Nghiên cứu xây dựng hệ đo thông số quang sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số và ứng dụng : Luận án TS. Vật lý: 62 44 03 01

Trong luận án này, chúng tôi trình bày một hướng tiếp cận mới ñể quan trắc thủy vực dựa trên việc xác ñịnh các thông số quang của tảo ñộc, hại khi chiếu một chùm laser vào thuỷ vực.. Về

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Tuấn Anh

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG 15

1.1 Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liên quan 15

1.2 Mô hình xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm môi trường thuỷ vực 16

1.2.1 Phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số tảo 16

1.2.2 Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực 18

1.2.3 Mô hình quan trắc thủy vực dự kiến 21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG 25

2.1 Tính chất vật lý cơ bản trong tương tác photon - ñối tượng sinh học 25

2.1.1 Hấp thụ ánh sáng 25

2.1.2 Tán xạ ánh sáng 26

2.1.3 Những thông số cơ bản trong lý thuyết tán xạ 28

2.1.4 Hàm tán xạ 29

2.1.5 Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biến hiện nay 30

2.2 Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫu sinh học 32

2.3 Lý thuyết chung về mô hình Kubelka-Munk 34

2.4 Lý thuyết chung về quả cầu tích phân 35

2.5 Xác ñịnh thành phần phản xạ và truyền qua bằng quả cầu tích phân 39

2.6 Lý thuyết chung về mô phỏng Monte Carlo 40

Chương 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MÔ PHỎNG MONTE CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ĐÔI 45

3.1 Áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho các mẫu dung dịch 45

3.2 Mối liên hệ giữa các hệ số K, S với µa, µs 52

Trang

3.3 Thiết kế quả cầu tích phân 54

3.4 Thiết kế quang hệ 58

3.5 Mô phỏng Monte Carlo cho các mẫu sinh học 59

3.5.1 Quá trình di chuyển photon trong mẫu 59

3.3.2 Mô phỏng Monte Carlo với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi 63

Chương 4 XÂY DỰNG HỆ ĐO, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ ĐO MẪU 66

4.1 Sơ ñồ khối hệ ño 66

4.2 Hệ ño với cấu hình ño chính xác 67

4.2.1 Cấu trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý tín hiệu số 67

4.2.2 Tổng quan về TMS320C6713 70

4.2.3 Khảo sát khả năng xử lý tín hiệu của DSK TMS320C6713 73

4.2.4 Thiết kế chế tạo ADC, tích hợp ADC-DSP và phát triển ứng dụng DSP 76 4.2.5 Kiểm tra hệ ño với tín hiệu chuẩn lối vào 80

4.3 Hệ ño với cấu hình ño nhanh 84

4.4 Chế tạo thiết bị 85

4.4.1 Các khối chức năng 86

4.4.2 Tối ưu thông số kỹ thuật 91

4.4.3 Hình ảnh và thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị 93

4.5 Đo mẫu 96

4.5.1 Đo mẫu chuẩn 96

4.5.2 Đo mẫu thủy vực chứa tảo ñộc, hại 103

KẾT LUẬN 120

KIẾN NGHỊ 122

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

PHỤ LỤC 135

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ biến ñổi Tương tự - Số

ALU Arithmetic Logic Unit Đơn vị lô gíc số học

BOD Biochemical oxygen demand Nhu cầu ôxy sinh học

CCS Code Composer Studio Môi trường soạn thảo mã

CDOM Colored Dissolved Organic

Matter

Chất hữu cơ hòa tan có mầu

CPLD Complex Programmable Logic

Device

Mô ñun lô gíc khả trình phức hợp

DAC Digital to Analog Converter Bộ biến ñổi Số - Tương tự

DMA Direct Memory Access Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DSK DSP Starter Kit Bo mạch phát triển Xử lý tín hiệu số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

EDMA Direct Memory Access Enable Cho phép truy cập bộ nhớ trực tiếp ELISA Enzyme-linked immunosorbent

assay

Phân tích kháng nguyên bằng Enzyme

EMIF External Memory Interface Giao diện bộ nhớ ngoài

EOC End of Conversion Kết thúc quá trình biến ñổi

FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn

g Asymmetric/ Anisotropy Hệ số bất ñối xứng

GPS Global Positioning System Hệ thống ñịnh vị toàn cầu

JTAG Joint Test Action Group Bộ nạp nhúng

K KM absorption coefficient Hệ số hấp thụ Kubelka-Munk

M Sphere Multiplier Hệ số nhân của quả cầu tích phân

MC Monte Carlo simumations Mô phỏng Monte Carlo

McASPs Multichannel audio serial ports Cổng nối tiếp âm thanh ña kênh McBSPs Multichannel buffered serial

ports

Cổng nối tiếp ñệm ña kênh

MERIS Medium Resolution Imaging

Spectrometer

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ phân dải trung bình

MODIS Moderate Resolution Imaging

Spectroradiometer

Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ phân dải thấp

S KM scattering coefficient Hệ số tán xạ Kubelka-Munk

SeaWiFS Sea-viewing Wide Field-of-View

WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Thời gian tính toán của DSP ñối với phép nhân hai ma trận n x n 74

Bảng 4.2: Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị 82

Bảng 4.3: Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị 83

Bảng 4.4: Tiêu chuẩn nguồn sáng cho việc kiểm tra chất lượng nguồn nước 86

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật cơ bản của chip laser sld102 tại nhiệt ñộ phòng 87

Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của ñầu thu OPT101 89

Bảng 4.7: Số liệu ño trên mẫu sữa tiêu chuẩn với các nồng ñộ khác nhau 97

Bảng 4.8: Số liệu ño µa ,µs và g theo MC và KM trên các mẫu sữa tiêu chuẩn 102 Bảng 4.9: Phổ huỳnh quang của tảo phụ thuộc vào bước sóng kích thích 105

Bảng 4.10: Phổ kích thích huỳnh quang của tảo 107

Bảng 4.11: R d , T d , T c của tảo P rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 109

Bảng 4.12: Tỷ lệ µs/µa thay ñổi theo mật ñộ tảo P Rhathymum 111

Bảng 4.13: R d , T d , T c của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ 112

Bảng 4.14: Tỷ lệ µs/µa thay ñổi theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia 114

Bảng 4.15: R d , T d , T c của tảo A minutum phụ thuộc vào mật ñộ 115

Bảng 4.16: Tỷ lệ µs/µa thay ñổi theo mật ñộ tảo A minutum 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần phản xạ ñược các ñầu cảm biến thu ñược .18

Hình 1.2 Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược 19

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo 21

Hình 1.4 Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến 22

Hình 2.1 Photon bị ñổi hướng do tán xạ 26

Hình 2.2 Cơ chế phát huỳnh quang và lân quang 27

Hình 2.3 Nguyên lý tán xạ Raman 28

Hình 2.4 Đo thành phần hấp thụ 31

Hình 2.5 Đo tán xạ ngược 31

Hình 2.6 Đo thành phần tán xạ xuôi 32

Hình 2.7 Bức xạ của tia tới trên thể tích ds dA tại vị trí r từ hướng s ’ vào hướng s33 Hình 2.8 Mô hình Kubelka-Munk 34

Hình 2.9 Phản xạ Lambertian 36

Hình 2.10 Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân của bề mặt khuếch tán 36

Hình 2.11 Trao ñổi bức xạ giữa hai phần tử bên trong quả cầu 36

Hình 2.12 Bức xạ bên trong quả cầu tích phân 37

Hình 2.13 Mối liên hệ giữa ñộ dọi vào số lần phản xạ 38

Hình 2.14 Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe và hệ số phản xạ trong 38

Hình 2.15 Đo thành phần phản xạ và truyền qua nhờ quả cầu tích phân 39

Hình 2.16 Do tán xạ, photon bị lệnh hướng với góc lệnh θθθθ, và góc phương vị Ψ 40

Hình 2.17 Lấy mẫu biến ngẫu nhiên nhờ sử dụng số ngẫu nhiên ξξξξ 41

Hình 3.1 Photon tán xạ với góc θθθθ 52

Hình 3.2 Photon tán xạ trong một ñơn vị góc ñặc d sˆ 53

Hình 3.3 Mối liên hệ giữa hệ số nhân, hệ số phản xạ và tỷ lệ diện tích khe 55

Hình 3.4 Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và bước sóng làm việc 56

Hình 3.5 Mặt cắt và hình ảnh bên ngoài của quả cầu tích phân kép 58

Hình 3.6 Tạo chùm sáng chuẩn trực 58

Hình 3.7 Mô tả mối liên hệ giữa góc θθθθ và θθθθi tại mặt trên và mặt dưới mẫu 62

Hình 3.8 Toạ ñộ của photon thay ñổi khi có phản xạ trong 62

Hình 3.9 Lưu ñồ mô phỏng MC kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi 64

Hình 4.1 Sơ ñồ khối hệ ño 66

Hình 4.2 Kiến trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý dữ liệu số 67

Hình 4.3 Kiến trúc bên trong của DSK TMS320C6713 71

Hình 4.4 Cấu trúc lõi DSP TMS320C6713 73

Hình 4.5 Thời gian tính toán khi sử dụng và không sử dụng cấu trúc song song 75

Hình 4.6 Tỷ lệ thời gian tính toán giữa có và không sử dụng cấu trúc song song 75

Hình 4.7 Thời gian tính toán khi CT viết bằng C và Assembler cấu trúc song song .76

Hình 4.8 Tỷ lệ thời gian tính toán giữa C và Assembler cấu trúc song song 76

Hình 4.9 Sơ ñồ khối phép ño dựa trên phát triển DSK TMS320C6713 77

Hình 4.10 Sơ ñồ khối ADC tích hợp với DSK TMS320C6713 78

Hình 4.11 Sơ ñồ nguyên lý tích hợp ADC và DSK TMS320C6713 78

Hình 4.12 Bo mạch ADC tích hợp với DSK TMS320C6713 79

Hình 4.13 Lưu ñồ quá trình ñọc dữ liệu từ ADC 79

Hình 4.14 Giao tiếp giữa các khối trong tích hợp ADC với DSP 80

Hình 4.15 Kiểm tra hệ ño với các tín hiệu chuẩn lối vào 81

Hình 4.16 Thông số của tín hiệu chuẩn trên các cửa sổ sau khi tích hợp với DSP.81 Hình 4.17 Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị 82

Hình 4.18 Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị 84

Hình 4.19 Xác ñịnh R d , T d , T c dựa trên kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi 85

Hình 4.20 Sự phụ thuộc của cường ñộ bức xạ vào góc phát xạ và bước sóng 87

Hình 4.21 Đường ñặc tuyến P-I của laser diode 88

Hình 4.22 Sơ ñồ khối mạch ñiều khiển laser diode 88

Hình 4.23 Đáp ứng tần số của ñầu thu photoodiode OPT101 89

Hình 4.24 Kết nối ADC vào hệ ño 90

Hình 4.25 Lưu ñồ truy nhập dữ liệu từ ADC 90

Hình 4.26 Xác ñịnh thành phần T d 91

Hình 4.27 Xác ñịnh thành phần R d 92

Hình 4.28 Xác ñịnh thành phần T 92 c Hình 4.29 Hình ảnh bên ngoài của thiết bị 93

Hình 4.30 Giao diện chính của thiết bị 94

Hình 4.31 Cửa sổ giao diện xem kết quả ño của thiết bị 95

Hình 4.32 Cửa sổ giao diện ñặt cấu hình của thiết bị 96

Hình 4.33 Hình ảnh các hạt béo trong sữa 97

Hình 4.34 Sự phụ thuộc của R d, T d và T c vào nồng ñộ sữa 98

Hình 4.35 Khảo sát sự phụ thuộc của T c vào nồng ñộ sữa theo các tác giả khác 99

Hình 4.36 Sự phụ thuộc của µ s vào nồng ñộ sữa 99

Hình 4.37 Giá trị của µ a , µ s và g theo tài liệu công bố của tác giả khác 100

Hình 4.38 Sự phụ thuộc của µ a vào nồng ñộ sữa 100

Hình 4.39 Sự phụ thuộc của g vào nồng ñộ sữa 101

Hình 4.40 Sự phụ thuộc của µ a,µs,g vào nồng ñộ sữa ño theo MC và KM 103

Hình 4.41 Sơ ñồ bố trí phép ño phổ huỳnh quang 104

Hình 4.42 Phổ huỳnh quang của một số loài tảo vùng thuỷ vực Đồ Sơn 105

Hình 4.43 Sơ ñồ bố trí phép ño phổ kích thích huỳnh quang 106

Hình 4.44 Phổ KTHQ của một số loài tảo ñộc, hại vùng thuỷ vực Đồ Sơn 107

Hình 4.45 R d, T d, T c của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 109 Hình 4.46 µa, µs,g của tảo Prorocentrum rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ 110

Hình 4.47 Thay ñổi của tỷ lệµs/µa theo mật ñộ tảo Prorocentrum rhathymum 111

Hình 4.48 R d, T d, T c của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ 112

Hình 4.49 µa, µs,g của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ 113

Hình 4.50 Thay ñổi của tỷ lệµs/µa theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia 114

Hình 4.51 R d, T d, T c của tảo A minutum phụ thuộc vào mật ñộ 115

Hình 4.52 µa, µs,g của tảo A minutum phụ thuộc vào mật ñộ 116

Hình 4.53 Thay ñổi của tỷ lệµs/µa theo mật ñộ tảo A minutum 117

MỞ ĐẦU

Các phương pháp xác định đối tượng dựa trên thơng số quang đã được biết đến

từ khá lâu Từ những năm 70 của thế kỷ 18, người ta đã sử dụng đĩa Secchi được thả chìm dưới nước để đo độ trong của ao, hồ thơng qua việc quan sát ánh sáng phản xạ từ đĩa Cùng với những tiến bộ trong khoa học, cơng nghệ và kỹ thuật, ngày nay, trong nhiều lĩnh vực khác nhau: cơng nghệ sinh học, cơng nghệ chế biến thực phẩm , người ta đã chế tạo ra những thiết bị chuyên dụng cho phép xác định thành phần hấp thụ, thành phần tán xạ khi chiếu một chùm sáng qua mẫu, nhờ đĩ, xác định được thành phần và chất lượng sản phẩm [56, 74, 80, 92, 97, 104, 105]

Trong vài thập kỷ gần đây, trong lĩnh vực y tế, người ta rất quan tâm đến hướng nghiên cứu về mơ, tế bào dựa trên phân tích thơng số quang của đối tượng gồm hệ

số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất đối xứng [24, 26, 34, 43, 64, 89] Nhiều mơ hình đã được áp dụng cho hướng này: mơ hình Kubelka-Munk, mơ hình lan truyền bức xạ, mơ phỏng Monte Carlo…[37, 44, 46, 73], từ đĩ, đưa ra nhiều phương pháp chẩn đốn như chẩn đốn hình ảnh, phương pháp quang phổ…[32, 64, 68, 79, 81] Trong thời gian gần đây, các phương pháp đo thơng số quang cịn được mở rộng sang lĩnh vực mơi trường để quan trắc quá trình phát triển của tảo độc, hại, đặc biệt là hiện tượng thuỷ triều đỏ hay cịn gọi là sự nở hoa mà nguyên nhân là do sự bùng phát của các lồi tảo độc, hại cĩ trong thuỷ vực Chỉ trong vài ngày, mật độ tảo độc, hại cĩ thể từ vài trăm tế bào/ml tăng lên đến hàng triệu tế bào/ml Trên thực

tế, sự bùng phát của tảo độc, hại vừa là nguyên nhân, vừa là hậu quả của ơ nhiễm thuỷ vực: khi bị ơ nhiễm, thủy vực chuyển từ nghèo dưỡng sang giàu dưỡng, tạo điều kiện thuận lợi cho tảo độc, hại bùng phát Sau khi bùng phát, tảo độc, hại bước sang giai đoạn phân hủy và thải độc tố ra mơi trường Vì vậy, người ta lấy mật độ tảo độc, hại làm một chỉ báo thể hiện mức độ ơ nhiễm của thủy vực đĩ [84]

Đứng trước nguy cơ ơ nhiễm thuỷ vực ngày càng gia tăng, nhiều hội nghị quốc

tế về ơ nhiễm thuỷ vực đã được tiến hành, điển hình là các hội nghị quốc tế về tảo độc được tổ chức 2 năm một lần kể từ năm 1980 (lần thứ 13 vào năm 2008 tại Hồng Kơng, lần thứ 14, năm 2010 tại Hy Lạp) để trao đổi thơng tin khoa học, đưa ra các

phương pháp nghiên cứu mới, hiện ñại nhằm cảnh báo, giám sát và giảm thiểu tác hại do tảo ñộc, hại gây ra ñối với hệ sinh thái, ñối với ngành thủy sản, du lịch… Tại Việt Nam, nhiều ñề tài, dự án nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiến hành, trong ñó, phải kể ñến Chương trình hợp tác nghiên cứu cơ bản vi tảo ñộc, hại

ở vùng ven bờ biển Việt Nam giữa Viện Hải Dương Học Nha Trang và Trung tâm Khoa học và Truyền thông về Tảo ñộc hại của Uỷ ban liên chính phủ về Hải dương học IOC, Đan Mạch Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, các nhà khoa học ñã khẳng ñịnh cần phải khẩn trương xây dựng chương trình quan trắc quốc gia về tảo ñộc ñể phát hiện, cảnh báo và ñưa ra các giải pháp ñối phó kịp thời [17]

Hiện nay, trên thế giới, người ta ñã áp dụng một số phương pháp khác nhau ñể quan trắc thuỷ vực, chủ yếu là quan trắc khi tảo ñộc, hại ñã vào giai ñoạn bùng phát hoặc quan trắc tại phòng thí nghiệm với thời gian mất vài tuần Việc xác ñịnh nhanh các thông số của thủy vực ngay ngoài hiện trường và quan trắc thủy vực có mật ñộ tảo ở mức vài chục tế bào/ml ñể cảnh báo sớm sự bùng phát của chúng vẫn còn là một thách thức và do vậy, chúng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay chủ yếu dựa trên việc xác ñịnh phổ huỳnh quang của tảo ñộc, hại có trong môi trường Hiện nay, các phương pháp này chỉ phân biệt ñược khoảng 5 nhóm tảo theo vùng phổ Trong khi ñó, theo các nhà khoa học, ô nhiễm thuỷ vực do tảo ñộc, hại gây ra có thể ñược nhận biết dựa trên thông số quang của chúng gồm hấp thụ và tán xạ [26, 35, 36, 54, 61, 66, 75, 88, 108] Vì vậy, việc xây dựng phép ño các thông số quang của thủy vực có tảo ñộc, hại cũngcó thể là một hướng ñể xây dựng hệ quan trắc thủy vực tại nước ta

Trong luận án này, chúng tôi trình bày một hướng tiếp cận mới ñể quan trắc thủy vực dựa trên việc xác ñịnh các thông số quang của tảo ñộc, hại khi chiếu một chùm laser vào thuỷ vực Hệ ño cho phép ño nhanh, chính xác và ño ñồng thời ba thông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và

hệ số bất ñối xứng

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của ñề tài

Phương pháp ño thông số quang có thể ñược áp dụng trên nhiều loại ñối tượng khác nhau Tuy nhiên, trong luận án này, chúng tôi tập trung xây dựng hệ ño áp dụng cho ñối tượng là các mẫu dung dịch có nồng ñộ thấp các hạt tán xạ Việc xây dựng thành công hệ ño này sẽ hứa hẹn khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: xét nghiệm máu nhằm phát hiện sớm tế bào lạ, kiểm tra an toàn nguồn nước nhờ phát hiện nhanh các tạp chất, tảo, nấm có trong môi trường…

Để xây dựng hệ ño, về mặt phương pháp luận, chúng tôi ñã nghiên cứu, kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi với mô phỏng Monte Carlo và mô hình Kubelka-Munk

Về mặt kỹ thuật, chúng tôi ñã áp dụng một số phương pháp xử lý tín hiệu gồm: (i) xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song song và

kỹ thuật ñường ống, cho phép thực hiện khối lượng tính toán lớn và yêu cầu ñồng thời xử lý nhiều kênh, chế tạo ADC và tích hợp ADC với DSP qua cổng mở rộng bộ nhớ ngoài; (ii) xử lý tín hiệu tương tự dựa trên các ñầu thu photodiode hybrid ñộ nhạy cao và biến ñổi ADC; (iii) xử lý tín hiệu ánh sáng bao gồm việc chế tạo nguồn sáng chuẩn trực, ñiều khiển laser bán dẫn ñể ñảm bảo công suất phát của laser luôn

ổn ñịnh, tích hợp quang ñiện tử giữa nguồn sáng chuẩn trực, hệ hai quả cầu tích phân, các ñầu thu,…; (iiii) xây dựng các mô ñun phần mềm ñiều khiển, tính toán, hiển thị …dựa trên ADC chuyên dụng, các thuật toán theo mô hình Kubelka-Munk

và mô phỏng Monte Carlo… Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của luận án có thể ñược tóm tắt như sau:

 Mục tiêu của ñề tài:

o Xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực vùng ven bờ biển Việt Nam có mật ñộ tảo thấp trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp, mô hình phù hợp và dựa trên công nghệ tích hợp quang ñiện tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu Hệ ño làm việc theo hai cấu hình: ño nhanh và ño chính xác ba thông số quang gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng;

o Trên cơ sở hệ ño ñã xây dựng, chế tạo một thiết bị ño lưu ñộng, cho phép ño nhanh, ño ñồng thời ba thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp

 Nội dung nghiên cứu:

o Tìm hiểu và mô tả ñối tượng nghiên cứu dưới góc ñộ vật lý bao gồm các thông

số quang như hệ số tán xạ, hệ số hấp thụ và hệ số bất ñối xứng;

o Lựa chọn và phân tích chi tiết mô hình áp dụng cho thuỷ vực biển ven bờ Việt Nam ñể xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có tảo ñộc, hại gồm mô hình kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo Kỹ thuật chính ñược sử dụng gồm có:

- Kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu ánh sáng dựa trên việc chế tạo nguồn sáng chuẩn trực

có ñiều khiển, chế tạo quang hệ, chế tạo hệ thu tín hiệu quang;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển mô hình Kubeka-Munk kết hợp

kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu số dựa trên xây dựng thuật toán cho mô phỏng Monte Carlo phù hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;

- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ADC chuyên dụng;

- Xử lý tín hiệu số dựa trên phát triển ứng dụng DSP sử dụng cấu trúc song song, kỹ thuật ñường ống;

o Đo thông số quang của một số mẫu sữa tiêu chuẩn, mẫu tảo ñộc ñã ñược phân lập và nuôi với mật ñộ tảo khác nhau

Tình hình nghiên cứu

Để xác ñịnh thông số quang của thủy vực có tảo ñộc, hại, người ta thường sử dụng phương pháp truyền thống ño trong phòng thí nghiệm như Phương pháp Utefrmohl [85], Buồng ñếm Sedgewick Rafter [48, 98], Kỹ thuật nhuộm mầu [7, 69], Phương pháp ELISA [2] Ngoài ra, hiện nay, ñể xây dựng hệ thống quan trắc thuỷ vực, người ta còn tiếp cận theo hai hướng chủ yếu sau:

 Kết hợp các phép ño ngoài thực ñịa với các số liệu hình ảnh thu ñược từ các ñầu cảm biến ñặt trên vệ tinh Một chương trình xử lý ảnh chuyên dụng sẽ phân tích thông số quang của thủy vực dựa trên các bức ảnh thu ñược;

 Xây dựng các thiết bị chuyên dụng ño phổ huỳnh quang của tảo

Tại Việt Nam, hiện nay, các phép ño về tảo ñược tiến hành tại phòng thí nghiệm, theo phương pháp truyền thống và chưa có công trình công bố nào ñề cập ñến phương pháp ño thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp (các phương pháp quan trắc thuỷ vực nêu trên sẽ ñược trình bày chi tiết trong chương 1)

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Dưới góc ñộ vật lý, ñối tượng nghiên cứu là bộ ba thông số quang của mẫu dung dịch gồm hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng

Về mặt thực nghiệm, trong khuôn khổ luận án, chúng tôi tập trung vào hai ñối tượng là dung dịch sữa có tỷ lệ chất béo 4% ñược pha chế với nồng ñộ khác nhau và

03 mẫu tảo ñộc ñã ñược phân lập và nuôi ở mật ñộ khác nhau Dung dịch sữa thường ñược sử dụng làm mẫu chuẩn trong lĩnh vực lý sinh do các phần tử sữa ñược kết dính thành các hạt có dạng hình cầu với kích thước ổn ñịnh [67, 90] Các mẫu tảo ñộc ñược sử dụng trong hệ ño ñể ñánh giá khả năng xác ñịnh thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp

Tảo ñộc, hại về hình thái cũng tương tự như những loài tảo khác: kích thước nhỏ, sống trôi nổi trong tầng ñáy, dạng nghỉ ở giai ñoạn bào xác và chỉ thải ñộc tố ra thuỷ vực khi bị phân hủy Hay nói cách khác, trong ñiều kiện bình thường, tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực chỉ là tiềm ẩn của rủi ro Theo khuyến cáo của tổ chức y tế thế giới WHO, khi mật ñộ tảo ñến một ngưỡng nào ñó (ví dụ 1000 tế bào/ml ñối với tảo lam), nguồn nước ñược xem là bị ô nhiễm nặng nề [38]) Tuy nhiên, việc phát hiện tảo với mật ñộ thấp dưới 1000 tế bào/ml là một công việc khó khăn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG 1.1 Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liên quan

Thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam hiện có khoảng 70 loài tảo ñộc, hại [55] Trong thời gian qua, nhiều công trình nghiên cứu về tảo ñộc, hại ñã ñược tiến hành tại Việt Nam thông qua các chương trình hợp tác quốc tế với nội dung chính là khảo sát phân bố và ñộ phong phú của các loài tảo ñộc, hại trong các thủy vực ven bờ biển Việt Nam Hiện nay, nghiên cứu tảo ñộc, hại trên thế giới và trong nước ñược tiến hành theo bốn hướng chủ yếu là [8, 13]: (i) ñiều tra, phát hiện vùng xuất hiện tảo ñộc, hại và các hiệu ứng của ñộc tố; (ii) nghiên cứu về những loài tảo gây ñộc và phương pháp phát hiện chúng, tác ñộng của ñiều kiện môi trường lên sự nở hoa và

sự tích luỹ ñộc tố; (iii) nghiên cứu về ñộc tố của tảo và các nhóm ñộc tố; (iiii) giám sát và quản lý tảo ñộc, hại

Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung vào hướng nghiên cứu phương pháp phát hiện tảo ñộc, hại có trong thủy vực và hướng giám sát tảo ñộc, hại

Hiện nay ở nước ta có bốn Trung tâm quan trắc và cảnh báo môi trường, trong

ñó, có ba Trung tâm vùng nội ñịa ñặt tại ba miền: Bắc, Trung, Nam và một Trung tâm vùng biển Tần xuất quan trắc ñược thực hiện hai lần/năm vào các tháng 4, 5

và các tháng 9, 10 Dựa trên các tiêu chuẩn ñánh giá, cảnh báo ô nhiễm gồm TCVN 5943-1995, tiêu chuẩn của Bộ Thuỷ sản 2006, hiện nay, bộ thông số môi trường áp dụng cho hoạt ñộng quan trắc, phân tích môi trường biển ven bờ gồm có: (i) bộ thông số khí tượng - thuỷ văn với các thông số gồm nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất, các thông số về sóng, gió, dòng chảy; (ii) bộ thông số môi trường nước và trầm tích với các thông số như: ñộ muối, ñộ pH, COD, BOD, ñộ ñục, ñộ trong, kim loại nặng…; (iii) bộ thông số sinh vật gây bệnh và chỉ thị chất lượng môi trường gồm tảo ñộc, hại và thực vật phù du khác, vi sinh vật, ñộng vật phù du, ñộng vật ñáy

Để xây dựng ñược các bộ thông số trên, người ta phải tiến hành nhiều công ñoạn gồm thu thập mẫu, bảo quản mẫu, vận chuyển mẫu và lưu trữ mẫu

• Thu thập mẫu: Thông thường, người ta phải dùng các phương tiện như tầu,

thuyền, lưới vớt tảo, ñược trang bị GPS, ñi ñến những ñiểm cần lấy mẫu

• Bảo quản mẫu: Tuỳ theo các loại thơng số cần đo, mẫu được bảo quản trong

các loại bình chứa khác nhau và với điều kiện bảo quản khác nhau

• Vận chuyển mẫu: Thơng thường, sau khi lấy mẫu, các mẫu cần được vận

chuyển về phịng thí nghiệm trong thời gian sớm nhất

• Lưu trữ mẫu: Trước và sau khi đo đạc, mẫu luơn phải được lưu trữ

Sau mỗi đợt quan trắc, các số liệu được ghi chép vào sổ tay phân tích và dựa vào đĩ, người ta đánh giá hiện trạng ơ nhiễm Như vậy, theo quy trình xác định các thơng số của tảo độc, hại hiện nay, tồn tại những thực tế sau:

1.Các cơng đoạn: thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu tốn rất nhiều cơng sức và thời gian;

2.Các phép đo được thực hiện trong phịng thí nghiệm, mất nhiều thời gian nên khơng phù hợp khi cĩ yêu cầu cần cảnh báo nhanh;

3.Các kết quả đo được lưu trữ bằng phương pháp ghi chép thủ cơng nên khơng tránh khỏi những sai sĩt, nhầm lẫn đáng tiếc

1.2 Mơ hình xác định mức độ ơ nhiễm mơi trường thuỷ vực

1.2.1 Phương pháp truyền thống xác định thơng số tảo

1.Thơng số về phổ huỳnh quang của tảo độc, hại:

Các lồi vi tảo cĩ thể được phân thành từng nhĩm theo sắc tố [58, 59] Nhìn chung, tất cả các lồi tảo đều chứa sắc tố mầu xanh Chlorophyll a và cĩ thể chứa thêm sắc tố phụ như Chlorophyll b, Chlorophyll c, Carotenoit, Xanhtophyll, trong đĩ: Chlorophyll a hấp thụ tại bước sĩng 436 nm, phát huỳnh quang tại 685 nm;

Chlorophyll b hấp thụ tại bước sĩng 645 nm; Chlorophyll c hấp thụ tại 630 nm

2.Thơng số về hình dạng, kích thước của tảo độc, hại:

Hiện nay, trong thuỷ vực ven bờ biển Việt Nam, tảo độc, hại được phân chia thành năm ngành: Vi Khuẩn Lam, Tảo Silíc, Tảo Hai Roi, Tảo Sợi Bám, Tảo Kim Nhìn chung, hình dạng và kích thước của các lồi tảo độc, hại rất khác nhau: cĩ lồi liên kết thành tập đồn, cĩ lồi hình que, cĩ lồi hình trịn dẹt… Kích thước của chúng cũng thay đổi: cĩ lồi cĩ kích thước chỉ vào khoảng vài µm nhưng cũng cĩ lồi cĩ kích thước lên đến vài chục µm [16, 67]

3. Các phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số của tảo ñộc, hại:

Phương pháp truyền thống xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm do tảo ñộc, hại gây ra dựa trên việc xác ñịnh mật ñộ tảo và ñộc tố Sau ñây là các phương pháp thông dụng:

• Phương pháp Utermohl

Theo phương pháp Utermohl, người ta sử dụng một buồng chứa kết hợp gồm một bình hình trụ (dung tích: 5, 10, 25, 50, 100 ml) ñược ñặt ở phía trên cùng và một buồng chứa phẳng có ñáy có thể tháo rời, ñược ñặt ở phía dưới Khi cho mẫu vào bình, các phần tử có xu hướng lắng ñọng Người ta bỏ ñi phần trên và chỉ ñể lại phần lắng ñọng nơi ñáy bình, sau ñó, quan sát chúng dưới kính hiển vi

• Phương pháp buồng ñếm Sedgewick Rafter

Buồng ñếm Sedgewick Rafter là những tấm trong suốt với ô trung tâm chứa ñược 100 mm3 chất lỏng Đáy của buồng ñược chia thành các ô lưới ñều với diện tích 1 mm2 Khi chất lỏng ñược chứa vào ô trung tâm, lưới sẽ chia ñều 1 mililít chất lỏng thành microlít Kết hợp với việc quan sát chất lỏng dưới kính hiển vi, chúng ta có thể ñếm ñược số lượng phần tử có trong một ñơn vị thể tích

• Kỹ thuật nhuộm mầu

Trước khi nhuộm, mẫu phải ñược làm sạch bằng hoá chất ñể loại bỏ tế bào chất Phẩm nhuộm hay ñược sử dụng là Carmin (cho mầu hồng nhạt hay tím nhạt nếu vách tế bào cấu tạo từ cellulose) hoặc pectin hay phẩm nhuộm xanh iod (cho mầu xanh lục nếu vách tế bào thấm lignin hoặc suberin)

1.2.2 Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận định: thơng số về tảo đĩng một vai trị quan trọng trong quan trắc thuỷ vực và xem chúng là chỉ số đánh giá sự xuống cấp thuỷ vực [42] Trên thực tế, ngay cả đối với những lồi tảo khơng

cĩ độc tố, sau giai đoạn phát triển sẽ là giai đoạn thối hố và phân huỷ Trong giai đoạn này, chúng sẽ hấp thụ ơ xy và do đĩ, gây ơ nhiễm mơi trường Như vậy, để xây dựng được một hệ thống quan trắc thuỷ vực cĩ hiệu quả, nhất thiết phải giám sát được quá trình thay đổi các thơng số của tảo

Hiện nay, trên thế giới, người ta đã đưa ra một số phương pháp quan trắc thuỷ vực Những phương pháp chính cĩ thể kể đến là:

1 Phương pháp kết hợp giữa số liệu thực địa với số liệu thu được từ các đầu cảm biến đặt trên vệ tinh:

Đây là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay trên thế giới, đặc biệt

là tại châu Âu, để quan trắc quá trình nở hoa của tảo độc, hại trên đại dương [25, 27,

28, 30, 45, 51, 67, 76, 99, 100] Theo đĩ, người ta kết hợp giữa các số liệu thu được

từ các đầu cảm biến quang đặt trên vệ tinh bao gồm thiết bị phân tích phổ hình ảnh như SeaWiFS, MODIS, MERIS với các số liệu đo ngồi thực địa

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc phân tích ảnh phản xạ do mặt trời chiếu xuống bề mặt đại dương, được các đầu cảm biến đặt trên vệ tinh thu được Dựa trên các đặc tính của hình ảnh gồm mầu sắc và cường độ sáng, người ta dự đốn được mật độ của các phần tử cĩ trong thuỷ vực (hình 1.1)

Hình 1.1 Các thành phần phản xạ được các đầu cảm biến thu được

(1) Bức xạ từ thuỷ vực, (2) Phản xạ từ đáy thuỷ vực, (3) Phản xạ từ bề mặt nước-khơng khí, (4) Bức xạ trong khí quyển, (5) Bức xạ do phản xạ với các phần tử khác

Bức xạ tổng hợp L , d mà các ñầu cảm biến nhận ñược là [75]:

atm

trong ñó L W,L s,L a,L b,L l lần lượt là bức xạ từ thuỷ vực, từ bề mặt nước-không khí,

từ khí quyển, từ ñáy thuỷ vực và từ các phần tử khác nằm trong trường nhìn của ñầu thu; T atm là tỷ lệ bức xạ truyền qua khí quyển Mỗi thành phần bức xạ trên lại phụ thuộc vào các thông số hình học như góc tới θi, góc phản xạ θr, góc phương vị giữa tia tới và tia phản xạ φ (hình 1.2)

Hình 1.2 Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược

Trong số các thành phần ảnh hưởng ñến chất lượng hình ảnh, người ta ñặc biệt quan tâm ñến thành phần bức xạ của các phần tử có trong thuỷ vực L - thành phần w

liên quan trực tiếp ñến các thông số quang của các phần tử có trong thuỷ vực, ñồng thời, tìm cách tránh ảnh hưởng của các thành phần khác Nhìn chung, những thành phần nói trên lại phụ thuộc vào từng vùng thuỷ vực và từng vùng ñịa lý

Thành phần phản xạ từ bề mặt ñại dương ñược xác ñịnh dựa vào hệ số phản xạ bức xạ (irradiance reflectance) R(λ) Một cách tổng quát, hệ số phản xạ R ñược

biểu diễn như sau [75]: ( )λ ( ) ( )λ ( )λ λ

b

b b a

b f R

Hệ số hấp thụ tổng hợp a( )λ và tán xạ tổng hợp b b( ) λ có thể ñược biểu diễn qua các hệ số hấp thụ và tán xạ của các phần tử có trong thuỷ vực như sau:

Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Đại dương Hàn Quốc ñã nhận ñịnh: mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải biết ñược thông số

quang của thủy vực có các loài tảo gây ra hiện tượng thuỷ triều ñỏ [42]

2 Phương pháp quan trắc dựa trên phổ huỳnh quang của tảo:

Dựa trên ñặc tính tảo có thể phát huỳnh quang khi hấp thụ ánh sáng tại một bước sóng thích hợp, nhiều nhà khoa học tại nhiều nước phát triển ñã ñi theo hướng lấy cường ñộ huỳnh quang của tảo làm chỉ báo cho mức ñộ ô nhiễm thuỷ vực Theo hướng này, các nhà khoa học ñang cố gắng xây dựng những thiết bị chuyên dụng ño phổ huỳnh quang của tảo trong môi trường tự nhiên Khi ñó, người ta sẽ sử dụng một nguồn sáng có bước sóng thay ñổi chiếu vào mẫu nước cần ño [26] Có thể kể ñến những công trình nghiên cứu tiêu biểu gần ñây như:

• Dự án nghiên cứu, xây dựng hệ thống quan trắc thuỷ vực do trường Đại học Tổng hợp Umaine, Orono, USA bắt ñầu tiến hành từ tháng 3 năm 2007 [101] với mục tiêu là xây dựng một hệ thống các ñầu thu ñể quan trắc tảo trong nguồn nước, qua ñó, ñánh giá mức ñộ an toàn của nguồn nước sinh hoạt Các nhà khoa học ñã sử dụng mức ñộ huỳnh quang làm chỉ báo ô nhiễm nguồn nước;

• Gần ñây, hãng bbe của CHLB Đức ñã giới thiệu thiết bị ño phổ huỳnh quang của tảo trong môi trường tự nhiên Thiết bị gồm những khối chính là: nguồn sáng (ñược cấp bởi 5 ñèn LED công suất lớn với dải phổ có bước sóng ñỉnh lần lượt tại: 450 nm, 525 nm, 570 nm, 590 nm và 610 nm); hệ thấu kính nhằm hội

tụ chùm sáng chiếu vào mẫu; buồng chứa mẫu; ñầu thu nhân quang ñiện ñộ

nhạy cao và các mạch xử lý tín hiệu [102, 103] Hình 1.3 mô tả cấu tạo của thiết bị

Hình 1.3 Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo

1.2.3 Mô hình quan trắc thủy vực dự kiến

Nhìn chung, các loài tảo khác nhau sẽ có hình dạng, kích thước và cấu tạo khác nhau Do vậy, nếu chiếu một chùm sáng thích hợp vào mẫu thuỷ vực, các thành phần hấp thụ và tán xạ sẽ khác nhau với các loài tảo khác nhau Dựa vào ñộ lớn của các thành phần này, ta có thể xác ñịnh thông số quang của thuỷ vực ñó

Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực khá thấp nên thành phần hấp thụ cũng như tán xạ thu ñược khi chiếu một chùm sáng qua mẫu thuỷ vực là nhỏ Để xác ñịnh các thông số quang của các mẫu thuỷ vực có tảo ñộc, hại, trong luận án này, tác giả ñã áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho trường hợp

ño nhanh và mô phỏng Monte Carlo khi cần có kết quả ño chính xác Để ño ñược các thành phần hấp thụ và tán xạ khá nhỏ, tác giả ñã sử dụng kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi kết hợp với một số phương pháp xử lý tín hiệu

Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến ñược mô tả trên hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến

Theo mô hình trên, các thành phần tán xạ ngược, tán xạ xuôi và hấp thụ sẽ lần lượt ñược các ñầu thu PD1, PD2, PD3 nhận biết Thông số quang của mẫu gồm hệ

số hấp thụ, hệ số tán xạ và hệ số bất ñối xứng ñược tính toán dựa trên tín hiệu lối ra của ba ñầu thu này, theo mô hình Kubelka-Munk hoặc mô phỏng Monte Carlo kết hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi Hệ ño có một số ñặc ñiểm chính sau:

1 Cho phép ño ñồng thời các thông số quang của thủy vực có mật ñộ tảo thấp cỡ vài trăm tế bào/ml;

2 Đo nhanh thông số quang của thuỷ vực khi lựa chọn phép ño theo mô hình Kubelka-Munk kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi;

3 Đo chính xác khi lựa chọn phép ño theo mô phỏng Monte Carlo;

4 Đo thông số quang một cách trực tiếp nên không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như thành phần phản xạ từ khí quyển, phản xạ từ ñáy thuỷ vực…;

5 Tự ñộng sao lưu các kết quả ño ñạc

H ệ quang

Kh ố i x ử lý tín hi ệ u

PC

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Hiện nay, vấn ñề ô nhiễm thuỷ vực mà một trong những nguyên nhân gây ra là

sự bùng phát của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực (hiện tượng thuỷ triều ñỏ hay còn gọi là hiện tượng nở hoa) ñã trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu Trong ñiều kiện bình thường, mật ñộ tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực vào khoảng vài chục ñến vài trăm tế bào/ml Khi bùng phát, chỉ sau vài ngày, mật ñộ tảo có thể lên ñến hàng triệu tế bào/ml Để giảm thiểu thiệt hại do ô nhiễm thuỷ vực gây ra, người

ta ñã áp dụng nhiều phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên việc xác ñịnh các thông số quang của các loài tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực ñó Tuy nhiên, hiện nay, việc quan trắc thuỷ vực có mật ñộ tảo dưới 1000 tế bào/ml còn gặp nhiều khó khăn Trong các công trình nghiên cứu trong thời gian gần ñây, các nhà khoa học trên thế giới ñã khẳng ñịnh mấu chốt của một hệ quan trắc thuỷ vực là phải xác ñịnh ñược hệ số hấp thụ µa và hệ số tán xạ µs của tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực

Các phương pháp quan trắc thuỷ vực hiện nay gồm có:

1 Phương pháp truyền thống bao gồm phương pháp Utefrmohl, phương pháp buồng ñếm Sedgewick Rafter, kỹ thuật nhuộm mầu, phương pháp ELISA Các phương pháp này ñược tiến hành trong phòng thí nghiệm nên ñòi hỏi nhiều công ñoạn gây tốn kém và mất nhiều thời gian (thường mất vài tuần) gồm công ñoạn thu thập mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu, lưu trữ mẫu Do ñó, phương pháp này không phù hợp trong trường hợp cần có kết quả ño nhanh hoặc quan trắc hiện tượng thuỷ triều ñỏ;

2 Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên phân tích ảnh bức xạ từ mặt ñất ñược nhận biết bởi các ñầu thu ñặt trên vệ tinh, kết hợp với các số liệu ño thực ñịa: phương pháp này cho phép quan trắc trên diện rộng nhưng tốn kém và ñòi hỏi những phần mềm xử lý ảnh chuyên dụng;

3 Phương pháp quan trắc thuỷ vực dựa trên xác ñịnh phổ huỳnh quang của tảo ñộc, hại có trong thuỷ vực: các loài tảo ñộc, hại phát huỳnh quang nhờ các sắc

tố Tuy nhiên, nhiều loài tảo có cùng nhóm sắc tố nên phương pháp quan trắc này chỉ giới hạn trong khoảng 5 nhóm tương ứng với vùng phổ

Với ñịnh hướng xây dựng hệ ño thông số quang của thuỷ vực có mật ñộ tảo ñộc, hại dưới 1000 tế bào/ml và có thể ño nhanh, chính xác nên ñề tài ñã lựa chọn

mô hình Kubelka-Munk và mô phỏng Monte Carlo, kết hợp với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi, kỹ thuật phát triển ứng dụng ADC chuyên dụng, kỹ thuật phát triển ứng dụng DSP với cấu trúc song song và kỹ thuật ñường ống, kỹ thuật xử lý tín hiệu

số, tương tự, kỹ thuật tích hợp và xử lý tín hiệu ánh sáng Hệ ño cho phép xác ñịnh ñồng thời hệ số hấp thụ µa, hệ số tán xạ µsvà hệ số bất ñối xứng g dựa trên việc xác ñịnh ñồng thời các thành phần tán xạ ngược R d, tán xạ xuôi T d và thành phần truyền qua T c khi chiếu một chùm laser vào thuỷ vực Với phương pháp này, bên cạnh việc quan trắc ñược thuỷ vực có mật ñộ tảo thấp, ñề tài ñã xây dựng ñược phương pháp giảm thiểu thời gian xử lý tín hiệu Ngoài ra, có thể xác ñịnh ñược hệ

số bất ñối xứng g ngay trong quá trình ño ñạc theo mô hình Kubelka-Munk và thực hiện mô phỏng Monte Carlo mà không cần phải sử dụng thiết bị khác ñể xác ñịnh trước hệ số này

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG 2.1 Tính chất vật lý cơ bản trong tương tác photon - ñối tượng sinh học

Trong tương tác photon - ñối tượng sinh học, về phương diện vật lý, người ta thường quan tâm ñến các thông số liên quan ñến hấp thụ và tán xạ như hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ, hệ số bất ñối xứng (còn ñược gọi là ñộ bất ñẳng hướng), hàm pha tán xạ, hệ số suy giảm tổng thể, hệ số tán xạ rút gọn

2.1.1 Hấp thụ ánh sáng

Khi photon tương tác với một phân tử, phân tử ñó có thể từ mức năng lượng cơ bản nhảy lên trạng thái kích thích và sau ñó, sẽ lại nhảy xuống trạng thái cơ bản theo nhiều cơ chế khác nhau và có thể sẽ phát ra một photon như hiện tượng phát huỳnh quang, lân quang Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, phân tử sẽ quay về mức năng lượng cơ bản mà không bức xạ do năng lượng ñược hấp thụ ñã bị biến ñổi thành nhiệt năng hoặc dạng khác như dao ñộng nguyên tử, dịch chuyển hạt tải

và dịch chuyển quỹ ñạo phân tử Nói tóm lại, khi photon của chùm sáng tương tác với phân tử hoặc nguyên tử của ñối tượng, bức xạ của chùm sáng ñó sẽ bị suy giảm

do năng lượng ñã ñược sử dụng ñể kích thích và làm thay ñổi mức năng lượng của phân tử hoặc nguyên tử ñó Hiện tượng này ñược gọi là hấp thụ ánh sáng và thường ñược ñặc trưng bởi hệ số hấp thụ µa[mm−1] - là ñại lượng mà khi photon dịch chuyển trên một vi phân chiều dài dx của một mẫu ñồng nhất thì xác suất photon bị hấp thụ trên ñoạn ñường ñó sẽ là µa dx [81, 87, 96]

Nếu gọi dI là vi phân của cường ñộ I của một chùm chuẩn trực dịch chuyển qua một lớp vô cùng bé dx của mẫu ñồng nhất có hệ số hấp thụ µa thì:

Thành phần nghịch ñảo

a

µ

1 ñược gọi là ñộ dài hấp thụ và là quãng ñường tự

do trung bình mà một photon di chuyển ñược trước khi bị hấp thụ

Độ truyền qua T ñược ñịnh nghĩa là tỷ số giữa cường ñộ ánh sáng truyền qua

Tán xạ ánh sáng là hiện tượng khi photon lan truyền theo hướng sˆ , sau khi va

chạm với phần tử có kích thước nhỏ thì bị ñổi hướng sang hướng ˆs'(hình 2.1)

Hình 2.1 Photon bị ñổi hướng do tán xạ

Để áp dụng lý thuyết tán xạ một cách phù hợp, người ta phải quan tâm ñến một thông số quan trọng là hệ số kích thước [60]: x= ka trong ñó k là số sóng; a là bán kính phần tử Số sóng k ñược tính theo công thức

λ

πn

k = 2 trong ñó n là chiết

suất của môi trường; λ là bước sóng

Có hai loại tán xạ: tán xạ ñàn hồi và tán xạ không ñàn hồi

1 Tán xạ ñàn hồi:

Tán xạ ñược gọi là ñàn hồi khi năng lượng của photon không bị thay ñổi sau tán xạ Những dạng tán xạ ñàn hồi cơ bản gồm có tán xạ Rayleigh ñược áp dụng cho các phần tử có kích thước nhỏ, hệ số kích thước x<<1 và tán xạ Mie ñược áp dụng cho các phần tử hình cầu, kích thước bất kỳ Khi kích thước hạt lớn hơn nhiều

so với bước sóng, ñôi khi người ta áp dụng lý thuyết nhiễu xạ

Vì tán xạ không ñàn hồi chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ trong các mẫu sinh học nên trong các mục tiếp theo, khi nói ñến tán xạ trong các mẫu sinh học, tác giả ñã hàm ý tán xạ ñàn hồi

2 Tán xạ không ñàn hồi:

Tán xạ ñược gọi là không ñàn hồi nếu sau khi bị tán xạ, photon có năng lượng khác với năng lượng ban ñầu Sau khi photon tương tác với phân tử, phân tử ñó, có thể, sẽ nhảy lên mức kích thích và lại nhảy xuống mức cơ bản, phát ra một photon

• Phát huỳnh quang và phát lân quang

Trong cơ chế phát huỳnh quang và lân quang, phải mất một khoảng thời gian sau khi phân tử ñược kích thích, ánh sáng mới ñược phát ra và chúng có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng kích thích Hình 2.2 mô tả nguyên lý của hai cơ chế phát sáng này

Hình 2.2 Cơ chế phát huỳnh quang và lân quang

Trong trường hợp phát huỳnh quang, sau khi nhảy lên mức kích thích, phân tử

sẽ nhảy xuống mức dao ñộng thấp hơn sau một khoảng thời gian trễ (thường không bức xạ) Tiếp ñến, phân tử sẽ nhảy xuống mức cơ bản và phát xạ một photon có năng lượng thấp hơn năng lượng ban ñầu với thời gian sống từ 10-9 ñến 10-6 giây Trong trường hợp phát lân quang, sau khi nhảy lên mức kích thích, phân tử sẽ chuyển sang mức kích thích khác thông qua cơ chế dịch chuyển mức năng lượng bên trong (inter-system crossing) trước khi nhảy xuống mức cơ bản và phát ra một photon Thời gian sống của photon trong cơ chế phát lân quang lớn hơn so với cơ chế phát huỳnh quang: từ 10-6 ñến 102 giây

S 0

S 1

M ứ c kích thích

M ứ c c ơ b ả n Phát hu ỳ nh quang Phát lân quang

D ị ch chuy ể n m ứ c n ă ng

l ượ ng bên trong

P 1

• Tán xạ Raman

Hình 2.3 mô tả nguyên lý tán xạ Raman [1, 4, 5, 15, 33, 96]

Hình 2.3 Nguyên lý tán xạ Raman

Sau khi nhảy lên trạng thái kích thích, có một lượng nhỏ các phân tử không trở

về trạng thái cơ bản mà nhảy xuống mức dao ñộng cao hơn, khi ñó, photon ñược phát xạ có năng lượng bé hơn năng lượng của phân tử ñược kích thích Trong cơ chế này, hiện tượng trễ không xảy ra và ñược gọi là tán xạ Raman Vạch phổ ñược tạo ra gọi là vạch phổ Stokes

Nếu số lượng các phân tử nằm tại mức dao ñộng ñủ lớn thì rất có thể chúng sẽ nhảy lên mức kích thích có năng lượng cao hơn năng lượng của photon kích thích

Do ñó, khi nhảy xuống trạng thái cơ bản, photon ñược phát xạ có năng lượng cao hơn năng lượng của photon kích thích, tạo ra vạch phổ ñối Stockes

2.1.3 Những thông số cơ bản trong lý thuyết tán xạ

Tán xạ, thường ñược ñặc trưng bởi hệ số tán xạ µs [mm−1], phụ thuộc nhiều vào kích thước của các phần tử tán xạ: với kích thước nhỏ cỡ 1000 nm, tán xạ sẽ tuân theo quy luật Rayleigh, với kích thước lớn hơn 4000 nm, tán xạ sẽ tuân theo công thức Fresnel và khi ñó, mức ñộ tán xạ R sẽ phụ thuộc vào sự khác nhau giữa s

chiết suất của mẫu n với chiết suất của môi trường 2 n theo công thức: 1

( )

1 2

2 1 2

n n

n n

( x)dx x

trong ñó thành phần p(x)= µsexp(−µs x) còn ñược gọi là mật ñộ xác suất

Khoảng cách trung bình ñể xảy ra sự kiện tán xạ là:

)(cos)

',

' '

1coscos

2ˆ

,

π

d p

d s s

Mức ñộ bất ñối xứng của tán xạ ñược thể hiện qua hệ số bất ñối xứng g :

( θ) ( θ)

θ cos coscos

1

1

d p

4

' 4

' '

)ˆ,ˆ)(

ˆ,ˆ)

ˆ,ˆ

)ˆ.ˆ)(

ˆ,ˆ

d s s s s p d

s s p

d s s s s p

1exp

x

s s

x dx xp x

µ µ

µ

Đại lượng 1µt ñược gọi là quãng ñường tự do trung bình giữa các sự kiện hoặc là tán xạ, hoặc là hấp thụ Một ñại lượng khác cũng hay ñược nhắc ñến là hệ số suy giảm µtr:

2

cos21

14

1

θπ

θ

g g

g

P HG

−+

0

1sin

P HG ; ∫π ( ) ( )θ P HG θ π ( )θ dθ = g

0

sin2

2

21

12

1

µ

µ

g g

g

P HG

−+

2.1.5 Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biến hiện nay

Các phép ño thành phần hấp thụ thường ñược xây dựng dựa trên ñịnh luật Beer

mô tả quá trình suy giảm cường ñộ sáng do hấp thụ sau khi chiếu một chùm tia qua mẫu [37, 41, 106, 107] (hình 2.4)

Hình 2.4 Đo thành phần hấp thụ

Chùm sáng chuẩn trực ñược tách ra làm hai phần: một phần ñến ñầu thu PD1, phần còn lại ñi vào mẫu Sau khi qua mẫu, cường ñộ sáng của chùm truyền thẳng bị suy giảm do hấp thụ và ñược ñầu thu PD2 nhận biết Tỷ lệ tín hiệu giữa PD2 và PD1 sẽ cho chúng ta biết mức ñộ hấp thụ của mẫu

Đối với thành phần tán xạ, trong những nghiên cứu sâu hơn, người ta thường phân ra thành tán xạ ngược và tán xạ xuôi

Thông thường, tán xạ ngược ñược ño theo sơ ñồ mô tả trên hình 2.5 [57]

Hình 2.5 Đo tán xạ ngược

Chùm sáng chuẩn trực sau quang hệ ñược tách ra thành hai phần nhờ lăng kính 1: một phần ñến ñầu thu PD1, một phần ñi vào mẫu Sau khi tương tác với mẫu, chùm tán xạ ngược ñược thu nhỏ lại nhờ lăng kính 2, qua quang hệ, hội tụ ñến ñầu

Đầ u thu PD1

Đầ u thu PD2

thu PD2 Tỷ lệ tín hiệu từ các ñầu thu PD2 và PD1 sẽ cho biết ñộ lớn của thành phần tán xạ ngược

Tán xạ xuôi có thể ñược xác ñịnh theo sơ ñồ mô tả trên hình 2.6 [70]

Hình 2.6 Đo thành phần tán xạ xuôi

Chùm sáng chuẩn trực, sau khi ñi qua bộ chia, ñược tách thành hai phần: một phần ñi tới ñầu thu PD1, phần còn lại tiếp tục truyền thẳng tới mẫu và bị tán xạ sau khi tương tác với mẫu Chùm sáng truyền qua mẫu gồm hai phần: tán xạ và chuẩn trực Thành phần chuẩn trực bị chặn lại do không tham gia vào thành phần tán xạ Các tia tán xạ, sau ñó, ñược thu gom lại nhờ quang hệ và quả cầu tích phân Tỷ lệ giữa tín hiệu thu ñược từ PD2 và PD1 sẽ cho biết ñộ lớn của thành phần tán xạ xuôi

2.2 Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫu sinh học

Ánh sáng lan truyền trong các mẫu sinh học chủ yếu bị tác ñộng bởi hấp thụ, tán xạ và thường ñược mô tả bằng phương trình truyền bức xạ hoặc bằng các mô hình gần ñúng Về mặt nguyên tắc, chúng ta có thể mô tả bằng lý thuyết ñiện từ trường, khi ñó, mẫu sinh học sẽ ñược xem là môi trường có hằng số ñiện môi ε(r)

thay ñổi theo không gian và sự thay ñổi của trường ñiện từ ñược mô tả bằng phương trình Maxwell Phương pháp này không thực tế vì rất phức tạp Do vậy, ñể ñơn giản hóa, người ta ñã bỏ qua tính chất sóng của ánh sáng gồm sự phân cực và giao thoa Hơn nữa, ñối với tính chất hạt của ánh sáng, người ta cũng bỏ qua tương tác không ñàn hồi Trong lý thuyết lan truyền bức xạ, người ta chỉ quan tâm ñến dòng năng lượng chảy qua môi trường

B ộ chia

Ngu ồ n sáng

Đầ u thu PD1

M ẫ u Hệ quang

Đầ u thu PD2

Qu ả c ầ u tích phân

Phương trình truyền bức xạ liên quan ñến sự thay ñổi ñộ bức xạ L tại vị trí r

theo hướng sˆ Chúng ta hãy xét sự thay ñổi bức xạ, chiếu vào khối hình trụ có tiết diện vi phân dA[m2] và ñộ dài vi phân ds (hình 2.7)

Hình 2.7 Bức xạ của tia tới trên thể tích ds dA tại vị trí r từ hướng s ’ vào hướng s

Khi dịch chuyển một ñoạn ds , bức xạ sẽ thay ñổi như sau:

),()

,(

),()(

),(

s r L ds s r L ds

s r L ds

s r dL

s a

s a

µµ

ωµ

4

' ' '

)ˆ,()ˆ,ˆ)

,(r s ds p s s L r s d

µ

µ

4

' ' '

),()

ˆ,()ˆ,()

,()

,()

,

(

s r S d s r L s s p s

r L s

r L ds

s

r

dL

s s

trong ñó L là ñộ bức xạ [W/m2.sr], µalà hệ số hấp thụ [1/m], µslà hệ tán xạ [1/m], )

Hapke ñược áp dụng trong khoa học khí quyển…[29, 31] Trong lĩnh vực lý sinh, người ta hay áp dụng mô hình Kubelka-Munk (KM), phương pháp cộng kép và mô phỏng Monte Carlo (MC), trong ñó, mô hình KM thường ñược sử dụng nhiều hơn

cả vì khối lượng tính toán không nhiều mà lại cho kết quả phù hợp với thực nghiệm

2.3 Lý thuyết chung về mô hình Kubelka-Munk

Năm 1931, Kubelka và Munk ñã ñề xuất lý thuyết mô tả ñồng thời hấp thụ và tán xạ ánh sáng xảy ra trong môi trường gồm nhiều lớp mỏng song song, kế tiếp nhau [49, 64, 82, 93-95] Lan truyền ánh sáng bên trong các lớp ñược mô tả dưới dạng hai dòng bức xạ vuông góc với bề mặt mẫu (hình 2.8) và diễn ra ñồng thời

Hình 2.8 Mô hình Kubelka-Munk

Mô hình KM hai dòng bức xạ ñược giả thiết với các ñiều kiện sau [93]:

1 Mẫu gồm vô hạn các lớp mỏng, song song, xếp liên tiếp nhau và bỏ qua các ñiều kiện biên;

2 Mẫu ñồng nhất về mặt quang học (các hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ là ñồng nhất tại bất cứ ñiểm nào trong mẫu);

3 Tán xạ xảy ra trong các hình bán cầu một cách ngẫu nhiên và ñẳng hướng (không phụ thuộc vào góc giữa hướng tới và hướng tán xạ);

4 Chùm photon liên tục và hệ số tán xạ không phụ thuộc vào bước sóng

r

i

) 0 (

i t +

)(x dx

dx

Khi chiếu một chùm ánh sáng có cường ñộ I0 vào mẫu, tại mỗi lớp bất kỳ, tồn tại hai dòng bức xạ: dòng bức xạ xuôi i t ( x) theo hướng tia tới và bức xạ ngược

)

(x

i r theo hướng ngược lại Nếu ký hiệu K và S lần lượt là hệ số hấp thụ và tán xạ

 Thành phần tán xạ theo hướng ngược với tia tới S i t ( x): thành phần này làm giảm cường ñộ dòng bức xạ i t ( x);

 Thành phần hấp thụ K i t ( x): cũng làm giảm cường ñộ dòng bức xạ;

 Thành phần tán xạ của dòng bức xạ ngược S i r(x+dx): thành phần này tham gia vào và làm tăng cường ñộ dòng bức xạ i t ( x)

 Từ hình 2.8, ta có: i t(x+dx)=i t(x)−(K +S)i t(x)dx+Si r(x)dx (2.22) Một cách tương tự, ñối với dòng bức xạ ngược, ta có:

dx x Si dx x i S K x i dx x

i r( − )= r( )−( + ) r( ) + t( ) (2.23) Viết lại các phương trình (2.22) và (2.23), ta có hệ phương trình sau [93]:

=

)()(

)()

(

)()()(

)(

x i S K x Si dx

x di

x Si x i S K dx

x di

t r

t

t r

r

2.4 Lý thuyết chung về quả cầu tích phân

Để áp dụng mô hình KM, chúng ta phải xác ñịnh ñồng thời các thành phần hấp thụ và tán xạ Cả hai thành phần này có thể xác ñịnh ñược nhờ kỹ thuật quả cầu tích phân (là một linh kiện quang dạng cầu, rỗng, bên trong ñược phủ một lớp vật liệu có

hệ số phản xạ khuếch tán cao, lý tưởng là 100% - hình 2.9) Khi chiếu một chùm sáng vào trong quả cầu tích phân, các tia sáng sẽ phản xạ khuếch tán nhiều lần, nhờ

ñó, ánh sáng ñược phân bố ñều tại mọi ñiểm bên trong quả cầu [52, 83]

Hệ phương trình (2.24) ñược gọi là hệ phương trình vi phân tuyến tính

Kubelka-Munk hai dòng bức xạ

thì khi ñi qua một lớp có chiều dày dx , cường ñộ dòng bức xạ xuôi i t ( x) sẽ bị thay

ñổi với sự ñóng góp của ba thành phần:

Hình 2.9 Phản xạ Lambertian

1 Trao ñổi bức xạ bên trong quả cầu tích phân

Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân ñược mô tả trên hình 2.10

Hình 2.10 Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân của bề mặt khuếch tán

Phần năng lượng chuyển dịch từ dA ñến 1 dA ñược gọi là hệ số trao ñổi [52]: 2

2 1 2

1

coscos

dA s

dF d d

π

θθ

=

trong ñó θ1 và θ2 là góc tạo với pháp tuyến bề mặt

Với dA và 1 dA là hai phần tử mặt trong của quả cầu (hình 2.11), ta có: 2

S A

d d

A

A R

A R

dA

2 2 2

2 2

1

44

2θ

s

R

1θ1

dA

R

2θ

s

2

dA

2 Phương trình bức xạ của quả cầu tích phân

Khi chiếu một chùm sáng vào bề mặt khuếch tán, ánh sáng sẽ bị phản xạ, tạo ra

một nguồn sáng ảo và thường ñược biểu diễn qua ñộ dọi L [52]:

trong ñó ρ là hệ số phản xạ, A là diện tích bị chiếu sáng, φi là quang thông tới, π

là tổng góc ñặc nhìn từ bề mặt khuếch tán

Nếu gọi A là diện tích khe vào, i A là diện tích khe ra (hình 2.12) thì tổng e

quang thông trên toàn bộ mặt trong quả cầu sẽ là:

A

A A A

ρφ

Hình 2.12 Bức xạ bên trong quả cầu tích phân

Nếu ñặt ( )

s e i

A A A

f = +

là tỷ lệ diện tích khe thì sau lần phản xạ thứ hai, tổng

quang thông trên toàn bộ mặt trong quả cầu sẽ là φiρ2(1− f )2 và sau lần phản xạ

)1(

)1(1)1

(1

)1

(

f

f i

Độ dọi bên trong quả cầu tích phân sẽ là [52]:

)1(1)

1(1

)1()

1

f f

A

L

S i S

i S

φρ

ρπ

Hình 2.13 Mối liên hệ giữa ñộ dọi vào số lần phản xạ

3 Hệ số nhân của quả cầu tích phân

Phương trình (2.30) gồm hai phần: phần 1 gần giống như phương trình (2.27) xác ñịnh ñộ dọi, phần thứ hai ñược gọi là hệ số nhân của quả cầu tích phân, ñặc trưng cho khả năng tăng ñộ dọi do phản xạ nhiều lần:

)1(

1

0 0

0

n i i i n

i i

i

f

0 0

ρ

Hình 2.14 mô tả sự phụ thuộc của hệ số nhân vào tỷ lệ diện tích khe f và hệ

số phản xạ bề mặt trong quả cầu ρ [52]

Hình 2.14 Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe và hệ số phản xạ trong

4 Hằng số thời gian của quả cầu tích phân

Khi nguồn sáng thay ñổi nhanh thì tín hiệu lối ra có thể bị méo sau nhiều lần phản xạ Dạng tín hiệu lối ra phụ thuộc vào nguồn sáng tới và ñáp ứng xung của quả cầu có dạng e− /τ , trong ñó, hằng số thời gian τ ñược tính theo công thức [52]:

ρ

τ

ln

13

2

c s D

−

trong ñó ρ là hệ số phản xạ trung bình thành bên trong của quả cầu; c là tốc ñộ ánh sáng; D là ñường kính quả cầu S

2.5 Xác ñịnh thành phần phản xạ và truyền qua bằng quả cầu tích phân

Theo mô hình KM, ñể xác ñịnh hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ, chúng ta phải xác ñịnh ñược các thành phần phản xạ khuếch tán R d và thành phần truyền qua khuếch tán T Các thành phần này có thể ñược xác ñịnh nhờ quả cầu tích phân [73, 77] d

Phương pháp ño ñược mô tả trong hình 2.15

Hình 2.15 Đo thành phần phản xạ và truyền qua nhờ quả cầu tích phân

1 Xác ñịnh thành phần T : Tại vị trí B, người ta ñặt thanh có hệ số phản xạ d

100% và ño mức tín hiệu tại ñầu thu T ñược xác ñịnh bằng tỷ số: d

trong ñó A , 1 A2 lần lượt là tín hiệu khi có mẫu và không có mẫu ñặt tại vị trí A

2 Xác ñịnh thành phần R d : Thành phần R d ñược xác ñịnh theo công thức:

A

B

Laser diode

V ị trí ñặ t m ẫ u cho phép ñ o thành

ph ầ n ph ả n x ạ khu ế ch tán

V ị trí ñặ t m ẫ u cho phép ñ o thành

ph ầ n truy ề n qua

Đầ u thu