Tài liệu Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển.

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ ---------------- BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. ĐINH VĂN TRUNG GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG Hà Nội 2014 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ ---------------- BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội. 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Đinh Văn Trung thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Thầy là tấm gương và là người định hướng cho tôi trong chuyên môn khi tôi tham gia học tập và nghiên cứu tại Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũng như thời gian học tập tiếp sau này. Tôi cũng muốn được gửi lời cảm ơn tới các cô, các chú, các anh, các chị và toàn thể các bạn trong Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp và Phòng Sau đại học của Viện Vật lý đã dành cho tôi những tình cảm chân thành cùng sự giúp đỡ tốt nhất để tôi được học tập, trao đổi công việc và chia sẻ cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Bùi Văn Hải Lời cam đoan Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển” được thực hiện tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Đinh Văn Trung và GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Tôi xin cam đoan đây là kết quả làm việc của Nhóm lidar và cá nhân tác giả dưới sự hướng dẫn chính của PGS. TS. Đinh Văn Trung. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trước đây cả trong và ngoài nước. Tác giả Bùi Văn Hải MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh ........................................... i Danh mục các đồ thị và hình vẽ ....................................................................... ii Danh mục các bảng biểu ................................................................................... viii Mở đầu ............................................................................................................... 1 Chương I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất ................................................................................................................ 6 1.1. Khí quyển trái đất ......................................................................................... 6 1.1.1. Cấu trúc khí quyển ............................................................................... 6 1.1.2. Son khí tầng thấp ................................................................................. 11 1.1.2.1. Lớp son khí bề mặt...................................................................... 13 1.1.2.2. Lớp son khí tự do tầng thấp ........................................................ 16 1.1.2.3. Vai trò của son khí tầng thấp ...................................................... 16 1.1.2.4. Các đặc trưng cơ bản của lớp son khí tầng thấp ......................... 24 1.1.3. Mây Ti tầng cao ................................................................................... 24 1.1.3.1. Cơ chế hình thành mây Ti ........................................................... 24 1.1.3.2. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu ..................... 32 1.1.3.3. Các đặc trưng cơ bản của mây Ti ............................................... 33 1.1.3.4. Kỹ thuật khảo sát mây Ti ............................................................ 34 1.2. Các kỹ thuật quan trắc khí quyển ................................................................. 35 1.3. Kỹ thuật lidar ............................................................................................... 37 1.3.1. Nguyên lý cấu tạo hệ lidar ................................................................... 37 1.3.2. Tương tác của bức xạ với khí quyển.................................................... 42 1.3.2.1. Lý thuyết tán xạ Rayleigh ........................................................... 43 1.3.2.2. Lý thuyết tán xạ Mie ................................................................... 48 1.3.2.3. Lý thuyết tán xạ Raman .............................................................. 55 1.4. Kết luận chương I ......................................................................................... 61 Chương II Kỹ thuật và hệ đo lidar ..................................................................................... 63 2.1. Hệ lidar ......................................................................................................... 63 2.1.1. Hệ lidar nhiều bước sóng ..................................................................... 63 2.1.1.1. Khối phát ..................................................................................... 63 2.1.1.2. Khối thu ...................................................................................... 64 2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode ................................................................ 67 2.1.2.1. Khối phát ..................................................................................... 71 2.1.2.2. Khối thu ...................................................................................... 77 2.1.3. Đầu thu quang điện cho hệ lidar ......................................................... 81 2.1.3.1. Đầu thu nhân quang điện (PMT) ............................................... 81 2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ (APD) ............................................ 85 2.2. Kỹ thuật đo tín hiệu lidar ............................................................................ 88 2.2.1. Kỹ thuật đo tương tự ............................................................................ 88 2.2.2. Kỹ thuật đếm photon ........................................................................... 89 2.3. Phương trình lidar ........................................................................................ 93 2.4. Xử lý tín hiệu lidar ....................................................................................... 94 2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu ............................................................................... 94 2.4.2. Xác định hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar ............................... 98 2.4.3. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao ...... 104 2.4.4. Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển ...... 105 2.4.5. Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman ................... 106 2.4.6. Xác định hệ số tán xạ ngược của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi ..... 107 2.4.7. Xác định tỉ số lidar đặc trưng của son khí ........................................... 108 2.4.8. Xác định tỉ số khử phân cực của son khí ............................................. 108 2.4.9. Đánh giá sai số của các thông số đặc trưng ......................................... 109 2.5. Kết luận chương II ....................................................................................... 111 Chương III Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp ............................ 114 3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt ..................................................... 114 3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG .......................................... 114 3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode ................................................. 115 3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt ................................. 118 3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG ........................................... 118 3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode .................................................. 120 3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode ................... 122 3.3. Đặc trưng độ sâu quang học ......................................................................... 123 3.4. Đặc trưng suy hao ....................................................................................... 124 3.5. Đặc trưng tán xạ ngược ................................................................................ 125 3.6. Đặc trưng tỉ số lidar ..................................................................................... 126 3.7. Kết luận chương III ...................................................................................... 128 Chương IV Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao .................................... 129 4.1. Đặc trưng phân bố không gian .................................................................... 129 4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG ........................................... 129 4.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode .................................................. 139 4.2. Đặc trưng độ sâu quang học ......................................................................... 141 4.3. Đặc trưng tán xạ ngược ................................................................................ 142 4.4. Đặc trưng khử phân cực ............................................................................... 144 4.5. Kết luận chương IV ...................................................................................... 146 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 148 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............... 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 152 PHỤ LỤC ........................................................................................................... i Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh Ký hiệu Nguyên bản tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt laser Light Amplification by Stimulated Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát Emission of Radiation xạ kích thích lidar Light detection and ranging Ghi nhận tín hiệu quang và xác định khoảng cách DEM Digital Elevation Models Mô hình số địa hình DTM Digital Terrain Model Ảnh số của địa hình DSM Digital surface model Mô hình số bề mặt INS Inertial navigation system Hệ thống hành hướng quốc tế GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer Phổ phân bố tổng lượng Ozone WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng thế giới PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện APD Avalanche photodiode Diode quang thác lũ QE Quantum efficiency Hiệu suất lượng tử PC Photon counter Bộ đếm photon MCA Multichannel pulse-height analyzer Bộ phân tích biên độ xung đa kênh TTL Transitor-transitor logic Bộ logic CMOS Complementary metal–oxide– semiconductor Bán dẫn ô xít kim loại SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu OF Overlap function Hàm chồng chập SF Spatial filter Phin lọc không gian OPO Optical parametric oscillator Bộ dao động tham số quang DL Discrimination level Mức so sánh CBL Convective boundary layer Lớp son khí đối lưu bề mặt ABL Atmospheric boundary layer Lớp son khí bề mặt NCAR National Center for Atmospheric Research Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển của Mỹ CCM3 Community climate model 3 Mô hình khí hậu C3 i Danh mục các đồ thị và hình vẽ Hình 1.1: Phân bố nhiệt độ và mật độ phân tử khí trung bình trong khí quyển trái đất theo độ cao tới 100 km [62]. Hình 1.2: Cấu trúc khí quyển trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, trong miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70]. Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000, một cơn bão cát thổi qua sa mạc Sahara ở tây bắc châu Phi đã cuốn theo một đám mây cát rộng hàng ngàn cây số vuông [63]. Hình 1.4: Ảnh chụp bằng TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) ở thời điểm cùng ngày 26/2/2000 tại cùng địa điểm. Phổ màu chuyển từ xanh lá cây sang đỏ theo sự tăng dần mật độ của khối son khí [63]. Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí quyển bề mặt [62]. Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [68]. Hình 1.7: Ảnh một số loại mây cơ bản trong tầng đối lưu của khí quyển [70]. Hình 1.8: Ảnh một số lọai mây không phổ biến khác tồn tại trong tầng đối lưu của trái đất [70]. Hình 1.9: Mô hình giải thích sự tạo thành của các đám mây [70]. Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của lidar [3]. Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý gồm hai phần cơ bản: khối phát và khối thu. Hình 1.12: Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau so sánh với bước sóng ánh sáng kích thích [22, 33, 112]. Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha đối với tán xạ Rayleigh [104]. Hình 1.14: Kích thước một số loại son khí phổ biến [109]. Hình 1.15: Dạng hàm hệ số tán xạ ngược của một hạt nước hình cầu đồng nhất có chiết suất n =1.33 phụ thuộc vào kích thước đặc trưng x của hạt [112]. Hình 1.16: Cường độ theo góc tán xạ tương ứng với bước sóng 1064 nm và 532 nm trên hạt kích thước nhỏ 0,1 µm [104]. Hình 1.17: Cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng với hai bước sóng 1064 nm và 532 nm với các tâm tán xạ có kích thước 10 µm [104]. ii Hình 1.18: Phân bố cường độ theo góc tương ứng ở hai bước sóng 1064 và 532 nm trên các hạt có kích thước lớn cỡ 1000 µm [104]. Hình 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức năng lượng của tán xạ Rayleigh và Raman. Hình 1.20: Phổ tán xạ Raman của một số loại khí phổ biến trong khí quyển (oxi, ni tơ, hơi nước) khi kích thích ở bước sóng 532 nm [112]. Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu. Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]. Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế. Hình 2.3: Hình ảnh chi khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm. Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram và dạng bề mặt bức xạ laser [14, 61]. Hình 2.5: Sơ đồ mạch nuôi chip laser diode của hãng Osram [14]. Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ và kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang và phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách 4 m, c) Sơ đồ nguyên lý chuẩn trực chùm laser. Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi. Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại. Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu. Hình 2.10: Hình ảnh của đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 của hãng Hamamatsu sử dụng trong hệ lidar và sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger [13]. Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20oC, hút ẩm, khép kín và giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar. Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm. Hình 2.13: Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện [79]. Hình 2.14: Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79]. iii Hình 2.15: a) Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT H6780 của hãng Hamamatsu [79]. Hình 2.16: Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động ở chế độ đếm photon trên kênh tín hiệu Raman với thể nuôi 15 V. Hình 2.17: Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới khác nhau [123]. Hình 2.18: a): Đặc trưng độ nhạy của APD theo bước sóng tín hiệu. b): Hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. c): Đặc trưng dòng tối theo thế ngược đặt vào APD [13]. Hình 2.19: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín hiệu mạnh (chế độ đo tương tự) [79]. Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng kênh 1064 nm và 532 nm. Hình 2.21: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79]. Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon: a) Ở chế độ xung đơn, b) Trung bình của 12000 xung laser. Hình 2.23: Hình ảnh tín hiệu thu nhận từ hệ lidar hoạt động ở chế độ đếm photon vào ban ngày tại Hà Nội. Hình 2.24: a): Tín hiệu thô ghi nhận trực tiếp từ hệ lidar đếm photon trong thời gian 5 phút tương đương 3.000 xung, b): tín hiệu sau khi dịch chuẩn gốc tọa độ, c): sau khi lấy trung bình 10 lần đo tương đương 30.000 xung laser. Hình 2.25: Đồ thị so sánh tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử khí theo mô hình lý thuyết. Hình 2.26: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu lidar đếm photon trong thời gian 25 phút của hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG với tần số lặp lại là 10 Hz tương đương 15.000 xung. Hình 2.27: Sơ đồ không gian chồng chập của chùm tia laser và trường nhìn của telescope [46]. Hình 2.28: Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên tín hiệu [117]. iv Hình 2.29: Tín hiệu tán xạ Raman thu được từ hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG hoạt động ở chế độ đếm photon trong thời gian 20 phút tương đương 18.000 xung laser. Hình 2.30: Tín hiệu đếm photon ghi nhận từ hệ lidar Raman ngày 20/11/2012. Hình 2.31: (a): Hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd tại Viện Vật lý, (b): Tín hiệu lidar đàn hồi trước và sau khi tính đến hàm chồng chập đặc trưng của hệ [16, 20]. Hình 2.32: a): Khoảng không gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [57]. Hình 3.1: a) Đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo thời gian, xác định đỉnh lớp son khí bề mặt theo phương pháp gradient. b) Tín hiệu đàn hồi của lớp son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011. Hình 3.2: Tín hiệu trường gần của hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình trong thời gian 30 s vào lúc 20h ngày 4/7/2012. Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2. Hình 3.4: Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt. Hình 3.5: Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực hiện với tín hiệu vào buổi sáng, buổi chiều và buổi tối trong ngày 27/5/2011 tại Hà Nội [19]. Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian thưc trong ngày. Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012. Hình 3.8: Tín hiệu tán xạ đàn hồi của hai hệ lidar độc lập ghi nhận đồng thời từ 20h tới 24h ngày 18/11/2012. Hình 3.9: Cường độ tín hiệu của lớp son khí bề mặt khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo, khảo sát 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 [16]. Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày 20h ngày 31/10/2012. v Hình 3.11: Hệ số suy hao của son khí tầng thấp tại Hà Nội lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012. Hình 3.12: Hệ số tán xạ ngược của son khí tầng thấp dưới 3,5 km khảo sát lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012. Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp trong khí quyển trên bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012. Hình 4.1: Mây Ti thu được từ tín hiệu đo của hệ lidar ở chế độ tương tự ứng với kênh phân cực theo phương song song thực hiện vào hai ngày 7/6/2011 và ngày 31/9/2011 với khoảng thời gian đo tương ứng trên hình [19]. Hình 4.2: a): Xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti tầng cao. b) Vị trí lớp phân tầng của khí quyển theo tín hiệu radiosonde tương ứng ở cùng một thời điểm [19]. Hình 4.3: Phân bố độ cao trung bình của đỉnh và độ dày lớp mây Ti thay đổi theo thời gian trong năm 2011. Hình 4.4: Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn theo thời gian trong năm 2011 đo bằng phương pháp thả bóng thám không [19]. Hình 4.5: Sự biến đổi nhiệt độ trong tầng đối lưu và bình lưu từ tín hiệu radiosonde [19]. Hình 4.6: Sự biến đổi độ cao đỉnh tầng đối lưu theo nhiệt độ của vị trí phân tầng trên bầu trời khí quyển của Hà Nội năm 2011. Hình 4.7: Sự thay đổi độ cao của lớp mây Ti theo nhiệt độ tại vị trí đỉnh của lớp mây Ti tầng cao [19]. Hình 4.8: Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn và đỉnh lớp mây Ti theo thời gian trong năm 2011. Hình 4.9: Sự thay đổi khoảng cách giữa đỉnh lớp mây và lớp đối lưu hạn. Hình 4.10: Sự thay đổi độ dày hình học của lớp mây Ti trong năm 2011 theo nhiệt độ. Hình 4.11: Số trường hợp phát hiện mây Ti trong năm 2011 tại Hà Nội [19]. Hình 4.12: Tín hiệu đếm photon trên hệ lidar sử dụng laser diode khảo sát mây Ti tầng cao. Hình 4.13: Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách. vi Hình 4.14: Xác định độ cao lớp mây Ti. Hình 4.15: Độ sâu quang học theo khoảng cách đo trong đó có lớp mây Ti. Hình 4.16: Tiết diện tán xạ ngược của phân tử khí tương ứng đường màu đỏ, đường màu xanh lá cây tương ứng của son khí [19, 20]. Hình 4.17: Tỉ số tán xạ ngược giữa đóng góp của son khí so với phân tử khí những kết quả này chúng tôi đăng tại bài báo: [19, 20]. Hình 4.18: Tín hiệu hai kênh phân cực khi được lấy log(I.z2) vẽ theo khoảng cách. Hình 4.19: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo độ cao của lớp mây. Hình 4.20: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo nhiệt độ của lớp mây theo số liệu quan trắc của hệ lidar phân cực kết hợp dữ liệu radiosonde của trung tâm viễn thám quốc gia năm 2011. Danh mục các bảng biểu Bảng 1.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65]. Bảng 1.2: Phân tầng bầu khí quyển trái đất [4]. Bảng 1.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [4]. Bảng 1.4: Tiết diện tán xạ của một số loại khí trong khí quyển [108, 109]. Bảng 1.5: Tỉ số khử phân cực của một số loại khí có mặt trong khí quyển [32]. Bảng 1.6: Một số loại son khí phổ biến và nguồn gốc hình thành [4]. Bảng 1.7: Số sóng dịch chuyển trong tán xạ Raman khi kích thích ở bước sóng 532,1 nm, đối với một số loại khí phổ biến trong khí quyển [34]. Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64]. Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64, 65, 67]. Bảng 2.3: Các tham số của chùm laser diode loại mảng SPL PL90_3 của Osram sử dụng cho hệ lidar khảo sát trường gần [14]. Bảng 2.4: Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser diode [13, 65]. vii Bảng 2.5: Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13]. Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu tại một số nơi trên thế giới và ở Hà Nội [6, 122]. Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi của hai thông số vĩ mô đối với lớp mây Ti trên tầng khí quyển Hà Nội, được nhóm quan trắc trong năm 2011 [19]. Bảng 4.2: Thống kê kết quả khảo sát các đặc trưng vĩ mô của mây Ti tai một số nơi khác nhau trên thế giới [46, 19]. viii Mở đầu Từ những năm đầu thập niên 60 thế kỷ trước, sự ra đời của bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích – laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation [31, 103]) đã mở ra rất nhiều những ứng dụng tiên tiến, trong số đó phải kể đến là kĩ thuật khảo sát từ xa sử dụng nguồn kích thích bằng tia laser được gọi tên là lidar (light detection and ranging) [108, 116, 117]. Nguyên lý hoạt động của một hệ lidar và một hệ radar là hoàn toàn tương tự, bao gồm một khối phát bức xạ điện từ kích thích và một khối thu tín hiệu tán xạ ngược. Chùm laser là chùm bức xạ điện từ có tính định hướng, tính đơn sắc và tính kết hợp cao nên laser trở thành nguồn kích thích lý tưởng cho các hệ khảo sát, đối với hệ lidar cũng không là ngoại lệ. Về cơ bản mọi hệ lidar đều có cấu trúc gồm một khối phát tia laser hướng về đối tượng cần quan trắc và một khối thu tín hiệu tán xạ ngược trở lại. Bức xạ laser hướng về phía đối tượng nghiên cứu, tương tác với đối tượng cần khảo sát, bức xạ điện từ sẽ biến đổi tính chất trước khi trở về đầu thu. Bức xạ điện từ tán xạ trở về đầu thu sẽ mang các thông tin về đối tượng khảo sát, tuân theo lý thuyết tán xạ tùy thuộc vào bản chất của đối tượng tán xạ. Sự thay đổi tính chất của bức xạ trở về cho phép xác định các thông số đặc trưng của môi trường nghiên cứu như: đặc trưng tán xạ ngược, đặc trưng suy hao, đặc trưng khử phân cực, mật độ, sự phân bố, hình dạng và kích thước hạt... của đối tượng khảo sát biến đổi trong không gian và theo thời gian. Tùy thuộc vào mục đích quan trắc và đối tượng nghiên cứu mà hệ lidar sẽ được thiết kế khác nhau. Hiện nay, hệ lidar được tối ưu về kỹ thuật và đang trong giai đoạn cạnh tranh thương mại rộng khắp trên thế giới. Các hệ lidar đặt tại các đài trạm mặt đất hoặc trên các thiết bị di động ở mặt đất hoặc trên không phục vụ việc xây dựng ngân hàng dữ liệu, ảnh DEM, DTM, DSM, 3D… về lớp khí quyển quanh trái đất cũng như bề mặt trái đất… [68]. Tùy thuộc mỗi mục đích nghiên cứu mà một hệ lidar sẽ hoạt động độc lập, riêng biệt hoặc được kết nối với các hệ thống 1 thông tin khác như: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống hàng hướng INS…. Các hệ lidar hiện tại được thiết kế có khả năng hoạt động liên tục, tự động xử lý tín hiệu ghi nhận và truyền tải các thông số quan trắc từ xa về các đài, trạm, trung tâm phục vụ các mục đích khác nhau [61, 62, 61, 68, 69, 70]. Bước sóng laser sử dụng kích thích trong các hệ lidar tùy thuộc vào mục đích quan trắc có thể nằm trong miền phổ rộng từ 125 nm tới 11 μm. Để có được miền bước sóng đó nguồn phát bức xạ thực tế là rất đa dạng gồm: các loại laser rắn, lỏng, khí, các laser Raman trạng thái rắn, các bộ nhân tần số… đã được sử dụng trong hệ lidar [108]. Các laser hiện nay cho phép thay đổi bước sóng kích thích sử dụng cho hệ lidar gần như liên tục từ miền tử ngoại tới hồng ngoại, tùy thuộc bước sóng ghi nhận và cường độ tín hiệu mà các đầu thu quang điện được lựa chọn cần đạt các tiêu chuẩn về độ nhạy, thời gian đáp ứng, đảm bảo hệ lidar đáp ứng được những mục đích nghiên cứu khí quyển tốt với độ phân giải không gian và thời gian đủ đáp ứng yêu cầu nghiên cứu [108]. Đầu thu tín hiệu có thể là các ống nhân quang điện - PMT hoặc các diode quang thác lũ - APD hoạt động ở chế độ đếm photon [13, 104]. Mặc dù các hệ lidar được sử dụng khá phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên, giá thành, phí vận hành cùng với sự phức tạp trong kỹ thuật xây dựng hệ và quan trắc lâu dài vẫn là những trở ngại đối với những nước chưa có tiềm lực về kinh tế và kỹ thuật. Do đó, việc xây dựng một hệ lidar áp dụng nghiên cứu khí quyển ở Việt Nam là một nhiệm vụ có nhiều ý nghĩa khoa học, có giá trị về kinh tế trong nghiên cứu cơ bản và đặc biệt có giá trị trong đào tạo phát triển nhân lực chất lượng cao nghiên cứu trong một lĩnh vực gần như hoàn toàn mới ở trong nước [14, 125, 129]. Trong hoàn cảnh và điều kiện nghiên cứu hiện tại luận án được thực hiện với tên gọi: “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển”. Luận án được thực hiện với mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể sau: 2 Mục đích của luận án:  Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar tích hợp ghi nhận tín hiệu tán xạ Raman và tín hiệu tán xạ đàn hồi theo hai kênh phân cực. Mục đích xây dựng hệ lidar có khả năng khảo sát tới độ cao trên 20 km hoạt động đa kênh ở cả chế độ đo tương tự và chế độ đếm photon. Từ dữ liệu ghi nhận của hệ lidar xác định các tham số vật lý đặc trưng của son khí trong miền quan trắc.  Áp dụng lý thuyết tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab áp dụng xử lý dữ liệu ghi nhận từ hệ lidar Raman đa kênh xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển ở thành phố Hà Nội.  Xây dựng dữ liệu quan trắc khí quyển tại Hà Nội tới độ cao trên 20 km, tạo một kênh tín hiệu độc lập cho phép so sánh, tăng khả năng quan trắc khí quyển phục vụ mục đích theo dõi, nghiên cứu môi trường và khí quyển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực.  Khai thác cơ sở dữ liệu đã ghi nhận xác định các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp son khí tồn tại trong miền khí quyển Hà Nội bước đầu đánh giá các đặc trưng và so sánh với các kết quả quan trắc khác thực hiện trong khu vực và trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu của luận án:  Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của kỹ thuật lidar (kỹ thuật khảo sát từ xa bằng bức xạ điện từ kết hợp) đàn hồi và kỹ thuật lidar Raman. Từ đó xây dựng chương trình số xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển theo độ cao và theo thời gian.  Nghiên cứu, xây dựng, phát triển và tối ưu kỹ thuật quang học và điện tử sử dụng trong hệ lidar Raman phân cực hoạt động đồng thời nhiều kênh ở cả chế độ đo tương tự và chế độ đếm photon. 3  Tìm hiểu làm chủ kỹ thuật quan trắc khí quyển và tiến hành khảo sát lớp son khí trong khí quyển Hà Nội từ năm 2009. Xử lý tín hiệu, hệ thống cơ sở dữ liệu phục vụ theo các mục đích nghiên cứu khác nhau.  Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các nguồn laser diode nhỏ gọn, đầu thu diode quang điện thác lũ - APD độ nhạy cao xây dựng hệ lidar nhỏ gọn lần đầu ở Việt Nam phục vụ mục đích khảo sát các đối tượng khí quyển trường gần nâng cao khả năng nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực quan trắc khí quyển từ xa. Luận án được chia thành 4 chương: Chương I: Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển Trong chương I, chúng tôi trình bày cấu trúc tầng khí quyển bao quanh trái đất, vai trò của lớp son khí trong khí quyển tầng thấp, của mây Ti tầng cao đối với chất lượng môi trường, vấn đề thời tiết và sự biến đổi khí hậu. Bên cạnh đó chúng tôi trình bày một số phương pháp nghiên cứu được sử dụng khảo sát lớp son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao, trong đó kỹ thuật lidar thể hiện những ưu điểm vượt trội. Trong chương này chúng tôi cũng trình bầy ngắn gọn lý thuyết tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie và tán xạ Raman sảy ra trên phân tử khí và các loại hạt son khí. Để từ đó chúng ta có một cách nhìn tổng quan các đặc trưng hóa lý cơ bản của lớp son khí tầng thấp và lớp mây Ti tầng cao cần quan trắc cũng như yêu cầu các đặc tính của hệ lidar chuyên biệt cần để đáp ứng những yêu cầu đó. Chương II: Kỹ thuật và hệ đo lidar Trong chương II, chúng tôi trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thuộc tính của từng bộ phận riêng lẻ cũng như gắn kết phần cứng và phần mềm để tạo thành 01 hệ lidar Raman nhiều bước sóng (hoạt động ở cả bước sóng 532 nm và 1064 nm) đo tín hiệu phân cực hoạt động cả ở chế độ đo tương tự hoặc đếm photon và 01 hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode ở bước sóng 905 4 nm phục vụ mục đích quan trắc tín hiệu đàn hồi lớp son khí trường gần có khả năng tự động nghi nhận và xử lý tín hiệu tức thời. Bên cạnh các kết quả xây dựng, tối ưu và hoàn thiện kỹ thuật quan trắc sử dụng hệ, chúng tôi thực hiện xây dựng các chương trình xử lý số nhằm khai thác dữ liệu lidar xác định các đặc trưng cơ bản của lớp son khí trường gần và lớp mây Ti tầng cao. Chương III: Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp Trong chương III, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ sở dữ liệu quan trắc được từ hai hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý cơ bản của son khí tầng thấp như độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar. So sánh các kết quả tương đồng giữa hệ thống dữ liệu thu nhận từ hai hệ lidar quan trắc đồng thời cũng như so sánh với các kết quả nghiên cứu bằng phương pháp độc lập khác ở trong nước và nước ngoài để đánh giá những kết quả đã thu được về khí quyển của hai hệ đo xây dựng lần đầu tiên tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Chương IV: Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao Trong chương IV, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ sở dữ liệu quan trắc được từ hai hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý cơ bản của lớp mây Ti tầng cao như đặc trưng phân bố độ cao theo thời gian trong năm, độ dày, mối liên hệ giữa độ cao đỉnh lớp mây với độ cao lớp phân tần đối lưu hạn, và các đặc trưng vi mô của lớp mây tầng cao này như: hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao, tỉ số khử phân cực. 5