Giới thiệu về công nghệ LIDAR sử dụng trong hoạt động hàng không - Bản tin KHCN&HTQT Quý I năm 2020

           Đo gió Đốp-le LIDAR (Light Detection and Ranging) sử dụng nguyên lý dịch chuyển Đốp-le quang học giữa các bức xạ tham chiếu và tán xạ ngược để đo vận tốc hướng tâm ở khoảng cách lên tới vài km so với mặt đất. Đo gió Đốp-le LIDAR có một số lợi thế như khối lượng quét khối lớn, khả năng di chuyển và cung cấp trường gió 3 chiều cao, độ phân giải không gian và thời gian cao hơn so với các thiết bị đo đạc khác. Trong những thập kỷ gần đây, Đốp-le LIDAR được phát triển bởi các viện khoa học và các công ty thương mại đã được áp dụng tốt trong một số ứng dụng thực tế. Khác với ra đa Đốp-le là chỉ có thể quan trắc thấy gió hướng tâm trong trường hợp có mây phát triển, có sự dịch chuyển của các đám mây dông hay mây đối lưu gây mưa thì Đốp-le LIDAR lại chỉ quan trắc được gió Đốp-le trong trường hợp không mây, không mưa. Do vậy hầu hết các sân bay trên thế giới đều lắp đặt cả hệ thống ra đa Đốp-le và LIDAR Đốp-le nhằm quan trắc được các hiện tượng wind shear, microbusrt, … mà những hiện tượng này gây ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động bay, cất cánh, hạ cánh của các máy bay. Đốp-le LIDAR được lắp đặt trong các sân bay để nghiên cứu các xoáy và phát hiện các vùng có độ đứt gió lớn có khả năng ảnh hưởng tới các hoạt động bay. Trong ngành công nghiệp năng lượng gió, Đốp-le LIDAR như một sự thay thế đầy hứa hẹn cho các kỹ thuật đo đạc tại chỗ trong đánh giá năng lượng gió, phân tích tua bin và điều khiển tua bin gió. Đốp-le LIDAR cũng đã được áp dụng trong các nghiên cứu khí tượng như quan trắc gió ở các lớp biên và theo dõi các cơn bão nhiệt đới. Các ứng dụng này đã chứng minh khả năng của Đốp-le LIDAR trong việc đo đạc hệ số phản hồi vô tuyến và mặt cắt thẳng đứng của gió. Ngoài ra, các phép đo đạc Đốp-le LIDAR cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc đánh giá và cải thiện các mô hình số trị. Dự kiến trong tương lai, các kỹ thuật Đốp-le LIDAR và các kỹ thuật xử lý dữ liệu sẽ cung cấp các phép đo đạc có độ chính xác về không gian và thời gian trong các điều kiện môi trường khác nhau.

          Nói chung có hai phương pháp thám sát LIDAR. Đó là phát hiện năng lượng trực tiếp còn được gọi là phát hiện không nhất quán và phát hiện kết hợp.

          Ở độ cao lớn, do các hạt được phân bố rải rác trên lớp ranh giới khí quyển, LIDAR phát hiện tín hiệu bị tán xạ bởi các phân tử không khí. Các phân tích được thực hiện trong môi trường quang thì LIDAR được coi là Đốp-le LIDAR phát hiện trực tiếp. Đối với các ứng dụng khoa học khí quyển, Đốp-le LIDAR phát hiện trực tiếp được sử dụng cho các nghiên cứu liên quan đến các vấn đề khí hậu, ví dụ như đặc tính vận chuyển của sol khí và quan sát lớp xáo trộn tầng bình lưu/ tầng đối lưu.

          Không giống như các LIDAR sử dụng phương pháp phát hiện trực tiếp, LIDAR phát hiện kết hợp chỉ dựa vào sự hiện diện của các hạt. Các hạt dày đặc hơn trong môi trường khí quyển thấp hơn, tức là từ mặt đất lên đến vài km, đặc biệt là trong lớp ranh giới khí quyển. Ở độ cao thấp, quan trắc từ xa tốc độ không khí cũng là một vấn đề quan trọng. Trong quá trình hạ cánh và cất cánh, việc tách biệt khoảng cách tối thiểu giữa các máy bay là cần thiết để tránh nguy cơ gặp phải cơn lốc được tạo ra từ một máy bay trước đó. Xoáy này tạo ra do hai luồng phản lực kết hợp được tạo ra sau cánh máy bay và chúng tạo ra một mô men cuộn xoắn gây nguy hiểm cho các máy bay sau. Sức mạnh và thời gian tồn tại của các cơn lốc này thay đổi rất nhiều với điều kiện thời tiết. Tốc độ phân tán của chúng thay đổi tùy theo mức độ nhiễu loạn của khí quyển. Các rối loạn không khí khác, chẳng hạn như gió giật hoặc thay đổi nhanh chóng hướng gió đến cũng gây bất lợi cho luồng giao thông sân bay. Do vậy, dự báo được những hiện tượng này ở khu vực lân cận sân bay là chìa khóa để tối ưu hóa nhằm đảm bảo an toàn giao thông hàng không.

          Trong cả hai loại LIDAR đều có hai mô hình xung chính: micropulse và hệ thống năng lượng cao. Các hệ thống micropulse đã phát triển là kết quả của các siêu máy tính với khả năng tính toán lớn. Những laser này có công suất thấp hơn và được phân loại là "an toàn cho mắt" cho phép chúng được sử dụng với rất ít biện pháp phòng ngừa an toàn. Các hệ thống năng lượng cao thường được sử dụng cho nghiên cứu khí quyển, trong đó chúng thường được sử dụng để đo nhiều loại thông số khí quyển như chiều cao, phân lớp và mật độ của các đám mây, tính chất hạt khí, nhiệt độ, áp suất, gió, độ ẩm và mật độ khí.  

          Hầu hết hệ thống LIDAR sử dụng 4 thành phần chính sau: tia laser, máy quét và máy quang học, bộ phận tách sóng quang và tiếp nhận điện tử, hệ thống giám sát và định vị.

          Việc sử dụng Đốp-le LIDAR có thể bị cản trở đáng kể bởi các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như sương mù, mưa, tuyết hoặc điều kiện đối lưu. Hiện tại, hầu hết các sân bay trên toàn thế giới được trang bị các Đốp-le LIDAR để đo các thông số liên quan tới gió (bao gồm độ đứt gió mực thấp), sol khí, tro hoặc nhiễu động sớm (xoáy cuộn) do máy bay tạo ra. LIDAR có thể bao phủ các khu vực ngang và dọc rộng lớn hơn tùy thuộc vào điều kiện thời tiết so với các quan trắc tại chỗ trên mặt đất. Vì lý do này, chúng có thể được ứng dụng nhiều hơn cho các hoạt động hàng không. Chúng sử dụng các phương pháp đo vận tốc Đốp-le và phản hồi vô tuyến, LIDAR có thể được sử dụng để thu được các biến khí quyển tác động cao như vận tốc gió thẳng đứng , gió giật, độ đứt gió mực thấp, nhiễu động khí quyển và phát hiện sớm các xoáy lốc. Các thông số này rất quan trọng đối với các hoạt động hàng không.  Một hệ thống LIDAR truyền tín hiệu ánh sáng tương tác với các mục tiêu trong không khí, sau đó lượng phản hồi tín hiệu được nhận bởi các máy thu. Lượng phản hồi được hiệu chỉnh so các điều kiện suy giảm / tán xạ. Mặc dù chúng có điểm tương đồng với ra đa, bước sóng của chúng nằm trong phạm vi quang học từ 0.350 đến 10 µm. Công suất trả về đến LIDAR có liên quan đến diện tích bề mặt hạt chứ không phải là năng lượng của hạt như kỹ thuật ra đa. Việc lựa chọn bước sóng phát xạ phụ thuộc vào ứng dụng, liên quan đến lượng khí quyển cần đo, sự sẵn có của các nguồn tín hiệu laser đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí, truyền dẫn khí quyển quang học, cũng như các vấn đề an toàn cho mắt.

          Trong công nghệ LIDAR, một nguồn laser phát ra các xung ánh sáng với tần số xung là ω1. Các hạt chuyển động trong thể tích khối mục tiêu tán xạ ánh sáng, được cho là tuân theo lý thuyết tán xạ Mie. Tần số của ánh sáng tán xạ ngược được dịch chuyển bởi hiệu ứng Đốp-le (fd= 2Vrλ) của các hạt chuyển động trong thể tích khối. Sự dịch chuyển Đốp-le (fd) tỷ lệ với tốc độ hướng tâm của các hạt (Vr), là hình chiếu của véc tơ gió dọc theo hướng truyền của laser. Tín hiệu tán xạ ngược sau đó được trộn với ánh sáng chùm tia tham chiếu trong giao thoa kế, cung cấp tín hiệu nhịp heterodyne ở tần số Đốp-le fd từ đó có thể suy ra chính xác tốc độ gió hướng tâm.

          Độ đứt gió được định nghĩa là sự thay đổi đột ngột và bền vững của tốc độ và hướng gió. Việc phát hiện và dự báo hiện tượng này cho các sân bay là rất quan trọng cho an toàn và hiệu quả của hệ thống kiểm soát không lưu. Các yêu cầu chung đối với cảnh báo độ đứt gió thường được lấy từ phụ lục 3 của ICAO nhưng nó không cung cấp thông tin chi tiết hoặc yêu cầu cho các hệ thống quan sát về phạm vi, độ phân giải và độ đứt gió. Việc đặt ra các yêu cầu này tại các địa điểm sân bay có thể là một nhiệm vụ khó khăn vì sức gió thay đổi liên tục như là một hàm của quá trình thời tiết. Sự hình thành của độ đứt gió mực thấp có liên quan mạnh mẽ đến các hệ thống front, đối lưu, microburst và sự bất ổn định nhiệt. Độ đứt gió nguy hiểm nhất xảy ra là kết quả của các microburst, bởi vì chúng thể hiện quy mô không gian và thời gian ngắn nhất (lần lượt là 15 phút và 10 km) với tốc độ gió 15 m/s (30 hải lý). Microburst quét ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện bay của máy bay trong quá trình hạ cánh và cất cánh, không thể dự báo chính xác với các mô hình dự báo số trị vì đặc điểm của chúng là vòng đời ngắn. Đốp-le LIDAR là một công cụ đắc lực trong việc phát hiện các hiện tượng này trong điều kiện thời tiết không có mây đối lưu phát triển, không có mưa, …

          So sánh với ra đa Đốp-le

          Để so sánh giữa Đốp-le LIDAR và ra đa thời tiết Đốp-le thì hai hệ thống đó nên được đặt chung trong cùng một điều kiện. Ngoài các yêu cầu về vị trí, điều rất quan trọng là các tình huống thời tiết được chọn trong đó các mục tiêu theo dõi của cả hai cảm biến thực sự đại diện cho luồng không khí. Trong điều kiện thời tiết khô ráo, hệ thống LIDAR hoạt động tốt nhất, ra đa chỉ gặp trở ngại do sự tán xạ của côn trùng. Những tín hiệu phân tán từ côn trùng cung cấp không có dấu hiệu chính xác về sự chuyển động không khí thực tế. So sánh với các dữ liệu từ các hình thái quang học của Đốp-le LIDAR thường cho thấy sự khác biệt lên tới vài mét mỗi giây. Do đó, phân loại phản hồi vô tuyến theo mục tiêu ra đa phải được kích hoạt để có thể loại bỏ phản hồi vô tuyến từ côn trùng. Điều này có nghĩa là ra đa phải có khả năng đo đạc ở cả hai chiều phân cực ngang và phân cực thẳng đứng. Tuy nhiên, trong các trường hợp mưa là điều kiện tối ưu cho ra đa còn với thiết bị LIDAR thì có thể làm giảm đáng kể phạm vi bao phủ. Trong các điều kiện thời tiết có mưa nhẹ hoặc mưa phùn từ đám mây phân tầng, cả hai cảm biến ra đa và LIDAR được dự kiến là sẽ thu được dữ liệu chất lượng cao, do đó tình huống như vậy là phù hợp nhất cho quá trình đánh giá so sánh hai hệ thống ra đa và LIDAR. Việc lọc dữ liệu ra đa phù hợp trên cơ sở phân loại mục tiêu bằng cách sử dụng các mô men phân cực đôi cần được tiến hành để loại bỏ bất kỳ phản hồi từ mục tiêu phi khí tượng không theo phương pháp nào.

          Nếu các yêu cầu này được đáp ứng, việc so sánh chéo giữa ra đa thời tiết Đốp-le và LIDAR Đốp-le có thể được thực hiện trên cơ sở các mặt cắt gió ngang đã thu được, ví dụ với phương pháp xử lý quét khối vận tốc hoặc phương pháp hiển thị góc phương vị vận tốc. Trong trường hợp này việc quét hình học phải được xem xét. Lý tưởng nhất là quét hình học cho ra đa và LIDAR nên giống nhau đối với các góc nâng. Một lựa chọn khác chưa được đánh giá có thể là so sánh vận tốc gió hướng tâm thực tế trên một range gate giữa hệ thống ra đa và LIDAR.

          So sánh với đo gió cắt lớp

          So sánh với đo gió cắt lớp có thể được thực hiện nếu hai hệ thống được đặt chung. Các điều kiện thời tiết mà cả hai hệ thống cảm biến hoạt động tối ưu không phải là riêng biệt của nhau (các bộ theo dõi sol khí đủ dùng cho LIDAR và các nhiễu động hỗn loạn đủ làm mục tiêu cho tán xạ Bragg cho thiết bị đo gió cắt lớp). Phải cẩn thận rằng cả hai cảm biến đều phải đối mặt với điều kiện khí quyển tối ưu. Ngoài ra, phải chú ý đến chế độ quét được sử dụng để thu được mặt cắt gió thẳng đứng sao cho thể tích được thám sát bởi LIDAR phù hợp với thể tích được thám sát bởi thiết bị đo gió cắt lớp.

Tin: Bùi Thị Khánh Hòa - Đài Khí tượng cao không

Tổng hợp: Vụ KHQT