Luận án Tiến sĩ: Hệ đo thông số quang dùng DSP và ứng dụng, Nguyễn Tuấn Anh

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 1 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 Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Bạch Gia Dương 2. Vũ Anh Phi Hà Nội - 2011 1 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG .6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO THÔNG SỐ QUANG.

Đối tượng thực nghiệm và các vấn ñề liên quan. Mô hình xác ñịnh mức ñộ ô nhiễm môi trường thuỷ vực. Phương pháp truyền thống xác ñịnh thông số tảo. Xu thế hiện nay trên thế giới trong lĩnh vực quan trắc thuỷ vực.

Mô hình quan trắc thủy vực dự kiến. CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ QUANG. Tính chất vật lý cơ bản trong tương tác photon - ñối tượng sinh học. Hấp thụ ánh sáng.

Tán xạ ánh sáng. Những thông số cơ bản trong lý thuyết tán xạ. Các phương pháp xác ñịnh hấp thụ và tán xạ phổ biến hiện nay. Mô tả quá trình lan truyền ánh sáng trong các mẫu sinh học.

Lý thuyết chung về mô hình Kubelka-Munk. Lý thuyết chung về quả cầu tích phân. Xác ñịnh thành phần phản xạ và truyền qua bằng quả cầu tích phân. Lý thuyết chung về mô phỏng Monte Carlo.

ÁP DỤNG MÔ HÌNH KUBELKA-MUNK VÀ MÔ PHỎNG MONTE CARLO PHÙ HỢP VỚI KỸ THUẬT QUẢ CẦU TÍCH PHÂN ĐÔI. Áp dụng mô hình Kubelka-Munk cho các mẫu dung dịch. Mối liên hệ giữa các hệ số K, S với µa, µs. Thiết kế quả cầu tích phân.

Thiết kế quang hệ. Mô phỏng Monte Carlo cho các mẫu sinh học. Quá trình di chuyển photon trong mẫu. Mô phỏng Monte Carlo với kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi.

XÂY DỰNG HỆ ĐO, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ ĐO MẪU. Sơ ñồ khối hệ ño. Hệ ño với cấu hình ño chính xác. Cấu trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý tín hiệu số.

Tổng quan về TMS320C6713. Khảo sát khả năng xử lý tín hiệu của DSK TMS320C6713. Thiết kế chế tạo ADC, tích hợp ADC-DSP và phát triển ứng dụng DSP 76 4. Kiểm tra hệ ño với tín hiệu chuẩn lối vào.

Hệ ño với cấu hình ño nhanh. Chế tạo thiết bị. Các khối chức năng. Tối ưu thông số kỹ thuật.

Hình ảnh và thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị. Đo mẫu thủy vực chứa tảo ñộc, hại .122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .123 TÀI LIỆU THAM KHẢO.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 Cache Cache Memory Bộ nhớ ñệm CCS Code Composer Studio Môi trường soạn thảo mã CDOM Colored Dissolved Organic Chất hữu cơ hòa tan có mầu Matter COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu ôxy hóa học CPLD Complex Programmable Logic Mô ñun lô gíc khả trình phức hợp Device DAC Digital to Analog Converter Bộ biến ñổi Số - Tương tự DAGEN Data Generator Bộ tạo dữ liệu 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 Phân tích kháng nguyên bằng assay 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 HAB Harmful Algae Tảo ñộc, hại HPI Host Port Interface Giao diện chủ I/O Input/Output Vào/Ra IOC Intergovernmental Uỷ ban liên chính phủ về Hải dương Oceanographic Commission học INT Interrupt Tín hiệu ngắt JTAG Joint Test Action Group Bộ nạp nhúng K KM absorption coefficient Hệ số hấp thụ Kubelka-Munk KM Kubelka-Munk Mô hình Kubelka-Munk L Radiance Độ bức xạ 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 Cổng nối tiếp ñệm ña kênh ports MERIS Medium Resolution Imaging Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ Spectrometer phân dải trung bình MODIS Moderate Resolution Imaging Đầu thu phổ bức xạ hình ảnh có ñộ Spectroradiometer phân dải thấp p (x) Probability Hàm mật ñộ xác suất PHG Henyey-Greenstein Scattering Hàm pha tán xạ Henyey-Greenstein Phase PLL Phase Lock Loop Vòng khoá pha Rd Backward Scattering Tán xạ ngược s Stepsize Bước dịch chuyển S KM scattering coefficient Hệ số tán xạ Kubelka-Munk SeaWiFS Sea-viewing Wide Field-of-View Đầu thu quan sát ñại dương trường Sensor nhìn rộng Tc Collimated transmission Thành phần truyền qua chuẩn trực Td Forward Scattering Tán xạ xuôi WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới µa Absorption Coefficient Hệ số hấp thụ µs Scattering Coefficient Hệ số tán xạ µt Total attenuation coefficient Hệ số suy giảm tổng thể θ Deflection Angle Góc lệch ψ Azimuthal Angle Góc phương vị DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Thời gian tính toán của DSP ñối với phép nhân hai ma trận n x n .2: Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị .3: Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào với giá trị hiển thị.4: Tiêu chuẩn nguồn sáng cho việc kiểm tra chất lượng nguồn nước .5: Thông số kỹ thuật cơ bản của chip laser sld102 tại nhiệt ñộ phòng.6: Thông số kỹ thuật của ñầu thu OPT101.7: Số liệu ño trên mẫu sữa tiêu chuẩn với các nồng ñộ khác nhau.8: Số liệu ño µa , µs và g theo MC và KM trên các mẫu sữa tiêu chuẩn .9: Phổ huỳnh quang của tảo phụ thuộc vào bước sóng kích thích.10: Phổ kích thích huỳnh quang của tảo .11: Rd , Td , Tc của tảo P. rhathymum phụ thuộc vào mật ñộ .12: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo P.13: Rd , Td , Tc của tảo Pseudo-nitzschia phụ thuộc vào mật ñộ .14: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo Pseudo-nitzschia .15: Rd , Td , Tc của tảo A. minutum phụ thuộc vào mật ñộ .16: Tỷ lệ µs / µa thay ñổi theo mật ñộ tảo A.116 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.

Các thành phần phản xạ ñược các ñầu cảm biến thu ñược. Thông số hình học liên quan ñến bức xạ thu ñược. Cấu tạo thiết bị ño phổ huỳnh quang của một số loài tảo. Mô hình quan trắc thuỷ vực dự kiến.

Photon bị ñổi hướng do tán xạ. Cơ chế phát huỳnh quang và lân quang. Nguyên lý tán xạ Raman. Đo thành phần hấp thụ.

Đo tán xạ ngược. Đo thành phần tán xạ xuôi. Bức xạ của tia tới trên thể tích ds dA tại vị trí r từ hướng s’ vào hướng s33 Hình 2. Mô hình Kubelka-Munk.

Phản xạ Lambertian. Trao ñổi bức xạ giữa hai yếu tố vi phân của bề mặt khuếch tán. Trao ñổi bức xạ giữa hai phần tử bên trong quả cầu. Bức xạ bên trong quả cầu tích phân.

Mối liên hệ giữa ñộ dọi vào số lần phản xạ. Hệ số nhân phụ thuộc vào tỷ lệ diện tích khe và hệ số phản xạ trong. Đo thành phần phản xạ và truyền qua nhờ quả cầu tích phân. Do tán xạ, photon bị lệnh hướng với góc lệnh θ, và góc phương vị Ψ.

Lấy mẫu biến ngẫu nhiên nhờ sử dụng số ngẫu nhiên ξ. Photon tán xạ với góc θ. Photon tán xạ trong một ñơn vị góc ñặc d ŝ. Mối liên hệ giữa hệ số nhân, hệ số phản xạ và tỷ lệ diện tích khe.

Hệ số phản xạ phụ thuộc vào chất liệu lớp phủ và bước sóng làm việc. Mặt cắt và hình ảnh bên ngoài của quả cầu tích phân kép. Tạo chùm sáng chuẩn trực. Mô tả mối liên hệ giữa góc θ và θi tại mặt trên và mặt dưới mẫu.

Toạ ñộ của photon thay ñổi khi có phản xạ trong. Lưu ñồ mô phỏng MC kết hợp kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi. Sơ ñồ khối hệ ño. Kiến trúc cơ bản của một ñơn vị xử lý dữ liệu số.

Kiến trúc bên trong của DSK TMS320C6713. Cấu trúc lõi DSP TMS320C6713. Thời gian tính toán khi sử dụng và không sử dụng cấu trúc song song. Tỷ lệ thời gian tính toán giữa có và không sử dụng cấu trúc song song.

Thời gian tính toán khi CT viết bằng C và Assembler cấu trúc song song. Tỷ lệ thời gian tính toán giữa C và Assembler cấu trúc song song. Sơ ñồ khối phép ño dựa trên phát triển DSK TMS320C6713. Sơ ñồ khối ADC tích hợp với DSK TMS320C6713.

Sơ ñồ nguyên lý tích hợp ADC và DSK TMS320C6713. Bo mạch ADC tích hợp với DSK TMS320C6713. Lưu ñồ quá trình ñọc dữ liệu từ ADC. Giao tiếp giữa các khối trong tích hợp ADC với DSP.

Kiểm tra hệ ño với các tín hiệu chuẩn lối vào. Thông số của tín hiệu chuẩn trên các cửa sổ sau khi tích hợp với DSP. Sai khác về biên ñộ giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị. Sai khác về tần số giữa tín hiệu chuẩn lối vào và giá trị hiển thị.

Xác ñịnh Rd, Td, Tc dựa trên kỹ thuật quả cầu tích phân ñôi. Sự phụ thuộc của cường ñộ bức xạ vào góc phát xạ và bước sóng. Đường ñặc tuyến P-I của laser diode. Sơ ñồ khối mạch ñiều khiển laser diode.

Đáp ứng tần số của ñầu thu photoodiode OPT101. Kết nối ADC vào hệ ño. Lưu ñồ truy nhập dữ liệu từ ADC. Xác ñịnh thành phần Td.

Xác ñịnh thành phần Rd. Xác ñịnh thành phần Tc. Hình ảnh bên ngoài của thiết bị. Giao diện chính của thiết bị.

Cửa sổ giao diện xem kết quả ño của thiết bị. Cửa sổ giao diện ñặt cấu hình của thiết bị. Hình ảnh các hạt béo trong sữa. Sự phụ thuộc của Rd , Td và Tc vào nồng ñộ sữa.

Khảo sát sự phụ thuộc của Tc vào nồng ñộ sữa theo các tác giả khác. Sự phụ thuộc của µs vào nồng ñộ sữa .