗi giây khảo sát, công nghệ LIDAR có thể giúp thu thập hàng trăm ngàn điểm dữ liệu với độ chính xác rất cao Do đó, sản phẩm làm ra từ tập hợp dữ liệu này được đánh giá là có độ chính xác cực kỳ cao về vị trí (sai số vài cm đến vài chục cm) Một trong những ưu điểm của hệ thống Radar LIDAR là tương đối gọn nhẹ và không tiêu tốn nhiều nguồn điện Vì vậy Radar LIDAR được lắp đặt trên máy bay, vệ tinh và nhiều phương tiện khác

Hệ thống LIDAR còn có thể được gắn kèm máy ảnh số để đồng thời thu thập ảnh viễn thám (không ảnh) của khu vực khảo sát, cung cấp nguồn dữ liệu rất chi tiết và đầy đủ Dữ liệu do hệ thống khảo sát được thu thập trực tiếp

ở dạng số (digital) làm cho các quá trình tiếp theo vô cùng thuận lợi Ngoài ra, LIDAR ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, hoạt động cả ban ngày lẫn đêm, các tiến bộ khoa học kỹ thuật 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 dò 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 rắn

có bước sóng tới 2µm 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 máy bay hoạt động được an toàn

1.1.1.2 Ưu điểm của LIDAR so với không ảnh trong viễn thám

Trong các hệ thống viễn thám, LIDAR có thể thu thập dữ liệu địa hình rất chính xác khi bay quét ở độ cao lớn Độ chính xác của dữ liệu bay chụp không ảnh tỷ lệ với độ cao bay chụp Trong khi độ chính xác của dữ liệu LIDAR giảm đi không đáng kể khi độ cao bay tăng lên Hơn nữa, LIDAR thu nhận trực tiếp dữ liệu 3 chiều

LIDAR chỉ cần duy nhất một tia laser “gần-vuông góc” với mặt đất để khảo sát địa hình Tia laser có khả năng xuyên qua tán cây chạm tới bề mặt và phản hồi tới cảm biến Trong khi chụp không ảnh lại yêu cầu hiệu ứng lập thể (cùng nhìn thấy 1 điểm trên mặt đất từ hai phía) Như vậy, LIDAR sẽ thu thập được thông tin về bề mặt địa hình phong phú hơn, đặc biệt khi quét qua các khu vực có thực vật che phủ

LIDAR có thể cho phép lập bản đồ bề mặt địa hình và bề mặt tán cây với mật độ dữ liệu dày và cấu trúc đối tượng với độ chính xác cao Phương pháp không ảnh cũng tạo được các điểm độ cao dày nhưng phải bằng cách tăng dày thủ công (tốn kém và mất thời gian), hoặc bằng phương pháp tương quan ảnh tự động, tuy nhiên phương pháp này chỉ trích xuất được các điểm ngọn cây và nóc nhà ma không tạo ra được các điểm mặt đất

Bên cạnh đó, LIDAR cho phép thu thập dữ liệu cả ngày và đêm trong khi phương pháp không ảnh chỉ thực hiện được trong một khoảng thời gian hạn chế ban ngày khi ánh sáng tối ưu

1.1.2 Khả năng ứng dụng của LIDAR

1.1.2.1 Khả năng ứng dụng của công nghệ LIDAR

Hình 1.3 Ứng dụng của LIDAR

Hiện nay, LIDAR đã được sử dụng rất rộng rãi và được chứng minh là phương pháp hiệu quả để mô hình hóa môi trường đô thị, lập bản đồ ngập úng, đánh giá nguy cơ trượt lở, lập bản đồ chi tiết thủy văn, phân tích bề mặt, quản

lý hạ tầng và hiển thị dữ liệu trong không gian 3 chiều Công nghệ này cũng được sử dụng rất hiệu quả trong thành lập bản đồ cho các đối tượng tuyến (đường ống dẫn, đường truyền tải điện, đường giao thông…), phục vụ quản lý, bảo dưỡng và duy tu… Trong một số ứng dụng (như mạng lưới điện) công

nghệ LIDAR còn có thể được sử dụng để phát triển các phương án quy hoạch thông qua khả năng mô phỏng tích hợp

Hình 1.4 Hình ảnh LIDAR của khu vực Lower Manhattan

Công nghệ LIDAR có thể giúp lập bản đồ địa hình đáy biển tới độ sâu 70m, hữu ích trong các dự án xác định luồng lạch tàu vào, thiết kế quy hoạch cảng và các kênh giao thông thủy

Bên cạnh đó, dữ liệu LIDAR với độ chính xác và độ phân giải cao được

sử dụng rất hiệu quả trong xây dựng các mô hình ngập úng, nâng cao độ chính xác của mô hình, xác định ranh giới ngập úng chính xác, cung cấp thêm nhiều thông tin về các đối tượng/địa vật chịu ảnh hưởng; thành lập bản đồ nguy cơ ngập úng, vùng ưu tiên sơ tán, hoặc tiếp tục phân tích để thành các bản đồ suy dẫn như bản đồ mức bảo hiểm lũ lụt…

Ngoài ra, đặc điểm mật độ dữ liệu dày đặc và chính xác của công nghệ LIDAR rất phù hợp với yêu cầu của các ứng dụng trong ngành giao thông vận tải, được sử dụng để: quan trắc, giám sát, duy tu bảo dưỡng và quản lý các đối

tượng như đường sắt, đường bộ, hệ thống tín hiệu biển báo, các điểm trạm đỗ dừng, nhà ga bến cảng, sự xuống cấp mặt đường, điểm tai nạn, mật độ giao thông, bùng binh… mà không cần làm gián đoạn các dịch vụ liên quan

• Ứng dụng trong lâm nghiệp

Chủ yếu ứng dụng LIDAR để đánh giá và thống kê sản lượng gỗ, phân tích điều kiện sống hoang dã, tương quan của các yếu tố như tán, độ dày tán, dạng lá… tới sản lượng gỗ rừng; ước tính sinh khối, trữ lượng gỗ và các tham

số lâm nghiệp khác

• Quan trắc và dự báo sạt lở đất

LIDAR có thể được sử dụng để quan trắc và dự báo trượt lở, đặc biệt với các sườn dốc, nhờ đặc điểm thu thập dữ liệu nhanh chóng với độ chính xác cao và mật độ dữ liệu dày đặc Công nghệ này cũng có thể được sử dụng

để đánh giá nhanh thiệt hại và thiết lập bản đồ thể hiện tình trạng hậu trượt lở nhanh chóng chính xác

Với các công cụ thành lập bản đồ phù hợp, dữ liệu LIDAR với độ chính xác cao, mật độ điểm dữ liệu dày đặc, thời gian thu thập dữ liệu ngắn… rất phù hợp cho các ứng dụng để quản lý và dự báo xói mòn bờ biển, đánh giá và

dự báo bồi lắng, quan trắc và dự báo ngập lụt ven biển…

• Các tuyến truyền tải điện và mạng điện thoại di động

Áp dụng công nghệ LIDAR nhanh chóng lập bản đồ các tuyến truyền tải trải dài, thể hiện chính xác vị trí các tháp truyền tải (cột điện), địa hình của hành lang truyền tải và các loại đối tượng tồn tại trong hành lang (cây xanh…) phục vụ điều chỉnh, sửa chữa duy tu và thiết kế nâng cấp tuyến

Ngoài ra, quy hoạch và quản lý các mạng điện thoại di động yêu cầu phải có thông tin chi tiết về bề mặt địa hình, lớp phủ thực vật, các tòa nhà và công trình Để đảm bảo tầm nhìn và xác định các khu vực phát triển mạng, các CSDL chính xác và chi tiết chứa các thông tin về các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo là cực kỳ quan trọng Công nghệ LIDAR đã được chứng

minh là rất phù hợp cho các mục đích này và ngày càng có nhiều công ty viễn thông khai thác sử dụng công nghệ này trong hoạt động của họ

• Lập mô hình đô thị và mô phỏng đô thị

Các ứng dụng trong lĩnh vực này thường nhằm tạo ra một mô hình thành phố ảo với nền địa lý và các công trình xây dựng, kiến trúc như đô thị thực Mô hình có thể được khai thác phục vụ rất nhiều đối tượng từ quy hoạch kiến trúc, xây dựng, giao thông tới 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 dụng

• Các 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, Quy hoạch khu vực, Các

dự án thủy điện và án xây dựng lớn, Các ứng dụng trong an ninh quốc phòng, Khai thác mỏ lộ thiên, Hành lang đường sắt, Các dịch vụ bay, Khảo sát đáy biển, Khảo sát đô thị tỷ lệ lớn, Lập bản đồ hồng ngoại phòng chống cháy rừng…

Hình 1.5 Sử dụng LIDAR trong đo vẽ ngầm

Bên cạnh các ứng dụng đã trở nên phổ biến trên đây, dữ liệu LIDAR với đặc trưng của nó, rất có tiềm năng được khai thác trong nhiều ứng dụng khác như mô phỏng tác động của bão, tạo mô hình 3 chiều đô thị (thành phố

ảo), mô phỏng thiệt hại của động đất, khai khoáng, môi trường… Các ứng dụng đặc biệt hữu ích khi dữ liệu LIDAR được tích hợp vào môi trường của

hệ thông tin địa lý (GIS) để quan trắc, dự báo và lên phương án ứng phó

Hình 1.6 Công nghệ LIDAR với khảo cổ học 1.1.2.2 Nhu cầu sử dụng LIDAR trong không ảnh

Qua các giai đoạn triển khai đã cho thấy sử dụng công nghệ LIDAR giảm số giờ bay khảo sát và dữ liệu chính xác hơn, nên hiệu quả kinh tế xã hội nâng lên đáng kể LIDAR rất đắc dụng trong việc thu thập số liệu độ cao trong trường hợp rừng dày đặc, nơi mà ảnh không bộc lộ sự kém độ chính xác thông tin địa hình vì tán cây dày che phủ Không giới hạn bởi điều kiện môi trường hạn chế của ảnh hàng không

LIDAR hàng không nổi lên như một thay thế hấp dẫn đối với công nghệ truyền thống với lượng số liệu lớn Bởi vì hệ thống cảm biến ánh sáng năng động có thể thu số liệu vào ban đêm và có thể hoạt động trong mọi thời tiết và ở vị trí góc chân trời thấp mà ảnh hàng không không thể thực hiện được Ngoại ô và các vùng xa xôi có thể khảo sát dễ dàng và nhanh chóng vì toạ độ XYZ mỗi điểm được tham chiếu trực tiếp, không đòi hỏi số liệu tam giác ảnh và trực giao

Phương pháp ảnh hàng không khi thiết lập DTM cần nhiều thời gian và nhân lực Trong phương pháp ảnh hàng không thiết lập DTM sử dụng máy vẽ

lập thể, trước tiên mô hình ảnh cần được hình thành vào trong máy lập thể sử dụng định hướng trong tương đối và tuyệt đối Người vẽ lập thể sẽ số hoá tay những đặc trưng địa hình như thoát nước, mép đường, thành và đáy cống trên một lớp Những đường đó gọi là đường gãy cứng Những lồi lõm thay đổi địa hình được thể hiện trên bản đồ bằng đường gãy mềm màu vàng Các điểm độ cao được thêm vào với mật độ nhất định màu xanh dương bằng tay bởi giữ tiêu đo trên mặt đất trên mô hình Sau đó DTM được thiết lập từ những đường gãy và điểm độ cao bằng các phần mềm chuyên dụng phổ biến trên thị trường Trong khi đó, trung bình một giờ hệ thống LiDAR có thể đo được khu vực rộng 90 -100km2 Thời gian xử lý số liệu là 2 đến 3 giờ cho một giờ bay ghi

số liệu và thêm một số thời gian nữa để hoàn chỉnh chuyên nghiệp sản phẩm Nghiên cứu cho thấy rằng LIDAR chỉ đòi hỏi kinh phí bằng 25 đến 33% kinh phí cần thiết của phương pháp ảnh hàng không

Tại những vùng biển, bờ, các vùng đất ẩm ướt, ít địa vật và tương phản kém, nơi mà rất khó hoặc không thể đạt được kết quả mong muốn với công nghệ ảnh hàng không truyền thống, LIDAR lại phát huy hiệu quả rất tốt Một

số khu vực lập bình đồ bằng LIDAR tốt hơn ảnh hàng không là:

- Đường bờ biển và địa hình bãi bồi, ít địa vật;

- Nơi đất ướt hoặc không thiết lập được điểm khống chế ảnh do khó tiếp cận tới;

- Rừng cây nơi thực phủ che khuất mặt đất;

- Công tác mỏ lộ thiên nơi số liệu cuối cùng chỉ cần vài giờ thu thập;

- Khu vực dạng dải hẹp

1.1.2.3 Kết hợp không ảnh và LIDAR

Trong kỷ nguyên kỹ thuật số ngày nay, GIS đang tăng cao độ hoàn thiện, chuyên nghiệp và chi tiết Nhưng dù sự gia tăng sự hoàn thiện của các chi tiết, cốt lõi của mỗi hệ GIS là lớp cơ bản thể hiện thông tin không gian

khởi đầu mà các lớp GIS khác được xây dựng trên đó Khi có số liệu độ cao

có thể thiết lập DTM như là lớp cơ bản

Tuy nhiên, với các phương pháp trước đây, việc thu thập số liệu đòi hỏi độ chính xác cao để mô tả địa hình là rất khó khăn và thường rất đắt, tốn thời gian Mô hình DEM LIDAR có mật độ điểm rất cao hơn các nguồn hiện thời đã đem lại độ chính xác hơn trực giao không ảnh Người dùng quan tâm đến lợi ích của hình ảnh không gian phân giải cao và mô hình số độ cao với mật độ và chính xác cao của hệ thống LIDAR

Không ảnh có thể dùng để thể hiện địa hình chính xác hơn cho khoảng cao đều đồng mức hơn 0,6m Máy ALS40 Airborne Laser Scanner có cùng độ rỗng dải quét với film của máy ảnh hành không loại ống kính 15cm, lý tưởng cho làm việc đồng thời để lập bản đồ như là dạng dải hẹp Đồng thời ghi số liệu LIDAR và ảnh số đòi hỏi sự liên kết làm việc của hai cảm biến đặt trên khoang máy bay Trên hành lang khảo sát dải hẹp, bình đồ kết hợp rất tiện dụng cho việc tính khối lượng đào đắp dọc theo các tuyến so sánh, giúp lựa chọn, kiến nghị tuyến kinh tế nhất Đối với các dự án có phạm vi rộng, không ảnh và LIDAR cần bay chụp riêng vì khác nhau về trường nhìn Sự kết hợp số liệu thể hiện được nhiều chi tiết khu vực với dùng riêng số liệu LIDAR

Nếu dự án cần khoảng cao hơn đường đồng mức là 0,5m hoặc nhỏ hơn cùng với các chi tiết đặc trưng kích thước, hãy bắt đầu với không ảnh và tam giác ảnh giải tích Số liệu LIDAR được nhập vào mô hình lập thể trên máy vẽ lập thể sao cho người vẽ có thể dễ dàng xử lý, vẽ các đường cắt gãy và tạo đường đồng mức Sự kết hợp này rất lý tưởng trong vùng bị che khuất bởi thực phủ dày, nơi số liệu LiDAR có thể phủ đầy các vị trí mà không ảnh không thấy được Sản phẩm LIDAR nguyên gốc thường được dùng trong trường hợp khu vực khảo sát vượt khu bản đồ tỷ lệ lớn Số liệu LIDAR được lọc cho mô hình mặt đất gốc không có thực phủ và công trình, hay dạng thô của nó để lưới hoá và tạo file mô hình DEM

Công nghệ đã được kiểm tra kỹ lưỡng và được chấp nhận bằng các dự

án bay chụp ở nhiều nơi trên thế giới, LIDAR đã trở thành hoạt động thương mại dịch vụ kỹ thuật phổ biến ở các nước như Mỹ, Canada và ở châu Âu Ưu điểm chính của công nghệ lập bản đồ LIDAR là độ chính xác đo đạc, tự động hoá cao và thời gian giao nộp sản phẩm nhanh Tuy nhiên, với đặc điểm thu thập và xử lý số liệu riêng biệt đòi hỏi đầu tư máy móc và cơ sở hạ tầng là một vấn đề về khả thi kinh tế 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 tương tự như RADAR, nhưng LIDAR sử dụng bức xạ Laser trong miền tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại, đồng thời sử dụng các kỹ thuật quang phổ và quang học đã cho phép đo đạc các đặc trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân giải cao Ưu điểm của hệ thống LIDAR là có độ phân giải cao hơn so với Radar, ổn định hơn và có khả năng tạo hình ảnh 3 chiều Khả năng phân giải không gian có thể đạt tới hàng mét và khả năng phân giải theo thời gian rất cao có thể đến hàng giây Đây là lợi thế cơ bản so với các công cụ đo đạc khí quyển khác như bóng thám không vì các công cụ này chỉ cho phép đo đạc tại một số thời điểm nhất định và tới độ cao giới hạn (khoảng 30 km đối với bóng thám không) [1]

Hình 1.7 Sơ đồ khối của hệ thống LIDAR

Hầu hết các hệ LIDAR đều có nguyên lý cấu tạo tương tự như trên hình 1.7 gồm 4 bộ phận chính sau:

- Phần thứ nhất của hệ LIDAR là một laser phát xung ngắn có công suất lớn đến khoảng vài trăm mili Joule/xung, bức xạ đơn sắc và chất lượng chùm laser cao Bức xạ laser công suất cao khi phát vào khí quyển thông qua một hệ quang học thích hợp (anten phát) sẽ tương tác với các thành phần khác nhau của khí quyển như các phân tử khí, bụi, hạt son khí, mây Một phần bức

xạ laser sẽ được phản xạ hay tán xạ đến bộ phận đo đạc của thiết bị LIDAR

- Phần thứ hai của hệ LIDAR là một anten quang học có kích thước đủ lớn để thu nhận được tín hiệu tán xạ yếu từ khí quyển Anten quang học thường là một telescope loại Newton hoặc Cassegrain có đường kính từ 20 cm đến hàng trăm cm Ngoài ra anten quang học còn có các phin lọc giao thoa có băng thông hẹp cỡ 1 nm để loại bỏ nhiễu nền là bức xạ ở các bước sóng khác với bước sóng của tín hiệu LIDAR

- Bộ phận thứ ba là thu nhận và phân tích tín hiệu tán xạ, cho phép xác định được các đặc trưng vật lý của các thành phần khí quyển và phân bố của chúng trong không gian và theo thời gian (hình 1.8) Tín hiệu LIDAR sau đó

sẽ được hội tụ vào các đầu đo quang, thường là bộ nhân quang điện 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 Sơ 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 mạnh tán xạ từ vùng khí quyển tương đối gần hay đếm photon đối với tín hiệu tán xạ ở khoảng cách lớn

Độ trễ t giữa thời điểm phát xung laser vào khí quyển và thời điểm đo tín hiệu LIDAR phản hồi cho phép ta xác định được khoảng cách D tới vị trí gây ra tán xạ (nghĩa là nguồn của tín hiệu LIDAR) qua mối liên hệ D = c.t/2, với c là vận tốc ánh sáng Ta có thể thấy ngay rằng với đòi hỏi nghiên cứu khí quyển ở các khoảng cách lớn (nhiều km) với độ phân giải không gian cao (khoảng vài mét tới vài chục mét), hệ LIDAR phải sử dụng laser công suất lớn phát xung ngắn, cỡ vài nano giây, tương ứng với độ phân giải tối đa khoảng vài mét, cùng một hệ điện tử nhanh, cỡ 100-300 MHz, và đủ nhạy để

đo tín hiệu LIDAR Ngoài ra, hệ LIDAR còn phải có độ ổn định cao để có thể lấy trung bình tín hiệu LIDAR qua hàng trăm đến hàng nghìn xung laser

Đối với son khí do kích thước của các hạt son khí cũng tương đương với bước sóng laser (cỡ micro mét), tiết diện tán xạ Mie của son khí rất cao, lớn hơn nhiều lần so với tán xạ Rayleigh của phân tử khí Trong trường hợp này, LIDAR là một kỹ thuật rất hữu ích và được ứng dụng mạnh mẽ Từ cường độ ánh sáng tán xạ, có thể tính toán được độ sâu quang học và hệ số tán xạ của các hạt son khí cho phép xác định tính chất vật lý và phân bố của son khí với độ nhậy cao Trong khí quyển son khí có nhiều nguồn gốc khác nhau và hiện diện tới cả tầng bình lưu ở độ cao 20–30 km Tuy nhiên, son khí tập trung nhiều nhất ở tầng thấp của khí quyển, đến độ cao khoảng vài km, ví

dụ như trong các đám mây tự nhiên Ngoài ra son khí còn xuất hiện do hoạt động công nghiệp (liên quan đến khí thải, các đợt ô nhiễm ở các đô thị lớn), sản xuất nông nghiệp (đốt rơm sau vụ mùa) hay các quá trình sinh học khác Khi đo son khí ở tầng thấp của khí quyển, công suất của laser cũng không cần phải quá cao, chỉ cần sử dụng laser xung với năng lượng xung khoảng vài milli Joule Cường độ ánh sáng tán xạ được tính theo phương trình LIDAR [5, 6]:

2 exp(

) , ( )

z

( ) ( ) ( ) ( ) )

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:

Rayleigh Rayleigh πσ

số LIDAR có giá trị trong khoảng 20–35sr đối với son khí trên biển, trong khoảng 35–70sr đối với son khí có nguồn gốc công nghiệp hay ô nhiễm, và trong khoảng 70–100 sr đối với son khí có nguồn gốc nông nghiệp (Ackerman 1998) Khi tính chất vật lý của son khí như kích thước, hệ số điện môi… không thay đổi theo độ cao, sự phân bố của mật độ son khí theo độ cao D sẽ tỉ

lệ thuận với hệ số tán xạ ngược β(D) đã được đo bằng phương pháp LIDAR Trong thực tế, để giảm thiểu sai số trong việc tích phân phương trình LIDAR dựa trên giả thiết về hằng số S, người ta thường sử dụng một phép đo độc lập để xác định độ sâu quang học toàn phần K của khí quyển (integrated atmospheric optical depth) Phép đo này sử dụng quang kế mặt trời (sun photometer) vào ban ngày và quang trắc sao (star photometry) vào ban đêm Lancioco & Fiocco (2007) đã sử dụng phương pháp tương đối đơn giản mà hiệu quả này cùng với hệ LIDAR hoạt động ở bước sóng 532 nm để xác định được một cách chính xác hệ số tán xạ ngược β(D) và hằng số S của son khí trên bầu trời thành phố Roma, Italy

Đối với vùng khí quyển không có son khí, từ phương trình LIDAR ta thấy tín hiệu LIDAR sẽ tỷ lệ trực tiếp với mật độ khí Khi có mặt son khí với

hạt này), tán xạ Mie trên son khí sẽ đóng góp chủ yếu vào tín hiệu LIDAR

Do đó nếu biết được hằng số LIDAR S thì chỉ cần thực hiện phép đo LIDAR tại một bước sóng duy nhất, ví dụ 532 nm, ta có thể xác định được phân bố tỷ đối (tỷ số sM(z)/sM(zr), zr là độ cao cho trước để so sánh) của son khí trong khí quyển [10, 11, 12]

Hình 1.9 Tán xạ Raman của bức xạ Laser 532 nm do các loại khí

Do hệ số tán xạ Rayleigh của phân tử khí và tán xạ Mie trên son khí sự phụ thuộc rất khác nhau về bước sóng σRayleigh ~ λ-4 còn σMie ~ λ-q, với q ~ 1, tuỳ thuộc vào kích thước của hạt son khí Do vậy khi đo đồng thời tín hiệu LIDAR ở nhiều bước sóng khác nhau, chẳng hạn tại 1064 nm và 532 nm với laser YAG-Nd, và nếu biết được giá trị của hằng số LIDAR S, ta có thể tách riêng được đóng góp của son khí (tán xạ Mie) và của phân tử khí (tán xạ Rayleigh) Từ đó có thể đoán sơ bộ (sai số còn tương đối lớn) kích thước của hạt son khí dựa trên kết quả đo đạc σMie(λ) và các tính toán theo lý thuyết Mie

Khó khăn chủ yếu khi xác định các đặc trưng của son khí chính là việc tìm ra hằng số LIDAR S Một phương pháp rất tinh tế về mặt vật lý để xác định hằng số LIDAR là kỹ thuật đo tán xạ Raman trên phân tử Nitơ Đối với bước sóng laser YAG Nd ở 532nm, khi phát vào trong khí quyển sẽ xảy ra

hiện tượng tán xạ không đàn hồi trên các phân tử khí làm thay đổi bước sóng của ánh sáng tán xạ - hiệu ứng Raman Cường độ tương đối và bước sóng của tín hiệu tán xạ Raman đối với các loại phân tử chủ yếu trong khí quyển được cho trên hình 1.9 Các photon ánh sáng ở 532 nm sẽ bị tán xạ Raman trên phân tử Nitơ tới bước sóng 607 nm Phương trình LIDAR đối với tín hiệu Raman có dạng:

( ) ( )

exp(

) , , ( )

,

,

(

0 0

Rayleigh z

M L Mie L

Rayleigh

R L R R

L

R

dx x s x

n dx

x s x

n

z z

A C z

P

λ α λ

α λ

α λ

α

λ λ β λ

vậy khi biết mật độ khí n(z) một cách gần đúng, chẳng hạn sử dụng mô hình

khí quyển chuẩn US standard atmosphere (1976), và sự thay đổi theo bước sóng của hệ số suy hao do son khí (giả thuyết q=1):

L

R R Mie

L Mie

λ

λλ

α

λ

) (

) (

có thể xác định ngay được hệ số suy hao từ phương trình LIDAR cho tín hiệu Raman Thay vào phương trình LIDAR thường đối với bước sóng 532 nm, ta xác định ngay được hệ số tán xạ ngược do bụi σMie

Như vậy bằng cách đo đồng thời tín hiệu LIDAR do tán xạ Mie/Rayleigh ở 532 nm và tín hiệu Raman trên Nitơ ở bước sóng 607 nm cho phép xác định chính xác hằng số LIDAR Kết hợp với phép đo LIDAR ở các

bước sóng khác như 1064 nm và phép đo hệ số khử phân cực (thường thực hiện ở bước sóng 532 nm) cho cái nhìn tổng thể về các đặc trưng vật lý của son khí Nhiều thuật toán đã được phát triển để tính toán toàn bộ các thông số vật lý của son khí (kích thước, mật độ, hằng số điện môi, dự đoán nguồn gốc) dựa trên các số liệu đo đạc LIDAR nhiều bước sóng và tín hiệu Raman

Một đặc trưng rất quan trọng của tín hiệu LIDAR là hệ số khử phân cực (depolarization ratio) Bức xạ của laser YAG Nd khi phát vào khí quyển thường là bức xạ phân cực tuyến tính Hệ số khử phân cực khi đó sẽ được định nghĩa là tỷ số giữa tín hiệu LIDAR phân cực vuông góc với tín hiệu laser phát và tín hiệu LIDAR phân cực song song với tín hiệu laser phát:

Do vậy tính chất phân cực của tín hiệu LIDAR đã được sử dụng để phân biệt dạng son khí (hình thành do cháy rừng, hoạt động nông nghiệp hay công nghiệp v.v.) hoặc để nghiên cứu đặc trưng của các loại mây Ví dụ trong các tầng mây tạo thành bởi các giọt nước nhỏ (water droplet) sẽ có δ=0 còn mây tạo bởi các tinh thể băng sẽ có hệ số khử phân cực rất lớn, trên 20% Phương trình thuỷ tĩnh áp dụng vào trường hợp của khí quyển có dạng:

) ( ) ( )

(z n z mg z

Đối với khí lý tưởng:

) ( ) ( )

(z n z kT z

trong đó k là hằng số Boltzmann, m là khối lượng trung bình của phân tử khí,

g(z) là gia tốc trọng trường, P(z) là áp suất khí quyển, n(z) là mật độ khí và T(z) là nhiệt độ không khí tại độ cao z

Tích phân phương trình trên cho ta mối liên hệ của nhiệt độ theo phân

bố của mật độ không khí theo độ cao:

z n

x n k

m z T z n

z n z

) (

) ( )

( ) (

) ( )

với zr là một độ cao ban đầu với nhiệt độ khí quyển T(zr) đã biết trước

Phương pháp này đã được Chanin & Hauchecorne (1980) áp dụng để xác định phân bố nhiệt độ ở độ 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 xác định được chính xác đóng góp của son khí vào tín hiệu LIDAR Việc sử dụng đồng thời số liệu LIDAR do hiệu ứng Rayleigh và Raman đã được áp dụng để xác định phân bố nhiệt độ trong tầng đối lưu (troposphere từ 0–10 km) đến tầng bình lưu (stratosphere từ 10 – 20 km)

Như vậy, với đối tượng nghiên cứu là mây, son khí, thông thường các LIDAR dựa trên nguyên tắc tán xạ Mie/Rayleigh là thích hợp hơn cả Ở tầng thấp của khí quyển, bức xạ Laser bị tán xạ mạnh bởi các phân tử khí theo hiệu ứng Rayleigh Tiết diện tán xạ thay đổi theo quy luật 1/λ4 Tán xạ Rayleihg cho phép ta xác định được phân bố của nhiệt độ của khí quyển theo độ cao Dựa trên mô hình đơn giản của khí lý tưởng trong điều kiện cân bằng thủy tĩnh, ta có thể xác định được nhiệt độ theo độ cao Đây là một thông số đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu khí tượng và dự báo thời tiết

Để phân tích, xác định thành phần các phân tử trong khí quyển, thông thường người ta sử dụng LIDAR dựa trên tán xạ Raman Để phân tích thành phần khí N2 chẳng hạn người ta sử dụng LIDAR với Laser phát 532nm (hòa

âm của YAG-Nd Laser) Do hiệu ứng Raman trên phân tử khí N2 mà bức xạ Laser sẽ bị tán xạ và dịch chuyển đến bước sóng 607nm Bằng cách đo tán xạ Raman của các phân tử N2, O2 ta có thể xác định được phân bố mật độ và nhiệt độ trong khí quyển theo độ cao Tuy nhiên do tiết diện tán xạ Raman nhỏ hơn nhiều so với tán xạ Rayleigh, Laser cũng cần có công suất xung tương đối cao

Kỹ thuật LIDAR còn được sử dụng để xác định các loại nguyên tử, phân tử hay các chất gây ô nhiễm như thủy ngân, Ozon, SO2, NO2, Benzen… Hầu hết các phân tử, nguyên tử này có vạch hay dải hấp thụ trong trong vùng

tử ngoại Để xác định mật độ của một loại phân tử, LIDAR sẽ phát xạ ở hai bước sóng, một ở bước sóng dải hấp thụ và một bước sóng gần với dải trên nhưng ngoài dải hấp thụ này Phân tích cường độ ánh sáng tán xạ ở hai bước sóng này cho phép xác định phân bố của phân tử mà ta khảo sát theo độ cao

Kỹ thuật LIDAR sử dụng hai bước sóng này thường được gọi là hấp thụ vi sai bằng LIDAR (Dial – Differential Absorption LIDAR)

1.2.2 Nghiên cứu LIDAR đo 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 cứu sử dụng 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 Phương án tốt nhất để phát hiện tác nhân NBC là sử

dụng các máy laser rắn phát bước sóng trong dải rộng từ vùng tử ngoại, nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần Dùng loại LIDAR này để sục sạo trên không

có thể phát hiện được luồng khí thải từ động cơ của các phương tiện bay, từ

đó có thể phát hiện được máy bay tàng hình, máy bay trực thăng nấp sau sườn núi, tên tửa mà Radar và các phương tiện khác không thể phát hiện được Thiết bị LIDAR đã được phát triển và thương mại hóa tại các nước có nền khoa học công nghệ phát triển Với sự trợ giúp tài chính từ Cục Khí quyển và Đại dương, Công ty Hàng không Michigan (Mỹ) đã xây dựng các trạm mặt đất ở New Hampshire và Hawaii để thử nghiệm hệ thống theo dõi thời tiết LIDAR Bước tiếp theo là phóng một khinh khí cầu mang LIDAR tới

độ cao 30.000m - lần thử nghiệm cuối cùng trước khi lắp LIDAR vào máy bay Từ độ cao trên, LIDAR có thể giám sát những chuyển động của các hệ thống thời tiết lớn và dự đoán các dòng khí của chúng Kết quả là dự báo thời tiết trước bảy ngày sẽ chính xác không kém dự báo trước hai ngày hiện nay

Trung tâm nghiên cứu môi trường của Academia Sinica hiện đang sử dụng hệ LIDAR Raman do Hãng Raymetrics – Hy Lạp chế tạo để nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí và bụi có nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nông nghiệp Hệ LIDAR này sử dụng laser YAG Nd có công suất cao, năng lượng xung 200 mili Joule/xung ở bước sóng 532 nm và khoảng 70 mili Joule/xung ở 355 nm Anten thu quang học là một telescope loại Cassegrain có đường kính 40 cm Hệ điện tử thu tín hiệu LIDAR gồm 4 kênh

để thu tín hiệu ở 532 nm (phân cực dọc và phân cực ngang), tín hiệu LiDAR ở

355 nm, tín hiệu tán xạ Raman do khí Nitơ ở 387 nm Trong điều kiện thời tiết tốt hệ LIDAR này cã thể thu được tín hiệu do tán xạ Mie/Rayleigh ở 532nm hay 355nm từ khoảng cách 10 km và đo tín hiệu tán xạ Raman từ khí Nitơ đến khoảng cách 5-6 km

Tại Nga, Hãng Photonics Technology Obninsk hiện cung cấp thiết bị

YAG Nd có năng lượng xung cực đại khoảng 100 mili Joule/xung tại bước sóng 1064 nm và 50 mili Joule/xung tại bước sóng 532 nm Laser có tần số lặp lại 20 Hz và độ rộng xung 5 ns Anten thu quang học của hệ LIDAR này

là một telescope loại Cassegrain có kích thước 25 cm Hệ thu quang điện tử gồm hai kênh hoạt động ở chế độ đo tương tự, cho phép thu tín hiệu tán xạ tại hai bước sóng laser ở 1064 nm và 532 nm

Thiết bị LIDAR LSA-2C này có thể đo được tín hiệu tán xạ trở về từ khoảng cách tối đa đến 6 km Hệ này chỉ cho phép đo đạc phân bố trong không 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 hoạt động thường xuyên Hệ LIDAR của trường đại học National Central University sử dụng laser YAG

Nd và anten quang học loại Newton có kích thước 40 cm Mục đích của hệ LIDAR là nghiên cứu phân bố nhiệt độ khí quyển, vật lý của mây tầng cao và son khí

Một số trung tâm nghiên cứu môi trường trong khu vực Đông Á (East Asia) đó có liên hệ thành một mạng lưới nghiên cứu bụi Asian Dust Network

Kỹ thuật LIDAR đóng vai 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 của son khí và khí quyển từ các kênh tín hiệu do tán xạ Mie/Rayleigh và tán xạ Raman như loại của hãng Raymetrics là rất cao Chỉ

riêng hệ điện tử chuyên dụng của hãng Licel (đo tín hiệu trong hai chế độ tương tự và đếm photon đến tần số 250 MHz) có giá thành khoảng 60 ngàn USD, hay 15 ngàn USD cho mỗi kênh tín hiệu Hệ LIDAR của hãng Raymetrics tại Academia Sinica (Đài Loan) có giá thành khoảng 5 tỷ đồng Việt Nam

1.2.3 Nghiên cứu và ứng dụng LIDAR ở Việt Nam

Gần đây nhất, có hơn 600 nhà khoa học, nhà quản lý đến từ các nước châu Á và Bắc Mỹ đã tham gia Hội nghị viễn thám châu Á lần thứ 31 diễn ra vào sáng 1/11/2010, tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình – Hà Nội, do Hội Trắc địa bản đồ viễn thám Việt Nam phối hợp với Hội Địa lý tổ chức Tại hội nghị này, các nhà khoa học Việt Nam và thế giới 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 Phát biểu khai mạc hội nghị, Thứ trưởng Thường trực Nguyễn Văn Đức nhấn mạnh: “Những ngày gần đây, chúng ta đã trải qua nhiều thảm họa thiên nhiên ở nhiều vùng châu Á như lũ lụt tại Việt Nam, Thái Lan; núi lửa, động đất, sóng thần tại Indonesia đã gây ra những thiệt hại to lớn về con người và ảnh hưởng đến môi trường Nhận thức được những thảm họa mới xảy ra tôi tin rằng tất cả chúng ta rất đau xót và muốn đóng góp nguồn nhân lực cho việc dự báo, cảnh báo góp phần vào việc làm giảm bớt thảm họa của thiên nhiên”

1.2.3.1 LIDAR trong thống kê và dự đoán triều cường

Triều cường vốn là nỗi ám ảnh của người dân thành phố Hồ Chí Minh Trong khi cơ quan chức năng trên địa bàn thành phố vẫn đang loay hoay tìm giải pháp khắc phục thì Sở Khoa học và Công nghệ đã tiến hành triển khai dự

án ứng dụng công nghệ LIDAR xây dựng mô hình 3 chiều phục vụ quản lý đô thị thành phố Việc triển khai hoàn tất dự án có thể xác định chính xác cốt nền

của thành phố, đồng thời đưa ra thông tin cảnh báo, dự báo chính xác nguy cơ

bị ngập để người dân chủ động đối phó

Nếu nhập vào phần mềm xử lý một thông tin là mức triều cường khu vực quận Bình Thạnh dâng lên vào ngày mai là 1,53m, bản đồ mô hình 3 chiều sẽ chỉ ra chính xác những khu vực dân cư, tuyến đường bị ngập Điều này sẽ hỗ trợ tích cực cho người dân chủ động ứng phó tình hình ngập lụt, còn những phương tiện khi tham gia giao thông cũng biết trước thông tin để chuyển hướng giao thông, tránh những trục đường bị ngập nước do triều cường gây ra… Tương tự, đối với mực nước mưa hoặc nước biển dâng cũng

có thể được xử lý như vậy

Dữ liệu mà công nghệ LIDAR thu thập được có độ chính xác và độ phân giải cao Đặc biệt trong xây dựng mô hình ngập úng, công nghệ này giúp xác định chính xác ranh giới ngập úng, chỉ ra chính xác về thông tin những đối tượng trên địa vật chịu ảnh hưởng, thành lập bản đồ nguy cơ ngập úng, vùng ưu tiên sơ tán hoặc tiếp tục

Trung bình mỗi m2 máy xác định 2 điểm độ cao, mỗi điểm đều xác định 3 chiều Thông tin thu thập được sẽ được chuyển vào hệ thống xử lý, xây dựng mô hình và cuối cùng chuyển vào bộ phận lưu trữ Dự kiến dự án ứng dụng công nghệ LIDAR xây dựng mô hình 3 chiều bản đồ địa hình thành phố

sẽ xác định khoảng 3 tỷ điểm độ cao trên tổng diện tích hơn 2.000km2 Trên

cơ sở các điểm độ cao được xác định thì được đưa vào xử lý và xây dựng bản

đồ 3 chiều Từ đó, chỉ cần nhập thông tin về mực nước thủy triều, nước biển dâng hoặc lượng mưa đo được, lập tức phần mềm công nghệ sẽ xác định chính xác từng chi tiết những khu vực sẽ bị ảnh hưởng

Đồng thời dữ liệu từ LIDAR sẽ cung cấp bản đồ và thông số cho Sở Quy hoạch Kiến trúc về dữ liệu độ cao các công trình và độ cao cốt san nền

để quy hoạch sử dụng đất, kiến trúc; theo dõi giám sát san nền, sử dụng trong các đề án thiết kế hạ tầng (cấp nước, thoát nước…); Sở Giao thông Vận tải,

nghiên cứu quy hoạch hệ thống thoát nước, hệ thống giao thông, dự báo và điều phối chống ngập úng đô thị…

1.2.3.2 Nghiên cứu sol khí bằng kỹ thuật LIDAR

Tại Việt nam, trước nhiều nhu cầu ứng dụng kỹ thuật LIDAR phục vụ cho quân sự, cho nghiên cứu môi trường và dự báo khí tượng thủy văn, những nghiên cứu phát triển và ứng dụng hệ thống LIDAR đã sớm được nhiều trung tâm nghiên cứu trong nước quan tâm Một số cơ sở như Viện ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG/Viện KH&CN Quân sự, Viện Vật lý và Điện tử/Viện KH-CN Việt Nam… bước đầu đã có những nghiên cứu và phát triển hệ thống LIDAR ứng dụng cho nghiên cứu sol khí và một số ứng dụng khác tiếp cận LIDAR

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 kết 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 nhưng chưa được

đề cập đến Do đó, việc nghiên cứu và đưa ra giải pháp thiết kế chế tạo một hệ LIDAR vừa phù hợp với trình độ, giá thành và điều kiện triển khai ở Việt Nam là vấn đề mang cần thiết hiện nay

1.3 Kết luận

Chúng tôi đã tổng quan về LIDAR ở trong và nước ngoài và nhấn mạnh những ứng dụng của nó, trên cơ sở đó để thấy sự cần thiết của sự triển khai nghiên cứu của đề tài LIDAR của chương trình KC.01/06-10 mà Viện của chúng tôi đã chủ trì Các nội dung cụ thể sẽ được trình bày tiếp trong các phần sau

PHẦN 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG LIDAR ĐỂ

ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ KHÍ QUYỂN

2.1 Yêu cầu chung và giải pháp xây dựng hệ thống

Hệ LIDAR ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển của đề

tài có những mục tiêu chính như sau:

- Đo đồng thời tín hiệu LIDAR do tán xạ Mie do sol khí tại hai bước sóng 532nm và 1064nm đến độ cao 10km trong điều kiện thời tiết thuận lợi

- Đo hệ số phân cực của tín hiệu LIDAR tại bước sóng 532nm, từ đó xác định dạng hạt của sol khí

- Thu tín hiệu LIDAR do tán xạ Raman trên phân tử khí Nitơ ở 607nm khi laser phát bước sóng 532 nm tới độ cao 5km trong điều kiện thời tiết thuận lợi

Với các mục tiêu này đòi hỏi hệ LIDAR phải đáp ứng việc phát các xung laser ngắn, có đô rộng xung từ 5 – 10 nanô-giây, và có năng lượng xung lớn đến 300mJoule/xung ở bước sóng 1064 nm và 100 mJ/xung ở bước sóng 532nm Chùm laser tại cả hai bước sóng phải có độ phân kỳ thấp, nhỏ hơn 1 mrad Ngoài ra, để phục vụ việc đo hệ số phân cực của tín hiệu LIDAR đòi hỏi khối phát phải cho phép thay đổi phương phân cực thẳng của chùm laser

Do cường độ của tín hiệu LIDAR thay đổi rất mạnh tùy thuộc vào độ cao, cơ chế tán xạ, nên phần thu nhận tín hiệu LIDAR cần hoạt động trong cả hai chế độ: chế độ tương tự dùng cho tín hiệu do tán xạ Mie ở độ cao thấp, chế độ đếm photon dùng để đo đạc tín hiệu LIDAR do tán xạ Mie ở độ cao lớn và tín hiệu tán xạ Raman

Nhằm đáp ứng các yêu cầu khắt khe này, phần phát và thu nhận tín hiệu của hệ LIDAR được thiết kế theo mô hình sau:

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống LIDAR thăm dò khí quyển

2.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống

2.2.1 Cấu trúc hệ thống phát

Hệ thống phát được thể hiện trên hình 2.2, bao gồm hai nguồn phát bức

xạ laser xung nanô-giây công suất cao ở bước sóng 1064nm và 532nm Chùm laser tại hai bước sóng này được định hướng trong không gian bằng gương phát Độ phân kỳ của chùm tia laser sẽ được giảm từ khoảng 1mrad xuống 0.2mrad nhờ bộ giãn chùm 5x Kích thước của chùm laser được tăng lên từ 6

mm lên 30mm nhờ vào bộ giãn chùm 5x này Bản nửa sóng (λ/2) tại bước sóng 532nm cho phép thay đổi hướng phân cực thẳng của chùm laser nhằm phục vụ mục đích đo hệ số phân cực của tín hiệu lidar Hai photodiode nhanh

sẽ đo thời điểm phát của xung laser ở cả hai bước sóng để sử dụng làm xung trigger trong phép đo LIDAR