Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:164

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học" trình bày các nội dung chính sau: Các phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng quang học; Nghiên cứu, nâng cao độ chính xác của phương pháp đo kích thước hạt và đề xuất giải pháp; Xây dựng mô hình thực nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả đo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả của hệ thống đo mưa sử dụng phương pháp quang học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA --------------------------- LAI THỊ VÂN QUYÊN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HÓA --------------------------- LAI THỊ VÂN QUYÊN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐO MƯA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số ngành: 9.52.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1. PGS.TSKH. Nguyễn Hồng Vũ Hướng dẫn 2: GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin Hà Nội, 2022
LỜI CAM ĐOAN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến Điện tử và GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. TSKH. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học Bách Khoa St. Peterburg. Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận án này là nghiên cứu của mình cùng với sự hỗ trợ về kinh phí của Bộ công thương thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: “Tiếp nhận, làm chủ công nghệ đo kích thước và vận tốc hạt bằng phương pháp quang học ứng dụng trong hệ thống quan trắc lượng mưa phục vụ nghiên cứu chống biến đổi khí hậu” và sự hỗ trợ về máy móc, thiết bị, nhân lực của Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả Lai Thị Vân Quyên i
LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành được luận án này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ, tổng thư ký Hội Vô tuyến Điện tử, GS.TS. Viktor Ivanovic Malyugin, GS. TSKH. Dmitry Kiesewetter - Trường Đại học Bách Khoa St. Peterburg, và TS. Nguyễn Thế Truyện – Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã tận tình hướng dẫn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa cùng các anh, chị, bạn bè đồng nghiệp trong Viện đã chia sẻ, động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện bản luận án này. Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình đã luôn bên tôi, quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành bản luận án này. Tác giả Lai Thị Vân Quyên ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... I LỜI CÁM ƠN ......................................................................................................... II CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG ........................................................................VI DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................... VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................IX MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA ...... 6 1.1. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa .................................... 6 1.1.1. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa .................................................... 6 1.1.2. Đo đồng thời kích thước và vận tốc hạt mưa bằng hiệu ứng quang học ..... 11 1.1.2.1. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên mức hoặc một xung quang điện ....... 12 1.1.2.2. Đo kích thước và vận tốc hạt dựa trên hai xung quang điện ........................ 21 1.2. Đánh giá và lựa chọn phương pháp đo nghiên cứu, cải tiến......................... 33 1.3. Xây dựng bài toán nghiên cứu và nội dung công việc cần thực hiện............ 34 1.4. Kết luận chương I ........................................................................................ 35 CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO VẬN TỐC, KÍCH THƯỚC HẠT MƯA................................................. 36 2.1. Mô hình đo và những hạn chế ..................................................................... 36 2.2. Đề xuất về khoa học ................................................................................... 38 2.2.1. Cơ sở khoa học xây dựng biểu thức, thuật toán xử lý số liệu ..................... 38 2.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm để trích xuất các xung quang điện ................... 38 2.2.1.2. Phân tích các xung quang điện .................................................................. 39 2.2.2. Đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý tính kích thước và tốc độ hạt .............. 45 2.2.2.1. Biểu thức tính kích thước hạt .................................................................... 45 2.2.2.2. Biểu thức tính vận tốc hạt ......................................................................... 51 2.2.2.3. Đề xuất thuật toán tính kích thước và vận tốc hạt ...................................... 54 2.3. Đề xuất hoàn thiện công nghệ ..................................................................... 58 2.3.1. Thay thế nguồn sáng ................................................................................. 58 2.3.2. Thay thế cơ cấu gá đỡ và điều chỉnh trục quang ........................................ 59 iii
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng xử lý dữ liệu .......................................................... 59 2.3.4. Thiết kế, chế tạo phần cứng thiết bị đo ...................................................... 60 2.3.5. Hiệu chỉnh thiết bị đo các thông số mưa của luận án ................................. 66 2.4. Đánh giá mô hình toán học đề xuất cho dạng hai chồi xung của luận án với nghiên cứu gốc ...................................................................................................... 68 2.5. Kết luận chương II ...................................................................................... 69 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT ......................................... 71 3.1. Đánh giá phương pháp tính kích thước đề xuất với nghiên cứu gốc bằng thực nghiệm ................................................................................................................. 71 3.1.1. Tham số đánh giá...................................................................................... 71 3.1.2. Mô hình đánh giá ...................................................................................... 72 3.1.3. Kết quả và đánh giá .................................................................................. 75 3.2. Triển khai, đánh giá thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ............................... 76 3.2.1. Kịch bản đánh giá 1 thử nghiệm với viên bi sắt......................................... 76 3.2.2. Kịch bản đánh giá 2 thử nghiệm với hạt lỏng thả từ ống nhỏ giọt .............. 80 3.2.3. Kịch bản đánh giá 3 thử nghiệm với mô hình tạo mưa .............................. 88 3.3. Thử nghiệm thực tế và đề xuất xử lý số liệu đo ứng dụng đánh giá xói mòn.... 92 3.3.1. Mô hình kịch bản đánh giá ........................................................................ 93 3.3.2. Phân tích, xử lý số liệu thông số trận mưa đo được và đề xuất ứng dụng đánh giá xói mòn đất ở Việt Nam .......................................................................... 95 3.4. Kết luận chương III ...................................................................................... 99 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..................................... 100 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 103 PHỤ LỤC............................................................................................................ 111 Phụ lục 1. Hình xung quang điện khi thả các viên bi sắt đường kính khác nhau qua khoảng đo của thiết bị và một số đánh giá sơ bộ .................................................. 111 Phụ lục 2. Bản vẽ thiết kế phần điện tử của thiết bị đo mưa cải tiến ..................... 118 Phụ lục 3. Các kết quả đo với mô hình thử nghiệm với viên bi sắt ....................... 123 iv
Phụ lục 4: Cách hiệu chỉnh phần cứng thiết bị đo mưa đã chế tạo ........................ 126 Phụ lục 5. Module phần mềm tính toán các tham số hạt mưa và trận mưa ........... 135 v
CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG Ký Ý nghĩa hiệu D Đường kính I Cường độ mưa ix_y Giá trị rời rạc trong tập giá trị mô tả xung quang điện thu được tương ứng với giá trị mức x% của biên độ xung lớn nhất trên sườn xung thứ y KE Động năng của mưa lc Chiều dài của khe nhạy sáng ld Độ bằng đầu của xung quang điện thu được M Độ sâu điều chế R Lượng mưa Umax Biên độ cực đại của xung quang điện thu được Umin Biên độ cực tiểu của xung quang điện thu được v Vận tốc g Khoảng cách giữa các khe nhạy sáng w Chiều rộng của khe nhạy sáng vi
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ gốc Nghĩa tiếng Việt tắt 2DVD Two Dimension Video Thiết bị đo mưa bằng hình ảnh hai Disdrometer chiều D Diameter Đường kính DIA Dynamic Image Analysis Phân tích hình ảnh động DLS Dynamic Lighty Scattering Tán xạ ánh sáng động I Intensity Cường độ JWD Joss Waldvogel Disdrometer Thiết bị đo mưa Joss Waldvogel KE Kinetic Energy Động năng LALLS Low Angle Laser Light Tán xạ góc hẹp ánh sáng laser Scattering LD Laser Diode Laser điốt LD-DM Laser Diffraction – Dynamic Nhiễu xạ laser chế độ động Mode LD-SM Laser Diffraction – Static Mode Nhiễu xạ laser chế độ tĩnh LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang OP Optical Counting Đếm quang học Parsivel Particle Size Velocity Tốc độ và kích thước hạt P-POD Paired pulse optical Disdrometer Thiết bị đo mưa quang học loại hai xung RUSLE Revised Universal Soil Loss Phương trình mất đất hiệu chỉnh Equation SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SIA Static Image Analysis Phân tích hình ảnh tĩnh SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu vii
SVI Snowflake Video Imager Thiết bị đo tuyết bằng hình ảnh TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscopy TLPM Thies Laser Precipitation Máy đo lượng mưa bằng laser Thies Monitor USLE Universal Soil Loss Equation Phương trình mất đất tổng quát viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguyên lý đo kích thước bằng tác động cơ học [22]................................. 7 Hình 1.2. Thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer [22] ................................... 8 Hình 1.3. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hình ảnh [22,57] ............. 9 Hình 1.4. Sơ đồ khối của một thiết bị đo kích thước bằng hiệu ứng quang ............. 10 Hình 1.5. Các hiện tượng quang học khi tia sáng đi qua một hạt ............................ 11 Hình 1.6. Mô hình đo của thiết bị P-POD [30] ....................................................... 12 Hình 1.7. Mặt cắt của máy đo quang học P-POD cải tiến [26] ................................ 13 Hình 1.8. Hai mô hình đo Thies LPM và Parsivel 2 ............................................... 14 Hình 1.9. Mô tả phương pháp đo kích thước hạt với một xung quang điện [8] ....... 14 Hình 1.10. Mô tả các mặt chiếu của mô hình đo Parsivel1 [38] ............................. 15 Hình 1.11. Tín hiệu trên Parsivel1 với các hạt có kích thước khác nhau [38] ......... 16 Hình 1.12. Mặt khe nhạy sáng trong mô hình D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin .............................................................................................................................. 21 Hình 1.13. Sơ đồ khối thiết bị đo hạt từ hai xung quang điện [14] ......................... 22 Hình 1.14. Mô tả một dạng xung quang điện thu được trong mô hình D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin [16] khi hạt rơi qua khoảng đo ............................... 23 Hình 1.15. Một đường cong hiệu chỉnh M(R)-1 và C(R)-2 trong mô hình đo bằng độ sâu điều chế [14]............................................................................................... 25 Hình 1.16. Mô hình thực tế thiết bị đo kích thước hạt trong nghiên cứu [14,16] .... 26 Hình 1.17. Mô hình thiết bị cải tiến của Bryson Evan Winsky ............................... 27 Hình 1.18. Xung quang điện thu được trên thiết bị đo ở công trình [3] .................. 28 Hình 1.19. Các dường cong phân tích đa thức và hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa đường kính hạt thực với đường kính D1 ........................................................... 29 max 2 Hình 2.1. Sơ đồ kết cấu hệ đo do D. V. Kiesewetter and V. I. Malyugin đề xuất ... 37 Hình 2.2. Mô hình thực nghiệm xác định xung quang điện .................................... 39 Hình 2.3. Hình dạng xung hai chồi trên cảm biến quang ứng với vị trí rơi của hạt . 39 Hình 2.4. Hình dạng xung hai chồi đảo ngược trên cảm biến quang khi hạt rơi...... 40 Hình 2.5. Mô tả hình dạng một chồi xung sau xử lý với phần cứng của luận án ......... 44 ix
Hình 2.6. Mô tả các điểm lựa chọn trong xung quang điện dạng hai chồi .............. 46 Hình 2.7. Sự phụ thuộc của đường kính D vào k075 ................................................ 48 Hình 2.8. Dạng xung quang điện có một chồi ........................................................ 49 Hình 2.9. Mô tả xung quang điện ứng với vị trí của hạt khi bay vào khoảng đo ..... 52 Hình 2.10. Sơ đồ thuật toán xác định dạng xung và biến số tương ứng .................. 56 Hình 2.11. Sơ đồ thuật toán xác định đường kính và vận tốc hạt ............................ 57 Hình 2.12. Mô tả cơ cấu gá đỡ và hiệu chỉnh trục quang đề xuất ........................... 60 Hình 2.13. Sơ đồ khối thiết bị đo mưa của luận án................................................. 61 Hình 2.14. Lò xo chỉnh nguồn quang của hệ quang ............................................... 64 Hình 2.15. Hình ảnh thiết bị đo mưa chế tạo theo đề xuất ..................................... 65 Hình 2.16. Sơ đồ khối các bước hiệu chỉnh mềm thiết bị đo mưa của luận án ........ 67 Hình 2.17. Kết quả hiệu chỉnh mềm với các hạt nhỏ hơn 3,5mm ........................... 68 Hình 3.1. Mô hình kịch bản đánh giá hai phương pháp đo ..................................... 73 Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán đo D và so sánh theo hai phương pháp M và k 075 ....... 74 Hình 3.3. So sánh đường kính trung bình của hai phương pháp tính với hạt mẫu ... 75 Hình 3.4. So sánh sai số của hai phương pháp tính với hạt mẫu ............................. 75 Hình 3.5. Hình ảnh viên bi mẫu có đường kính biết trước...................................... 77 Hình 3.6. Đường kính đo của từng cỡ bi mẫu trong mô hình thử nghiệm 1 ............ 79 Hình 3.7. Đường kính trung bình của viên bi trong mô hình thử nghiệm 1 ............ 79 Hình 3.8. Sai số tương đối của viên bi trong mô hình thử nghiệm 1 ....................... 80 Hình 3.9. Mô hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 2.............................................. 81 Hình 3.10. Các loại đầu nhỏ giọt sử dụng .............................................................. 82 Hình 3.11. Kết quả đo kích thước hạt nước với từng cỡ đầu khi tốc độ không đổi . 83 Hình 3.12. Kết quả đo kích thước hạt nước khi tốc độ thay đổi .............................. 84 Hình 3.13. Các kết quả đo kích thước hạt nước khi sử dụng nhiều đầu nhỏ giọt..... 87 Hình 3.14. Thiết bị đo mưa The Rain Collector II của Davis Mỹ ........................... 90 Hình 3.15. Mô hình kịch bản đánh giá thực nghiệm 3 ............................................ 90 Hình 3.16. Trung bình lượng mưa đo trong mô hình thực nghiệm 3 ...................... 91 Hình 3.17. Sai số tuyệt đối lượng mưa đo trong mô hình thực nghiệm 3 ................ 91 Hình 3.18. Bố trí thiết bị trong hệ thử nghiệm đo mưa. .......................................... 92 x
Hình 3.19. Thiết bị đo và mô hình thực nghiệm đo các thông số mưa .................... 93 Hình 3.20. Trạm đo các thông số mưa đặt tại trạm khí tượng Hà Đông.................. 94 Hình 3.21. Phân bố kích thước, vận tốc hạt trong một trận mưa điển hình ............. 96 Hình 3.22. Mối quan hệ giữa xác suất xuất hiện và kích thước hạt......................... 97 Hình 3.23. Mô tả mối quan hệ KEtime(I) trong khoảng thời gian quan sát ............... 98 Hình P1.1. Mô tả cách xác định độ rộng xung dương và xung âm của oscillo ...... 111 Hình P2.1. Mạch nguyên lý khối phát quan của thiết bị đo mưa .......................... 118 Hình P2.2. Sơ đồ mạch in của khối phát quang của thiết bị đo mưa ..................... 119 Hình P2.3. Mạch nguyên lý khối thu quang ......................................................... 120 Hình P2.4. Sơ đồ mạch in của khối thu quang của thiết bị đo mưa ....................... 120 Hình P2.5. Sơ đồ nguyên lý khối CPU của thiết bị đo mưa .................................. 121 Hình P2.6. Sơ đồ mạch in của khối CPU của thiết bị đo mưa............................... 122 Hình P3.1. Các kết quả đo với mô hình thử nghiệm viên bi sắt ............................ 125 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các công trình đã nghiên cứu về phương pháp đo thông số hạt mưa dựa trên một xung quang điện ...................................................................................... 18 Bảng 1.2. Các công trình nghiên cứu về phương pháp hai xung quang điện........... 31 Bảng 1.3. So sánh, đánh giá các công trình nghiên cứu đo bằng hai xung .............. 33 Bảng 2.1. So sánh các thông số của LED và LD [63] ............................................. 59 Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo mưa đề xuất trong luận án.................. 70 Bảng 3.1. Đường kính hạt chuẩn dùng cho so sánh đề xuất với nghiên cứu gốc ......... 73 Bảng 3.2. Kết quả so sánh về hiệu quả đo của hai phương pháp M và k075 ................. 76 Bảng 3.3. Đường kính hạt chuẩn từ 1 ÷ 10 mm được đo bằng thước panme .............. 77 Bảng 3.4. Các kết quả đo đạc khi thả rơi từng cỡ hạt nước ........................................ 85 Bảng 3.5. Các kết quả đo đạc khi thả rơi các cỡ hạt nước cùng lúc ............................ 88 Bảng 3.6. Bảng số liệu đo thử nghiệm thiết bị đo của luận án với mưa thực tế ....... 95 Bảng P1.1. Bảng dạng xung ứng với các cỡ hạt và một vài thông số liên quan đến các điểm đặc biệt ................................................................................................. 112 xii
MỞ ĐẦU Đo kích thước hạt mưa, phân bố kích thước hạt mưa có ý nghĩa lớn đối với nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, thương mại và công nghiệp. Ví dụ như đánh giá suy giảm, méo tín hiệu trong lan truyền sóng điện từ khi có mưa, đánh giá vấn đề trượt, trôi của đất trong canh tác nông nghiệp, là tham số cần thiết trong các nghiên cứu thuộc lĩnh vực khí tượng, môi trường, vật lý khí quyển, quang dẫn đám mây và đo lường cấu trúc của tầng đối lưu.[2] Máy đo thông số mưa tự động được sử dụng phổ biến hiện nay là thiết bị đo mưa kiểu chao lật. Thiết bị này chỉ có thể đo lượng mưa, cường độ mưa và thời gian mưa. Khi cần đo kích thước hạt mưa người ta phải dùng các dòng thiết bị khác. Dựa trên nguyên lý ứng dụng có thể phân thành các nhóm thiết bị: đo bằng tác động cơ học, đo bằng hình ảnh, đo bằng hiệu ứng quang học. Nhóm đo kích thước hạt mưa bằng tác động cơ học có thể kể đến nghiên cứu của Joss and Waldvogel (1967) [51] đo kích thước bằng tác động của hạt lên cảm biến cơ điện (thiết bị JWD – Joss Waldvogel Disdrometer). Sau đó các nghiên cứu của Tokay và cộng sự (2001), Krajewski và cộng sự (2006) [34] đã chỉ ra rằng JWD thích hợp với các trận mưa có cường độ mưa nhỏ và trung bình, với các trận mưa có cường độ lớn, gió to và các hạt mưa bị vỡ khi va chạm xuống cảm biến sẽ gây ra các sai số lớn do cảm biến bị rung liên tục. Công trình của Thurai và cộng sự (2013) đã chứng minh JWD không thể đo vận tốc hạt [6, 19]. Nhóm thiết bị đo bằng hình ảnh sử dụng camera để chụp ảnh của hạt mưa rồi dùng các phần mềm xử lý ảnh trên máy tính để phân tích, tính toán các thông số của hạt. Các nghiên cứu của Kruger và Krajewski (2002) [33], Schönhuber và cộng sự (2007) [57] đã đưa ra loại thiết bị 2DVD (Two Dimension Video Disdrometer) dùng đo các thông số hạt mưa. Để đo các thông số hạt tuyết, nghiên cứu của Newman và cộng sự (2009) đưa ra loại thiết bị SVI - Snowflake Video Imager [6, 19]. Nhóm thiết bị này có ưu điểm đo được nhiều thông số như kích thước, vận tốc, hình dạng. Tuy nhiên, với cấu tạo gồm phần cảm biến ngoài trời và máy tính xử lý bên trong tủ khiến kích thước của thiết bị khá cồng kềnh, khó triển khai ở những nơi 1
hạn chế về không gian, ngoài ra giá thành cũng đắt gấp ba đến năm lần so với nhóm sản phẩm đo kích thước và vận tốc hạt mưa khác. Nhóm đo bằng hiệu ứng quang học sử dụng nguồn sáng và điốt quang để đo các thông số kích thước và vận tốc của hạt mưa. Tùy theo số lượng xung quang điện thu được trên điốt quang có thể phân ra thành hai loại là: loại một xung - theo các nghiên cứu của Löffler-Mang và Joss (2000) [38], Lanzinger và cộng sự (2005) [8] và loại hai xung – các nghiên cứu của Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I (2004) [16], (2009) [14], Michael Peter Cloos (2007) [11], Bryson Evan Winsky (2012) [6]. Các công trình này đã khắc phục được những nhược điểm của nhóm đo bằng tác động cơ học và đo bằng hình ảnh đã nêu trên. Nhóm thiết bị đo bằng hiệu ứng quang học là lựa chọn hợp lý cho những ứng dụng đo đồng thời các thông số hạt mưa và thông số trận mưa. Tuy nhiên, với từng loại thiết bị thuộc nhóm này cũng có những khác biệt. Với loại một xung, kích thước hạt mưa được nội suy từ biên độ của xung, còn vận tốc hạt được nội suy từ độ rộng xung. Biên độ và độ rộng của xung quang điện phụ thuộc vào vị trí hạt đi qua dải sáng khi mà mật độ năng lượng của dải sáng chiếu đến điốt quang không đồng đều. Nghiên cứu của Fransson và cộng sự (2011) [13] chỉ ra rằng với cùng một hạt có kích thước xác định, ở vị trí trung tâm của dải sáng, đường kính hạt đo được quá lớn còn ở rìa của dải sáng thì lại quá nhỏ. Với loại hai xung, kích thước và vận tốc hạt được nội suy từ biên độ và độ rộng của hai xung nên những sai số do vị trí hạt cắt qua dải sáng đã được hạn chế. Nghiên cứu của Bryson Evan Winsky (2012) [6] đã tính vận tốc hạt từ phân tích các xung thu được rồi nội suy ra đường kính từ vận tốc đó, còn trong nghiên cứu của V.I. Malygin và D.V. Kiesewetter (2004) [16], (2009) [14], đường kính của hạt được tính từ độ sâu điều chế M của các xung thu được chứ không nội suy từ vận tốc hạt, nên phương pháp này còn gọi là phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện tính theo độ sâu điều chế. Điều này hạn chế sai số tính toán. Trên cơ sở xem xét về dải kích thước hạt có thể đo được, tính thời gian thực của phép đo, môi trường ứng dụng của phép đo, tác giả lựa chọn phương pháp đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai hai xung quang điện do Kiesewetter D. V. và Malyugin V.I đề xuất để nghiên cứu, nâng cao độ chính xác. 2
Hiện nay, các thiết bị ứng dụng phương pháp đo kích thước hạt mưa ngày càng đòi hỏi phải hoàn thiện hơn về độ chính xác để đáp ứng được tốt hơn nữa nhu cầu sử dụng. Vì thế, các nghiên cứu hoàn thiện phương pháp đo nói trên luôn được các nhà khoa học quan tâm. Luận án nghiên cứu đề xuất biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính toán đường kính và vận tốc tương đương của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo kích thước hạt khi đi qua hai dải sáng. Hoàn thiện và chế tạo thiết bị đo kích thước hạt mưa ứng dụng trong khí tượng. Đây là một nhiệm vụ có tính cần thiết bởi vấn đề không chỉ phù hợp với xu hướng và mục đích phát triển, bổ sung về mặt lý thuyết, phương pháp luận mà còn góp phần hoàn thiện công nghệ chế tạo thiết bị đo các thông số hạt mưa, trận mưa đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: bài toán đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai xung quang điện. Phạm vi nghiên cứu: tập trung nghiên cứu phương pháp xử lý số liệu dựa trên hai xung quang điện thu được sau khi đã khử nhiễu và hoàn thiện một phần công nghệ đo trong bài toán đo kích thước tương đương của hạt mưa bằng hai xung quang điện tính theo độ sâu điều trên mô hình đo do hai nhà khoa học D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất. Mục tiêu của luận án - Về khoa học: Đề xuất được biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính toán đường kính và vận tốc tương đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện. - Về công nghệ: Hoàn thiện công nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mô hình đo gốc như nguồn sáng, trục quang và phần xử lý, tính toán, từ đó thiết kế, chế tạo ra thiết bị có thể hoạt động được trong thực tế. - Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa và các tham số mưa có khả năng nhúng vào hệ thống giám sát khí tượng. Thử nghiệm thiết bị trong thực tế. 3
Phương pháp nghiên cứu của luận án. Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích công trình của hai nhà khoa học V.I. Malygin và D.V. Kiesewetter, xây dựng mô hình toán học của bài toán đo các tham số hạt mưa, từ đó tìm ra mối quan hệ của các tham số trong mô hình bằng thực nghiệm và lý thuyết thống kê. Hoàn thiện công nghệ, chế tạo thiết bị đo các thông số hạt mưa, trận mưa ứng dụng lý thuyết thực nghiệm, nguyên lý thiết kế máy. Nội dung nghiên cứu của Luận án Bố cục của Luận án gồm ba chương: Chương I. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa bằng quang học. Trong chương I: Trình bày những kết quả nghiên cứu, khảo sát và đánh giá về đo kích thước hạt mưa bằng quang học, tổng quan đánh giá những tồn tại, từ đó đưa ra những vấn đề cần nghiên cứu giải quyết của luận án. Lựa chọn phương pháp đo, nâng cao độ chính xác của phép đo và phương pháp tính kích thước hạt. Cụ thể lựa chọn phương pháp đo kích thước hạt hai xung quang điện với phần cứng theo nguyên mẫu của D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin để nghiên cứu. Cũng trong chương I, những nội dung nghiên cứu của luận án đã được xác định. Chương II. Nghiên cứu, nâng cao độ chính xác của phương pháp đo kích thước hạt và đề xuất giải pháp. Từ những kết luận của Chương I, trong Chương II, luận án xem xét những cơ sở đề xuất nâng cao hiệu quả của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện theo mô hình đo do D. V. Kiesewetter và V. I. Malyugin đề xuất trong các nghiên cứu [14,16]. Những đề xuất ở chương II gồm đề xuất thuật toán và biểu thức tính kích thước và vận tốc tương đương của hạt mưa; đề xuất hoàn thiện công nghệ bằng việc cải tiến một phần mô hình đo gốc bao gồm nguồn sáng, hệ gá đỡ và hiệu chỉnh quang học, phần cứng xử lý, tính toán kích thước hạt. Sau đó đưa ra thiết kế thiết bị đo mưa trên cơ sở kế thừa mô hình đo [14,16] và những đề xuất cải tiến. Đưa ra các cách thức hiệu chuẩn phần cứng, phần mềm của thiết bị sau khi chế tạo trước khi ra thực địa. Chương III. Xây dựng mô hình thực nghiệm và phân tích, đánh giá kết quả đo. Trong Chương III, luận án tập trung vào đánh giá hiệu quả biểu thức, thuật 4
toán đề xuất trong thiết bị đo mưa so với nghiên cứu gốc. Thử nghiệm thiết bị đo với các mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với viên bi sắt được coi như một vật đen tuyệt đối, các đầu nhỏ giọt nước, hệ tạo mưa giả lập và đánh giá các kết quả đạt được. Cũng trong chương này, tác giả đã bước đầu đưa ra phương pháp xử lý đánh giá các thông số hạt mưa, thông số trận mưa đo được trong ngành khí tượng, khí quyển và đánh giá xói mòn đất do hạt rơi khi tiến hành thử nghiệm thiết bị đo trong thực tế. Phần cuối trình bày một số kết luận về kết quả đạt được của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo. Phụ lục của luận án trình bày về thiết kế phần điện tử của thiết bị đo mưa ứng dụng thuật toán đề xuất; các kết quả thử nghiệm với viên bi, với giọt nước, với mưa thực tế; mã chương trình phần xác định dạng xung và các tham số của biểu thức. Dự kiến kết quả của luận án 1. Về khoa học: Đề xuất được biểu thức, thuật toán xử lý dữ liệu để tính toán đường kính và vận tốc tương đương với hình cầu của hạt mưa nhằm nâng cao chất lượng của phương pháp đo kích thước hạt bằng hai xung quang điện. 2. Về công nghệ: Hoàn thiện công nghệ bằng việc thay thế một số thành phần trong mô hình đo gốc như nguồn sáng, trục quang và phần xử lý, tính toán rồi từ đó thiết kế, chế tạo ra thiết bị có thể hoạt động được trong thực tế. 3. Về thực tiễn: Chế tạo thiết bị đo kích thước, vận tốc hạt mưa và các tham số mưa có khả năng nhúng vào hệ thống giám sát khí tượng. 5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO KÍCH THƯỚC HẠT MƯA Theo các nghiên cứu [4, 22, 66, 67, 68], đường kính hạt mưa có kích thước phổ biến trong dải từ 0,5mm ÷ 6mm và tốc độ hạt mưa từ 2 ÷ 12m/ giây. Hạt mưa có kích thước dưới 0.5mm được coi là những hạt mưa phùn. Những hạt mưa lớn hơn rất hiếm do tác động của ngoại cảnh nên các hạt to như thế khi rơi xuống sẽ bị va đập vào nhau, vỡ ra thành các hạt có kích thước nhỏ hơn. Những thống kê về phân bố kích thước và vận tốc hạt mưa đã được đưa ra dựa theo kết quả của nhiều phương pháp đo khác nhau. Những phương pháp đo đã được công bố này sẽ được trình bày trong chương I của luận án. Đồng thời, ưu, nhược điểm của các phương pháp cũng sẽ được đánh giá để từ đó lựa chọn phương pháp đo phù hợp cho việc nghiên cứu và cải tiến nâng cao độ chính xác của kết quả đo trong công trình này. 1.1. Tổng quan về các phương pháp đo kích thước hạt mưa 1.1.1. Các phương pháp đo kích thước hạt mưa Đo kích thước hạt mưa là một phép đo chiều dài có đơn vị là mét (ký hiệu là m) trong hệ SI. Với các hạt hình cầu, đường kính hoặc bán kính là thông số mô tả đầy đủ về kích thước hạt. Nhưng với các hạt phi hình cầu thì cần nhiều hơn một số liệu để mô tả ví dụ như với hạt có hình hộp chữ nhật thì cần có các số liệu về chiều dài, chiều rộng và chiều cao. Trong thực tế, chủ yếu là các hạt phi hình cầu nên khái niệm kích thước hạt ở đây sẽ là “kích thước tương đương” cụ thể là đường kính tương đương với đường kính của hạt hình cầu. Do đó trong luận án, khi nhắc tới kích thước hạt chính là đường kính tương đương hình cầu của hạt mưa có cùng đáp ứng quang học. Để đo thông số hạt mưa, đã có những phương pháp được đưa ra chia thành hai nhóm đo thủ công và đo tự động.  Nhóm đo kích thước hạt mưa thủ công Ngay từ những năm 1900, đã có các nghiên cứu sử dụng những kỹ thuật thủ công để đo kích thước hạt mưa. Các kỹ thuật đo thủ công có thể kể đến: - Phương pháp đo thông qua vết trên giấy thấm đã nhuộm khi hạt mưa rơi vào được đề xuất đầu tiên trong công trình nghiên cứu của Lowe [39] năm 1892; 6