Thời gian gần đây, phổ kế siêu cao tần đang được sử dụng trong các nghiên cứu viễn thám về độ ẩm đất, độ ẩm sinh khối, cũng như độ phát xạ từ mặt nước biển và độ suy giảm của nó trong kh
Trang 1Thiết kế chế tạo phổ kế siêu cao tần băng X và ứng dụng
trong nghiên cứu môi trường Design and development of a microwave X-band radiometer
and its utilization for environmental investigations
Võ Thị Lan Anh, DMChung
Space Technology Institute, VAST, Viet Nam Email: vtlanh@sti.vast.ac.vn
K.G Kostov, B.I.Vichev
Institute of Electronics, BAS, Bulgaria Email: kgkostov@yahoo.com
Tóm tắt
Các thiết bị viễn thám siêu cao tần đang được sử dụng rộng rãi trên mặt đất, lắp đặt trên máy bay và vệ tinh do ưu điểm có thể hoạt động không phụ thuộc thời tiết, ngày – đêm và “nhìn” xuyên qua các lớp mây để nghiên cứu mặt đất Phổ kế siêu cao tần (RDM) là một trường hợp về thiết bị viến thám nghiên cứu từ xa các thông số môi trường như độ ẩm đất, độ mặn nước biển Vệ tinh đo đạc độ ẩm đất và độ mặn nước biển của Cơ quan vũ trụ châu Âu SMOS và vệ tinh HYDROS của NASA là 2 ví dụ điển hình về các thiết bị này
Thời gian gần đây, phổ kế siêu cao tần đang được sử dụng trong các nghiên cứu viễn thám về độ ẩm đất, độ ẩm sinh khối, cũng như độ phát xạ từ mặt nước biển và độ suy giảm của nó trong khí quyển
Bài viết này mô tả một số kết quả của đề tài hợp tác Nghị định thư Việt nam – Bungari “Thiết kế chế tạo phổ kế siêu cao tần băng X kiểu Dicke và ứng dụng trong nghiên cứu viễn thám các thông số môi trường ở Việt Nam”, đã nghiệm thu năm 2010
Abstract
Microwave remote sensing systems are widely used from ground-based, airborne and satellite platforms due to their nearly all-weather, day/night capability and relatively large penetration depth Microwave radiometers are the primary scientific instrument for remote sensing of soil moisture and sea surface salinity The European Space Agency Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) satellite mission and the National Aeronautics and Space Administration (NASA) HYDROS satellite mission are two fine examples of the most advanced research efforts in this field
Recently, microwave radiometers were used for remote sensing investigations of soil moisture, vegetation biomass as well as the sea surface microwave emission and the total path attenuation in the atmosphere This paper describes some results of the Bulgarian-Vietnamese protocol research project “Design and development of a Dicke type X-band microwave radiometer and its applications for remote sensing of the natural environment of Vietnam” that successfully completed in 2010
Chữ viết tắt
MW RS
RDM
Microwave remote sensing – viễn
thám siêu cao tần
Radiometer – phổ kế
SMC
SSS
Soil moisturre content – độ ẩm đất
Sea surface salinity – độ mặn nước
biển
Phần mở đầu
Như chúng ta đã biết, mọi vật chất, ngoại trừ ở nhiệt độ 0 tuyệt đối (T = 00K = -2730C), đều bức
xạ một năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ Hiện tượng này được gọi là sự phát xạ thụ động, hay sự phát xạ tự nhiên của vật chất Sóng điện từ này lan truyền trong không gian dưới dạng phổ bức xạ ở mọi dải tần số Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào môi trường và bản thân vật phát xạ, năng lượng này tương tác với môi trường, và bị hấp thụ khác nhau đối với mỗi dải tần số Trên cơ sở đó, các nhà khoa học đã chế tạo ra các thiết bị thu
Trang 2nhận năng lượng phát xạ từ vật chất, biến đổi
thành tín hiệu điện và số hóa, để từ đó xác định
các đặc tính cố hữu của vật chất Phương pháp đo
này không tiếp xúc với vật chất, được gọi là
phương pháp đo viễn thám Thiết bị đo tương ứng
được gọi là phổ kế (RDM) Phổ kế làm việc trong
dải sóng siêu cao 0.3-100cm), được gọi là phổ
kế siêu cao tần
Phổ kế siêu cao tần được phân chia thành nhiều
loại khác nhau: phổ kế quét (scanning RDM), phổ
kế ghi ảnh (imaging RDM), phổ kế quay
(push-broom RDM), v.v
Trong bài viết này, chúng ta chỉ xét đến loại
phổ kế quay, là loại phổ kế hoạt động ở một tần số
cố định, hay phổ kế đơn tần (single beam RDM),
với Anten có thể quay ở các góc tới khác nhau
Phổ kế quay bao gồm Anten, Máy thu và Bộ chỉ
thị, được mô tả như trong hình 1:
Anten
B, G P=k.B.G
Trong hình 1, Máy thu siêu cao tần được đặc
trưng bởi 2 tham số: độ rộng băng tần B và hệ số
khuếch đại G Tại đầu ra của phổ kế, công suất đo
được biểu thị như sau:
Phổ kế kiểu quay được chia thành 3 loại, trên
cơ sở điều chế tín hiệu đầu vào, bao gồm:
(1) Phổ kế kiểu công suất toàn phần (TPR):
làm việc theo nguyên lý khuếch đại thẳng tín hiệu
vào, sau đó được tách sóng theo nguyên tắc bình
phương
Điện áp ra được tính bằng công thức sau :
trong đó, c - hằng số, TA, TN - nhiệt độ anten và
tạp âm nhiệt, G – hệ số KĐ
(2) Phổ kế siêu cao tần kiểu Dicke: trong biểu
thức (2) của TPR, điện áp ra phụ thuộc vào tạp âm
TN, vi vậy bộ khuếch đại dễ bị bão hoà, dải tín
hiệu vào bị thu hẹp Để khắc phục tình trạng đó,
R.H Dicke đã tìm ra một phương pháp mới chế
tạo phổ kế có độ ổn định rất cao, gọi là phổ kế
kiểu Dicke [1] Nguyên lý của phổ kế kiểu Dicke
từ một nguồn nhiệt ổn định nào đó Kết quả sau 1
chu kỳ xung lấy mẫu, điện áp ra không phụ thuộc
(3) Phổ kế kiểu bơm tạp âm (NIR) : là kiểu phổ
kế có sai số tuyệt đối nhỏ nhất, vì tín hiệu ra không phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của máy và nhiệt
độ tạp âm [2] Từ công thức (3) đối với Phổ kế kiểu Dicke, nhận thấy Vra sẽ không phụ thuộc vào
Phổ kế kiểu bơm tạp âm là loại phổ kế đặc biệt, thực hiện điều kiện (4) một cách liên tục bằng mạch hồi tiếp kiểu Servo
2 Thiết kế chế tạo hệ phổ kế siêu cao tần băng
X kiểu Dicke 2.1 Sơ đồ khối
Sơ đồ khối của phổ kế kiểu Dicke được mô tả như trong hình 2 Đầu vào của phổ kế là bộ chuyển mạch Dicke, được điều khiển bằng bộ phát xung vuông Dicke có tần số Fs = (100-1000Hz), có độ rộng xung tx và thời gian nghỉ tsp bằng nhau Tín hiệu vào TA được truyền qua khoá Dicke trong 2 khoảng thời gian bằng nhau: tx cho tín hiệu từ anten TA và tsp cho tín hiệu chuẩn TR Sau 1 chu
kỳ xung Dicke s, tại đầu vào của bộ tích phân có các điện áp:
V1 = c (TA + TN).G V2 = c (TR + TN).G
Do Ts << (hệ số tích phân) nên trong chu kỳ
áp ra của phổ kế sẽ là : Vra = V1 - V2 = c (TA + TN) G – c (TR + TN) G = c (TA – TR) G (5)
trong khi hệ số khuếch đại G gần như không đổi Điện áp ra tỉ lệ thuận với độ chênh lệch giữa tín
rộng dải biên độ tín hiệu vào
Bộ phát
xung Dicke Anten Khoá
T A Dicke KĐ cao tần KĐ trung Bộ tách
và trộn t/số tần và Lọc sóng BP
T R
Bộ tạo N/độ Bộ chỉ thị Tích phân Bộ đệm chuẩn T R LCD và ADC đồng bộ
Hình 2 Sơ đồ khối Phổ kế kiểu Dicke (tách sóng điều biên)
2.2 Sơ đồ nguyên lý phổ kế siêu cao tần băng X kiểu Dicke
Hệ phổ kế SCT băng X kiểu Dicke được thiết
kế bao gồm 2 khối - Khối thu siêu cao tần (phần A) và Khối vi xử lý & nguồn nuôi (phần B), được kết nối với nhau bằng 2 dây cáp - cáp truyền dữ liệu và cáp cung cấp điện và nhiệt Đầu vào của
Trang 3phổ kế băng X được nối với Anten [7], được chế
đối tượng đo để thu năng lượng phát xạ Bộ lọc
băng thông có độ rộng 30MHz có chức năng lọc
nhiễu xạ điện từ trường bên ngoài Tần số xung lấy
mẫu được chọn khá thấp fs = 315 Hz Trong nửa
chu kỳ đầu của xung Dicke, khóa Dicke mở cho
tín hiệu vào từ Anten của phổ kế (TA) đến khối
khuếch đại tạp âm thấp Trong nửa chu kỳ sau,
khóa Dicke mở cho điện áp chuẩn TR từ tải phối
hợp (match load) đến khối khuếch đại tạp âm thấp
Bằng việc điều chỉnh tần số bộ phát sóng phụ có f
= (1.68 - 1.98) GHz, tần số trung tâm của máy thu
sẽ được điều chỉnh từ f = (10.95 - 11.25) GHz tại 8
vị trí của chuyển mạch trên mặt máy Phổ kế xử lý
độ chênh lệch giữa tín hiệu (TR-TA) để tín hiệu đầu
ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ Anten
Để giảm thiểu tạp âm nhiệt, trong Khối thu siêu
cao tần, nhiệt độ được bảo ôn, giữ ổn định
T=500C
Khối vi xử lý C được kết nối với các thiết bị
ngoại vi như phím bấm (4 nút), màn hình tinh thể
lỏng và cổng RS232 Một phần mềm đặc biệt được
phát triển nhằm thực hiện việc thu thập và xử lý số
liệu, tạo ra các lệnh điều khiển khác nhau tuỳ theo
chế độ hoạt động được chọn
Nguồn nuôi cho phổ kế băng X được cung cấp
từ mạng điện lưới 220…240V xoay chiều, tần số
50…60 Hz bao gồm 01 biến thế điện và bộ ổn áp
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của Phổ kế băng X
2.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của phổ kế SCT băng X
Sau khi phổ kế được chế tạo hoàn chỉnh, các
phép thử trong phòng thí nghiệm đã được tiến
hành với các thiết bị đo phổ, từ đó có các chỉ tiêu
kỹ thuật như sau:
- Thời gian tích phân: 1s
- Điện áp nguồn nuôi: 220 V (+5%, -10%), 50 Hz
- Tín hiệu ra: Điện áp tương tự (từ 0…5V ) và dạng số qua RS232 tới USB
Phổ kế có 2 chế độ làm việc: (1) REMOTE: dữ liệu đo được truyền trực tiếp vào máy tính; (2) LOCAL: số liệu được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng của phổ kế và được ghi chép bằng sổ tay
3 Ứng dụng hệ phổ kế siêu cao tần băng X đo
độ ẩm đất và sinh khối thực vật
Nguyên lý ứng dụng của phổ kế siêu cao tần trong nghiên cứu và giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường dựa trên việc đo nhiệt độ phát
xạ TB của các đối tượng tự nhiên bằng phổ kế Nhiệt độ phát xạ này phụ thuộc vào nhiệt độ vật lý
T0 của đối tượng, thành phần và cấu trúc – đặc trưng bằng hằng số điện môi của đối tượng Từ đó, dựa vào các mô hình bán thực nghiệm để tính ra các thông số môi trường như độ ẩm đất, sinh khối thực vật, độ mặn và nhiệt độ mặt nước biển, v.v
Để đo nhiệt độ phát xạ của một đối tượng, Anten của phổ kế cần được hướng vào đối tượng dưới góc tới q, thu được năng lượng bức xạ từ đối tượng, đặc trưng bởi cường độ bức xạ B, được biểu thị bằng công thức Rayleigh-Jeans [5]:
trong đó, B – cường độ bức xạ (Watt/m2), k =
sóng điện từ trường, e – độ phát xạ tự nhiên của đối tượng
Cường độ bức xạ B được Anten của phổ kế hấp thụ, tạo ra Nhiệt độ anten, được biểu thị bằng công thức sau:
4 1 4
trong đó, G() – hệ số khuếch đại của anten; T(- phân bố góc của nhiệt độ phát xạ của đối tượng;
Đối với các môi trường đồng nhất, đẳng nhiệt, phương trình (7) có thể gần đúng như sau:
TB(,p) [1 – R(,p)] T (8) e(,p) = 1 - R(,p) (9) trong đó, R(,p) – độ phản xạ, e(,p) – độ phát xạ
Độ phản xạ được tính bằng phương trình Fresnel như sau [3]:
2
2 2
sin cos
sin cos
) , (
h
2
2 2
sin cos
sin cos
) , (
v R
trong đó, chỉ số h – phân cực ngang; v – phân cực đứng; – hằng số điện môi của đối tượng tự nhiên
Trang 4Từ các công thức trên, độ phản xạ từ bề mặt
của các đối tượng tự nhiên (đất, thực vật, biển,
v.v.) phụ thuộc vào góc phản xạ và hằng số
điện môi () của đối tượng đó Hằng số điện môi
của các đối tượng là một số phức, phụ thuộc vào
đặc tính điện môi của các chất, đặc biệt là hàm
lượng nước chứa trong nó
3.1 Ứng dụng phổ kế siêu cao tần đo độ ẩm đất
Độ ẩm đất là một trong những tham số môi
trường thể hiện sự trao đổi năng lượng giữa mặt
đất và bầu khí quyển, lượng mưa cũng như lượng
nước còn đọng lại trong đất.Hiện nay, Cơ quan
quản lý Hàng không vũ trụ Hoa kỳ (NASA) đã và
đang tiến hành các đợt đo độ ẩm đất để kiểm
chứng số liệu của vệ tinh SMA, dự kiến phóng vào
năm 2014, qua đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của
biến đổi khí hậu Phổ kế siêu cao tần là một trong
những thết bị được dùng phổ biến để đo độ ẩm đất
Để xác định độ ẩm đất, nguyên lý ứng dụng
phổ kế siêu cao tần băng X như sau:
Từ công thức (9) (10), sau khi đo nhiệt độ phát
xạ của đât TB bằng phổ kế, ta sẽ xác định được
sau đó sử dụng mô hình hằng số điện môi
Wang- Schmugge để xác định độ ẩm của đất [4]
Ở một tần số cho trước, hằng số điện môi của
đất là hàm của độ ẩm đất, mật độ khối, thành phần
kết cấu, nhiệt độ đất và độ mặn, trong đó độ ẩm
đất ảnh hưởng lớn nhất đến Mô hình Wang -
Schmugge quan niệm hằng số điện môi là một số
Kết quả đo độ ẩm đất được thể hiện qua
chương trình tính toán và đồ thị như dưới đây [6]
Biến thiên ĐPX của đất ướt
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Góc tới (độ)
Emiss
Hình 4: Biến thiên độ phát xạ của đất ướt theo góc
tới
Hình 5 Giao diện chương trình tính toán độ ẩm
đất từ số liệu đo của phổ kế
3.2 Ứng dụng phổ kế siêu cao tần đo độ mặn nước biển
Trong ứng dụng viễn thám, biển là một trong những đối tượng nghiên cứu quan trọng nhất Do đặc tính mặt biển rất rộng, khá bằng phẳng, nên trong viễn thám, người ta có thể dùng các ảnh vệ tinh độ phân giải thấp hoặc trung bình để nghiên cứu, như ảnh NOOA, MODIS Các tham số về biển thường được quan tâm là nhiệt độ mặt biển (SST), độ mặn nước biển (SSS), hàm lượng thực vật phù du (chlorophyll-a), hàm lượng vật chất lơ lửng, v.v
Trong số các tham số nêu trên, độ mặn mặt nước biển (SSS) là một tham số rất quan trọng, quyết định đến giới hạn phân bố của các loài sinh vật thuỷ sinh, ảnh hưởng đến sự tồn tại và phát triển của các sinh vật trong thuỷ vực Nghiên cứu phân bố độ mặn nước biển cho phép đánh giá độ xâm nhập mặn tại các cửa sông, lưu lượng dòng chảy, hàm lượng thực vật phù du, dự đoán bãi cá, thực vật biển, v.v [7]
Số liệu đo độ phát xạ mặt biển của phổ kế băng
X được ghi lại tự động vào máy tính, được tự động chuyển sang nhiệt độ phát xạ sau khi nhập số liệu chuẩn hóa của phổ kế (với bầu trời xanh – Blue Sky và vật đen - Absorber)
Việc tính toán độ mặn nước biển (SSS) được tiến hành theo nguyên tắc chung của viễn thám SCT thụ động, bao gồm:
- Sử dụng phương trình Fresnel để xác định hằng
số điện môi (HSĐM) của nước biển (khi biết giá trị độ phát xạ đo được bằng phổ kế và góc tới);
- Lựa chọn và sử dụng mô hình bán thực nghiệm
để từ giá trị HSĐM và các thông số thực địa (như nhiệt độ, độ gồ ghề mặt biển, v.v.) tính ra độ mặn nước biển
Mô hình được dùng để xác định độ mặn nuốc biển là mô hình J Johnson xác định mối liên hệ giữa hằng số điện môi phức với độ mặn của nước biển [7]
Trang 5Ngoài ra, đề tài đã sử dụng mô hình Klein và
Swift để hiệu chỉnh phát xạ của vỏ tàu (Deck) và
sóng biển [6]
Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong đố thị
sau:
Do Son sea, 09.11.09, XRM, V-pol
100
120
140
160
180
200
Tbv, mod [K]
Tbv, est
Linear fit
Hình 6: Đồ thị thực nghiệm xác định nhiệt độ phát
xạ mặt nước biển
3.3 So sánh với kết quả đo của vệ tinh
AQUA-MODIS
Tại thời điểm 10h30’ ngày 9.11.2009, từ Trạm
thu ảnh MODIS của Viện Vật Lý, Viện KHCNVN
xác định được:
Hình 7 là ảnh MODIS chụp vùng biển Đồ Sơn
lúc 10:30AM, ngày 9/11/2009, đúng thời điểm hệ
phổ kế đa tần (băng L, C, X) đo độ phát xạ mặt
biển, để so sánh độ mặn nước biển được đo bằng 3
phương pháp khác nhau
Hình 7 Bản đồ độ muối mặt biển (SSS) ngày
9/11/2009 lúc 10h30’
So sánh với kết quả đo bằng phổ kế băng X, đo
bằng phương pháp kinh điển của Viện Tài nguyên
& Môi trường Biển, Viện KHCNVN và kết quả từ
vệ tinh MODIS, ta lập được bảng sau:
Phương
pháp đo
Kinh điển
(ống đo)
Viễn thám
MODIS
(Phổ kế)
SSS (psu)
Qua đó, nhận thấy kết quả của 3 phương pháp đo khá phù hợp Theo nhận xét tổng quan, độ mặn trung bình của nước biển vùng Hải Phòng là 31-32 psu Tuy nhiên, kết quả đo của cả 3 phương pháp đều thấy độ mặn giảm đi, phù hợp với thựcc tế là điểm đo gần cửa sông, vào ngày thời tiết xấu, biển động
4 Kết luận
Theo đánh giá của các chuyên gia Bungari, đợt thực nghiệm viễn thám xác định độ ẩm đất, sinh khối thực vật và độ mặn nước biển được tiến hành tại Việt Nam từ tháng 10 – 11/2009 sử dụng phổ
kế băng X kiểu Dick theo đề tài Nghị định thư
Việt Nam – Bungari: “ Thiết kế chế tạo Hệ phổ
kế siêu cao tần băng X kiểu Dicke và thử nghiệm ứng dụng hệ phổ kế trong điều tra và nghiên cứu môi trường” đạt kết quả rất tốt, khi
so sánh với các kết quả đo bằng phương pháp kinh điển Thuật toán dùng để xác định độ mặn mặt nước biển đã được kiểm nghiệm thành công với các số liệu đo đạc sử dụng phổ kế băng X
Kết quả của các đợt thực nghiệm sử dụng phổ
kế siêu cao tần băng X ở Việt Nam khẳng định đây
là một thiết bị rất đáng tin cậy và quan trọng trong công tác viễn thám, điều tra và nghiên cứu môi trường Các số liệu đo viễn thám đã được xử lý và cho kết quả phù hợp với thực tế Để có được kết quả này, đề tài đã tiến hành nhiều công việc chuyên môn, từ nghiên cứu chế tạo phổ kế SCT băng X, tiến hành các phép đo bằng phổ kế, các phép đo thực địa theo phương pháp phân tích truyền thống, thu thập và phân tích, tính toán các mẫu nước biển, mẫu đất, thu thập và xử lý các ảnh
vệ tinh MODIS để kiểm chứng
Đề tài xin ghi nhận sự đóng góp với trình độ khoa học công nghệ cao, sự tận tụy với công việc,
sự ủng hộ nhiệt thành với truyền thống hữu nghị tốt đẹp của Bộ Khoa học và Giáo dục Bungari, Viện Điện tử - Viện Hàn lâm Khoa học Bungari, các cán bộ khoa học tham gia đề tài, đặc biệt là
GS B.I Vichev và GS K.G Kostov thuộc Viện Điện tử, Viện Hàn lâm Khoa học Bungari
Tài liệu tham khảo
Neil Skou, Microwave Radiometer systems: Design and Analysis, Artech House
Joel T.Johnson, Brightness Temperature of a Flat Water Surface, 26 Feb, 2002
Trang 6Stogryn, P.A., Debye et al., The microwave
permittivity of sea and fresh water GenCorp
Aerojet: Azusa, CA, 1995
J.R.Wang & T.J Schmugge, An empirical model
for the complex dielectric permittivity of soil as a
pp.288-295
Jackson, T.J., Schmugge, T.J., Passive microwave
remote sensing system for soil moisture: some
supporting research, IEEE Trans Geosci.Remote
Sensing 27, 225-235, 1989
Kostov K.G, Vichev B.I, Experiments on
microwave remote sensing of soil moisture in
Vietnam, News 2004, Bulgarian Academy of
Sciences, Marin Drinov Academic Publishing
House, Sofia, 2005, pp 92-93
D.M.Chung, B.D.Trọng, NTLong, VTL Anh &
nnk, “Nghiên cứu ứng dụng viễn thám siêu cao tần
thụ động trong điều tra điều kiện tự nhiên và môi
trường Việt Nam” Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp
Nhà nước, thư viện Viện KH&CNVN, năm 2003
Hình 8 Ảnh chụp khối cao tần Phổ kế băng X
(2008)
Hình 9 Ảnh chụp thử nghiệm phổ kế băng X tại
Viện Điện tử Viện HLKH Bungari (2009)
Hình 10 Hệ phổ kế được gắn cố định trên mũi
tàu trong đợt thực nghiệm đo độ mặn nước biển (Đồ Sơn 9/2009)
1 PGS.TS Doãn Minh Chung, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện KHCNVN
2 ThS Võ Thị Lan Anh, Viện Công nghệ vũ trụ, Viện KHCNVN
3 Prof Boris Iliev Vichev, Viện Điện tử, Viện HLKH Bungari
4 Dr Kosta Georgiev Kostov, Viện Điện tử, Viện HLKH Bungari:
