BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN …¡c định hệ số tán xạ ngược...
Transcript of BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN …¡c định hệ số tán xạ ngược...
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM
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
Hà Nội 2014
PGS. TS. ĐINH VĂN TRUNG
GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM
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 .........................................................................................
1.1.1. Cấu trúc khí quyển ...............................................................................
1.1.2. Son khí tầng thấp .................................................................................
1.1.2.1. Lớp son khí bề mặt......................................................................
1.1.2.2. Lớp son khí tự do tầng thấp ........................................................
1.1.2.3. Vai trò của son khí tầng thấp ......................................................
1.1.2.4. Các đặc trưng cơ bản của lớp son khí tầng thấp .........................
1.1.3. Mây Ti tầng cao ...................................................................................
1.1.3.1. Cơ chế hình thành mây Ti ...........................................................
1.1.3.2. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu .....................
1.1.3.3. Các đặc trưng cơ bản của mây Ti ...............................................
1.1.3.4. Kỹ thuật khảo sát mây Ti ............................................................
6
6
11
13
16
16
24
24
24
32
33
34
1.2. Các kỹ thuật quan trắc khí quyển ................................................................. 35
1.3. Kỹ thuật lidar ...............................................................................................
1.3.1. Nguyên lý cấu tạo hệ lidar ...................................................................
1.3.2. Tương tác của bức xạ với khí quyển....................................................
1.3.2.1. Lý thuyết tán xạ Rayleigh ...........................................................
1.3.2.2. Lý thuyết tán xạ Mie ...................................................................
1.3.2.3. Lý thuyết tán xạ Raman ..............................................................
37
37
42
43
48
55
1.4. Kết luận chương I ......................................................................................... 61
Chương II
Kỹ thuật và hệ đo lidar .....................................................................................
63
2.1. Hệ lidar .........................................................................................................
2.1.1. Hệ lidar nhiều bước sóng .....................................................................
2.1.1.1. Khối phát .....................................................................................
2.1.1.2. Khối thu ......................................................................................
2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode ................................................................
2.1.2.1. Khối phát .....................................................................................
2.1.2.2. Khối thu ......................................................................................
2.1.3. Đầu thu quang điện cho hệ lidar .........................................................
2.1.3.1. Đầu thu nhân quang điện (PMT) ...............................................
2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ (APD) ............................................
2.2. Kỹ thuật đo tín hiệu lidar ............................................................................
2.2.1. Kỹ thuật đo tương tự ............................................................................
2.2.2. Kỹ thuật đếm photon ...........................................................................
2.3. Phương trình lidar ........................................................................................
2.4. Xử lý tín hiệu lidar .......................................................................................
2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu ...............................................................................
2.4.2. Xác định hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar ...............................
2.4.3. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao ......
2.4.4. Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển ......
2.4.5. Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman ...................
2.4.6. Xác định hệ số tán xạ ngược của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi .....
2.4.7. Xác định tỉ số lidar đặc trưng của son khí ...........................................
2.4.8. Xác định tỉ số khử phân cực của son khí .............................................
2.4.9. Đánh giá sai số của các thông số đặc trưng .........................................
63
63
63
64
67
71
77
81
81
85
88
88
89
93
94
94
98
104
105
106
107
108
108
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 .....................................................
3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG ..........................................
3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode .................................................
114
114
115
3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt .................................
3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG ...........................................
3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode ..................................................
3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode ...................
3.3. Đặc trưng độ sâu quang học .........................................................................
3.4. Đặc trưng suy hao .......................................................................................
3.5. Đặc trưng tán xạ ngược ................................................................................
3.6. Đặc trưng tỉ số lidar .....................................................................................
118
118
120
122
123
124
125
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 ....................................................................
4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG ...........................................
4.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode ..................................................
4.2. Đặc trưng độ sâu quang học .........................................................................
4.3. Đặc trưng tán xạ ngược ................................................................................
4.4. Đặc trưng khử phân cực ...............................................................................
129
129
139
141
142
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
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
Emission of Radiation
Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát
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
ii
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].
iii
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].
iv
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].
v
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.
vi
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.
vii
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].
viii
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].
1
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
2
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:
3
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.
4
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
5
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.
6
CHƢƠNG I
Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trƣng vật lý của son khí trong khí
quyển trái đất
Đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp son khí tồn tại trong khí quyển
trái đất. Trong chương mở đầu chúng tôi trình bày về cấu trúc, phân bố, vai
trò của lớp son khí đối với khí quyển, đối với thời tiết và sự biến đổi khí hậu
của trái đất. Chúng tôi trình bày lý thuyết về tương tác giữa chùm photon kết
hợp và môi trường phân tử khí, son khí theo lý thuyết tán xạ đàn hồi và phi
đàn hồi, đó là cơ sở của các nghiên cứu lý thuyết và các kết luận thực nghiệm
được đưa ra trong luận án ở các chương tiếp sau. Bên cạnh đó chúng tôi cũng
thảo luận về những ưu điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật lidar trong
quan trắc khí quyển.
1.1. Khí quyển trái đất
1.1.1. Cấu trúc khí quyển
Khí quyển Trái đất có thể xem như một hệ Vật lý có dạng cầu bao quanh
trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật chất như: sương
mù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các nguyên tử
kim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 3, 70, 72, 108]. Trong đó, các phân tử khí chiếm
phần khối lượng chủ yếu của khí quyển và đóng vai trò chi phối trong các hiện
tượng, quá trình của thời tiết, khí hậu … Bảng 1.1 cho biết thành phần và nồng
độ của các phân tử trong khí quyển Trái đất. Hình 1.1 thể hiện sự biến đổi của
mật độ phân tử khí trung bình, nhiệt độ của khí quyển theo độ cao đối với hai
mùa đặc trưng: mùa hè và mùa đông.
Trong đó sự đóng góp của các son khí làm cho lớp khí quyển trở nên phức
tạp và đóng góp thêm biến động cho khí quyển. Son khí được hiểu là các hạt rắn
hoặc lỏng rất nhỏ lơ lửng trong không khí (ví dụ như khói, sương mù, bụi, phấn
hoa v.v.) có kích thước cỡ từ 0,01m đến vài chục mm. Các hạt son khí được
7
hình thành từ các hiện tượng tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão sa mạc,
cháy rừng, chu trình thủy học, từ các sinh vật sống. Ngoài ra, các hoạt động của
con người như việc đốt nhiên liệu, tạo khí thải công nghiệp…cũng đưa vào khí
quyển một lượng lớn các loại son khí nhân tạo. Son khí nhân tạo chiếm khoảng
10% số lượng son khí trong khí quyển [1, 112].
Bảng 1.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65].
Thành phần Khối lƣợng phân tử (đvC) Nồng độ (%)
Ni tơ (N2) 28 78,08 Thành phần
chủ yếu Ô xy (O2) 32 20,95
Argon (Ar) 40 0,09
Thành phần
thứ yếu
Hơi nước (H2O) 18 Biến đổi
CO2 44 380 ppm
Neon (Ne) 20 18 ppm
Hê li (He) 4 5 ppm
Mê tan (CH4) 16 1,57 ppm
Hydro (H2) 2 0,5 ppm
Ni tơ oxít(N2O) 56 0,3 ppm
Ozone (O3) 48 0 – 12 ppm
Trong Hình 1.1 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ trong lớp khí quyển theo
độ cao. Với đường màu xanh dương thể hiện sự biến đổi nhiệt độ theo độ cao
vào mùa hè và đường màu đỏ thể hiện quy luật đó vào mùa đông, sự biến động
của nhiệt độ mạnh mẽ hơn xảy ra vào mùa hè. Mỗi tầng khí quyển có quy luật
biến thiên nhiệt độ theo độ cao là khác nhau. Cụ thể trong tầng đối lưu (0 –
11km) tăng độ cao nhiệt độ giảm, tầng bình lưu (11 km – 50 km) thì ngược lại
khi tăng độ cao nhiệt độ lại tăng, tầng trung gian (50 km – 80 km) tăng độ cao
nhiệt độ có xu thế giảm và trong tầng nhiệt thì nhiệt độ tăng theo độ cao của lớp
khí quyển. Gianh giới giữa hai tầng khí quyển liên tiếp luôn tồn tại lớp chuyển
8
tiếp có độ dày thường dưới 3 km [3]. Tại các lớp chuyển tiếp có sự thay đổi về
quy luật biến thiên của nhiệt độ [96].
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].
Điều gì làm thay đổi quy luật biến thiên nhiệt độ trong các lớp khí quyển,
các lớp chuyển tiếp có đặc điểm gì và sự biến động của các lớp có vai trò gì
trong việc nghiên cứu khí quyển? Câu hỏi đầu tiên không khó trả lời nhưng câu
hỏi thứ hai về sự quan trắc biến đổi những thành phần và các đặc tính của mỗi
tầng khí quyển cũng như vai trò của sự thay đổi đó đóng góp trong sự thay đổi
khí hậu như thế nào thì luôn là câu hỏi rất khó khăn và tốn kém khi chúng ta
muốn tìm quy luật đó! Để giải thích cho sự giảm nhiệt độ trong tầng thấp – tầng
đối lưu khi tăng độ cao, chúng ta có thể dễ hiểu bởi trong tầng này mật độ son
khí và các loại khí nặng tập trung với mật độ lớn nhất và chúng phân bố theo
quy luật của sức hút trọng trường trái đất. Khi một khối khí nóng xuất hiện sẽ nở
ra làm giảm tỉ trọng do đó chịu lực đẩy Acsimet sẽ đối lưu làm tăng độ cao,
đồng thời với quá trình đó là quá trình giãn nở đoạn nhiệt làm cho chúng giảm
nhiệt độ khi tăng độ cao. Vì vậy càng lên cao nhiệt độ khí quyển trong tầng đối
9
lưu sẽ giảm đi. Trong tầng đối lưu sự dịch chuyển của các khối vật chất khí chủ
yếu theo chiều lên xuống vì đó có tên gọi là tầng đối lưu. Còn đối với tầng bình
lưu: do có sự tồn tại chủ yếu của lớp khí ozone, tại đây có sự hấp thụ mạnh của
bức xạ bước sóng dài của mặt trời do đó vùng khí có độ cao càng lớn năng
lượng mặt trời bị lưu giữ càng nhiều và nhiệt độ sẽ càng tăng. Vì thế nhiệt độ sẽ
tăng tỉ lệ với độ cao của khối khí. Trong tầng bình lưu sự dịch chuyển của các
lớp khí chủ yếu theo phương ngang, người ta gọi loại dịch chuyển này là quá
trình loạn lưu. Tại lớp binh lưu giữ một vai trò cực kì quan trọng trong quá trình
lưu giữ năng lượng bức xạ nhiệt của mặt trời tới trái đất. Vì thế mà hiện tượng
thủng tầng ozone có ảnh hưởng và ý nghĩa quan trọng trong quá trình biến đổi
khí hậu và cụ thể trong tiến trình nóng lên của trái đất…
Trong Hình 1.1 chúng ta thấy quy luật biến thiên của mật độ khí tồn tại
trong lớp khí quyển theo độ cao, khi vẽ lại theo quy luật hàm log cường độ tín
hiệu chuẩn hóa theo độ cao (log cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng
cách sẽ tỉ lệ với mật độ khí tại độ cao tương ứng) thì quy luật là tuyến tính, tức
là với mỗi km mật độ khí sẽ giảm đi e lần. Vì đó mà chúng ta có thể hiểu được
vì sao ~50% tổng khối lượng vật chất tồn tại trong khí quyển phân bố ở độ cao
dưới 5 km và 70% lượng vật chất tồn tại trong khoảng cách dưới 10 km [1]. Để
hiểu rõ hơn về biểu thức toán học tôi sẽ trình bày cụ thể trong mục 2.3 trong
chương 2 của luận án.
Nghiên cứu các hiện tượng trong lớp khí quyển trái đất chúng ta có thể
phân chia ra thành những lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia có thể dựa theo nhiều
nguyên tắc khác nhau. Tuy nhiên phổ biến và mang ý nghĩa về năng lượng lưu
giữ và quyết định tới sự biến đổi của khí quyển, người ta sẽ chia khí quyển
thành các lớp các tầng theo nhiệt độ [3, 4]. Theo sự biến đổi của nhiệt độ lớp khí
quyển bao quanh trái đất được chia thành 5 tầng như trong Bảng 1.2.
Hình 1.2 thể hiện về cấu trúc khí quyển, giữa các tầng khí quyển luôn tồn
tại các lớp chuyển tiếp mỏng và tại đó ít có sự biến đổi về nhiệt độ. Trong hình
10
đường màu đỏ thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ của khí quyển theo độ cao.
Đường màu xanh thể hiện sự thay đổi áp suất theo độ cao của khí quyển.
Tên gọi và vị trí của các tầng, các phân lớp khí quyển trong khí quyển trái
đất được thể hiện trong Bảng 1.2. Giữa hai tầng liên tiếp ngăn cách bởi một lớp
chuyển tiếp, tại lớp chuyển tiếp nhiệt độ gần như không đổi.
Bảng 1.2: Phân tầng bầu khí quyển trái đất [4].
Các tầng (lớp cầu) Độ cao trung
bình (km)
Các lớp chuyển tiếp
Tầng đối lưu (troposhere) 0 – 11 Lớp đối lưu hạn (tropopause)
Tầng bình lưu (stratosphere) 11 - 50 Lớp bình lưu hạn (Stratopause)
Tầng trung gian (mesosphere) 50 – 80 Lớp mezon hạn (Mezonpause)
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].
Nhiệt độ khí quyển
Áp suất khí quyển
11
Tầng nhiệt (thermosphere) 80 – 800 Lớp nhiệt hạn (Thermopause)
Tầng khí quyển ngoài 800 – 2.000
1.1.2. Son khí tầng thấp
Các son khí trong khí quyển đóng một vai trò quan trọng trong quá trình
hình thành các hình thái khí tượng khác nhau. Dù chỉ chiếm một phần nhỏ
không gian trong khí quyển nhưng các hạt son khí ảnh hưởng đáng kể đến các
quá trình bức xạ ánh sáng, chất lượng không khí, tầm nhìn, quá trình hình
thành mây và các quá trình hóa học ở tầng đối lưu và tầng bình lưu… Sự xuất
hiện, thời gian tồn tại, các tính chất vật lý, cấu tạo hóa học và các tính chất liên
quan đến chiết suất, cũng như các thông số quang học khác của các hạt son khí
là nguyên nhân của nhiều hình thái thời tiết khác nhau. Ví dụ, các loại son khí
nhân tạo, đặc biệt là các hạt sulfate do đốt cháy nguyên liệu hóa thạch đóng vai
trò quan trọng quá trình giảm nhiệt độ trái đất, trái ngược với ảnh hưởng của
khí CO2 vốn làm trái đất ấm dần lên. Nghiên cứu son khí giúp ích nhiều cho
việc xây dựng chiến lược kiểm soát khí thải và giải quyết các vấn đề liên quan
đến ô nhiễm môi trường, mối quan tâm lớn hiện nay của toàn thế giới [1, 3, 4,
7, 10, 124].
Trong các nghiên cứu về chất lượng môi trường tác động tới sức khỏe con
người thì các loại son khí như bụi, phấn hoa có thể gây ra các bệnh như: hen phế
quản, các bệnh dị ứng... Các hạt có kích thước trong khoảng 0,1m đến 1m là
những hạt đặc biệt gây hại tới sức khoẻ con người [25, 26].
Khả năng làm việc các hệ đo từ xa và các hệ thống quang - điện tử cũng
bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các hạt son khí. Trong quân sự, việc nghiên cứu son
khí có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang điện
tử hiện đại cũng như các thiết bị để ngụy trang, nghi trang, làm vô hiệu hoá các
thiết bị quang điện tử của đối phương, làm suy giảm hoặc triệt tiêu bức xạ laser.
12
Đồng thời những nghiên cứu về son khí cũng có vai trò quan trọng trong việc
chế tạo và phòng chống vũ khí hoá học [1, 85].
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].
Như vậy, các đo đạc nhằm xác định tính chất quang học của các hạt son
khí như mật độ bề mặt, mật độ thể tích, mật độ khối lượng, kích thước trung
bình và hệ số suy giảm rất được quan tâm nghiên cứu. Một trong những cách
hữu hiệu và chính xác để có được những thông số này là sử dụng kỹ thuật
lidar [109].
Kỹ thuật lidar có đóng góp quan trọng trong việc tìm hiểu về Trái Đất
trong các thập kỷ gần đây. Nó đặc biệt hữu dụng trong việc nghiên cứu các tham
số biến đổi trong miền không gian rộng lớn. Lidar có tiềm năng trong nghiên
cứu, quan sát các quá trình vật lý trong khoảng không gian từ vài mét khối đến
cả địa cầu, khoảng thời gian vài giây đến nhiều năm. Lidar cũng được dùng
trong nghiên cứu các quá trình hỗn loạn và các chu trình trong khí quyển, bao
gồm các đo đạc về hơi nước và các luồng ozone...[1]. Các hiện tượng khí tượng
13
học như bão, áp thấp, các luồng gió dưới tác động của núi cũng được nghiên cứu
bởi kỹ thuật lidar [3, 4]. Lidar cho phép theo dõi sự thay đổi của mật độ khí
thải, các lỗ thủng tầng ozone được ghi nhận. Các khối mây ở vùng cực cũng
được nghiên cứu và phân loại sử dụng các hệ thống lidar. Lidar còn được sử
dụng để phân biệt các hạt nước và các hạt băng trong mây. Lidar cũng góp phần
làm phong phú thêm dữ liệu về ảnh hưởng của các hiệu ứng thời tiết. Các đám
bụi núi lửa và sự lan truyền xuyên châu lục của khí thải, bụi sa mạc, và khói của
các vụ cháy rừng cũng được nghiên cứu [63, 70]. Ở trung tầng khí quyển, lidar
đã chứng minh được sự có mặt của các nguyên tử kim loại và các ion và sự tồn
tại sóng trọng trường. Các thiết bị lidar có thể hoạt động trên mặt đất hoặc gắn
trên các máy bay, các hệ lidar đã được đưa vào trạm không gian, và trong tương
lai gần các thiết bị lidar gắn trên vệ tinh sẽ dùng trong việc nghiên cứu bầu khí
quyển của trái đất từ không gian. Bên cạnh kỹ thuật lidar thì loài người còn sử
dụng nhiều các công cụ khác để quan trắc khí quyển nhằm so sánh kết hợp cùng
kỹ thuật lidar xây dựng ngân hàng dữ liệu cho mô hình dự báo thời tiết, ví như
kỹ thuật chụp ảnh vệ tinh, kỹ thuật TOMS… (Hình 1.3 và Hình 1.4) [54, 78, 84,
89, 100, 114].
1.1.2.1. Lớp son khí bề mặt (Boundary layer)
Theo tác giả Stull cuốn sách “An introduction to boundary layer
meteorology” viết năm 1988 [107] đã định nghĩa các lớp khí quyển bề mặt là:
“một phần của tầng đối lưu chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự hiện diện của bề mặt
trái đất, chịu sự chi phối bởi sức hút trọng trường và sự thay đổi của các yếu tố
bề mặt mang lại với thời gian biến đổi khoảng một giờ hoặc ít hơn''. Hình 1.4
minh họa một sự biến động giữa thời gian ban ngày và ban đêm diễn ra trong
lớp bề mặt. Tại lớp bề mặt, khoảng 1 km tính từ bề mặt trái đất, là nơi tập trung
mật độ vật chất lớn nhất. Ở đó sự trao đổi năng lượng nhiệt do mặt trời cung cấp
cũng sẽ là mạnh mẽ nhất. Vào thời gian ban ngày nhiệt lượng mặt trời cung cấp
gây ra luồng nhiệt từ phía dưới vận chuyển khí, tất cả các loại son khí: hơi nước,
14
bụi, mù….tạo thành các luồng vật chất đối lưu theo chiều đi lên và mở rộng
đoạn nhiệt, đồng thời với sự dịch chuyển lên của các luồng khí nóng sẽ có sự hạ
thấp của những luồng khí lạnh với mật độ vật chất lớn. Các quá trình trao đổi
năng lượng ấy gây ra những xoáy vận chuyển giữa hai luồng khí dưới đi lên và
trên hạ xuống, như trong Hình 1.5. Quá trình đó sẽ duy trì đến khi đạt tới một
trạng thái cân bằng nhiệt động lực đạt được ở trên cùng của lớp biên của lớp khí
quyển ngay trên bề mặt trái đất. Trên miền danh giới của lớp bề mặt nếu có
ngưng kết do hơi ẩm trên các tác nhân son khí sẽ tạo thành những khối vật chất
có mật độ cao và đó là sự ra đời của các đám mây trong tầng đối lưu [115].
Phần son khí khô phía trên thuộc miền khí tự do (free atmosphere) phía
trên sẽ ngưng xuống theo chiều ngược lại của miền khí bề mặt đưa lên do quá
trình giãn nở đoạn nhiệt. Như vậy sẽ tồn tại một miền biên giới khí quyển hẹp
mà tại đó sẽ có sự biến đổi đột ngột về mật độ do có sự giao thoa giữa luồng khí
ở phía dưới có mật độ lớn nhất đưa lên và phần khí khô ở phía trên và được gọi
là miền khí quyển bị cuốn theo (entrainment zone) - miền được tao ra do quá
trình đối lưu giữa các luồng khí nóng ở phía dưới đi lên và miền khí lạnh ở trên
đi xuống. Ở đây chúng ta luôn nhớ rằng trong vùng không gian thấp thuộc tầng
Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí quyển bề mặt [62].
Mặt trời lặn Trƣa Mặt trời
mọc
Khí quyển tự do Miền cuốn theo
Mây
Luồng khí
Lớp
trộn Lớp bề mặt
Lớp ổn định
Miền ranh giới
15
đối lưu, dưới ~12 km, vật chất tồn tại có mật độ tăng theo hàm mũ khi độ cao
giảm. Trong khí quyển ở tầng thấp luôn có sự pha trộn giữa các loại khí và các
loại hạt vật chất khác mà chúng ta quen gọi là son khí. Như vậy bản chất của sự
tạo thành lớp bề mặt và đỉnh của lớp bề mặt là sự giải phóng năng lượng nhiệt
bức xạ gây ra quá trình luân chuyển đối lưu trên dưới giữa các khối khí. Chính
do các quá trình đối lưu và loạn lưu tạo ra xu hướng duy trì một lớp pha trộn
(mixing layer), trong đó có nhiệt độ và độ ẩm gần như không thay đổi theo độ
cao. Đặc trưng nổi bật nhất của lớp khí pha trộn chính là sự „bất ổn‟ và nó còn
có thể được gọi là lớp bề mặt đối lưu (convective boundary layer - CBL). Phần
thấp nhất của lớp bề mặt khí quyển (atmospheric boundary layer – ABL) gọi là
lớp bề mặt như trong Hình 1.5 màu đen đậm và ngay sát bề mặt trái đất. Trong
điều kiện có gió, lớp bề mặt sẽ bị phân tách và thay đổi theo đặc trưng địa hình
gây ra do sự ma sát [81, 114].
Trong quá trình biến đổi của lớp son khí bề mặt diễn ra theo thời gian địa
phương bị chi phối bởi nguồn năng lượng bức xạ của mặt trời. Trong quá trình
đó sẽ có sự thay đổi mạnh mẽ ở khoảng thời gian giữa lúc mặt trời lặn và mặt
trời mọc. Ranh giới của khí quyển tạo ra khi đó được gọi là lớp biên về đêm, lớp
ranh giới này phân bố liên tục theo độ cao xuất phát từ mặt đất lên tới đỉnh lớp
bề mặt (từ 0 tới ~1,5 km). Miền ranh giới này thường được đặc trưng bởi sự tồn
tại của một lớp khí ổn định, hình thành khi kết thúc quá trình bức xạ năng lượng
mặt trời về cuối ngày kết hợp cả quá trình làm mát do sự bức xạ cộng từ lớp son
khí bề mặt vào bề mặt trái đất bên cạnh đó còn có sự tác động do ma sát với lớp
bề mặt ổn định ở miền thấp nhất của ABL. Trong miền khí chuyển tiếp ấy còn
những tàn tích của các khối nhiễu động tạo ra trong lớp CBL vào ban ngày. Lớp
ranh giới về đêm cũng có thể đối lưu khi có sự xuất hiện của các khối khí nóng
hoặc lạnh di chuyển theo phương ngang ví dụ như khối khí lạnh ở phương bắc di
chuyển xuống tựa trên một bề mặt ấm áp đã có sẵn (ví dụ: khi có gió mùa đông
bắc).
16
1.1.2.2. Lớp son khí tự do tầng thấp (free atmosphere layer)
Phía trên lớp son khí bề mặt xảy ra nhiều biến động bởi sự lưu chuyển của
các luồng vật chất nóng đi lên và lạnh đi xuống do sự hấp thụ và bức xạ gây ra.
Ngay phía trên vùng son có mật độ lớn nhất trong lớp bề mặt đó chúng ta sẽ thấy
sự xuất hiện của những khối khí với mật độ cao đột ngột và không liên tục khi
có tác nhân ngưng kết là các hạt bụi và hơi ẩm, tại đó được hiểu là các đám mây
tầng thấp và vừa được hình thành từ sự nâng lên của các khối son khí xuất phát
từ lớp bề mặt. Ngoài ra sẽ là sự tồn tại của khí và phần son khí khô và chúng ta
gọi tên miền son khí khô này là lớp khí quyển tự do tầng thấp, ở đó có sự góp
mặt của son khí nhưng không có sự ngưng kết và mật độ tồn tại của vật chất
tuân theo quy luật giảm của hàm mũ theo độ cao một cách đều đặn. Miền phân
bố của lớp son khí tự do này thường phần bố trong khoảng trên lớp son khí bề
mặt và dưới độ cao ~5 km tùy thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu, môi trường địa
phương [1, 30, 48].
Trong toàn bộ lớp son khí tầng thấp (khoảng dưới 5 km) về cơ bản phân
thành hai lớp son khí khác nhau với những đặc trưng về sự phân bố mật độ, tốc
độ biến đổi, vai trò ảnh hưởng tới sự biến động chung của khí quyển bề măt trái
đất và đặc biệt chúng có sự liên hệ trao đổi với nhau.
1.1.2.3. Vai trò của son khí tầng thấp
Vai trò lớp khí quyển tầng thấp đối với khí quyển
Chúng ta biết rằng trái đất là một trong chín hành tinh của hệ mặt trời. trái
đất quay quanh mặt trời với khoảng cách trung bình là 149,6. 106 km [2]. Trái
đất có thể coi là một hệ thống kín về mặt hóa học, nó tiếp thu năng lượng từ Mặt
trời đưa tới nhưng trong phạm vi so sánh với khối lượng chung của nó là
5,98.1024
kg thì không hề có sự trao đổi vật chất với các vùng xung quanh. Với
bán kính 6370 km và tỷ trọng 5520 kg/m3, Trái đất cũng như các hành tinh khác
trong hệ mặt trời như sao Hỏa, sao Thổ, sao Kim… là một trong những hành
tình tương đối nhỏ trong Thái dương hệ. Trong đó sinh quyển được hiểu là nơi
17
tồn tại của sinh vật sống, bao gồm cả địa quyển, thủy quyển và khí quyển [1, 3,
4, 5, 29].
Trong đó khí quyển là lớp khí bao phủ xung quanh tầng thấp trái đất, có
khối lượng 5,16.1021
kg, nhỏ hơn 1/1000 trọng lượng trái đất [4]. Dưới tác dụng
của lực hút trái đất, mật độ không khí lớn nhất ở lớp gần mặt đất. Theo chiều
tăng của độ cao, mật độ giảm xuống (khoảng cách giữa các phân tử tăng lên).
Dần dần mật độ không khí tiến gần đến mật độ của không gian vũ trụ (ở độ cao
trên 2000 km). Trong tổng cộng khối lượng của khí quyển 5,16.1021
kg thì
khoảng 50% khối lượng ở trong bề dày cách mặt đất 5 km và 75% nằm trong
lớp dày đến 10 km và 90% đến 16 km [3, 109].
Khí quyển có tác dụng duy trì sự sống trên Trái đất, ngăn chặn những tác
động độc hại của các tia tử ngoại gần (𝜆 < 300 nm), các bức xạ nhìn thấy
(𝜆 = 400 ÷ 800 𝑛𝑚), tia hồng ngoại gần (𝜆 < 2500 𝑛𝑚) và sóng radio
(𝜆 = 0,10 ÷ 40 𝑚) đi vào trái đất [3]. Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong
việc giữ cần bằng nhiệt lượng của trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia phát xạ
từ mặt trời tới và phản xạ tia nhiệt từ mặt đất lên. Thành phần chủ yếu của khí
quyển ở gần tầng thấp Trái đất gồm nitơ (N2), ôxy (O2), cacbonic (CO2), hơi
nước (H2O) và một số khí khác như acgon, hêli, nê-ôn, ôzôn, mêtan, hiđrô…với
hàm lượng rất nhỏ. Khí quyển là nguồn cung cấp O2 và CO2 cần thiết cho sự
sống trên trái đất, cung cấp nitơ cho quá trình cố định đạm ở thực vật hay sản
xuất phân đạm cho nông nghiệp. Hơn nữa, khí quyển còn là môi trường để vận
chuyển nước từ đại dương vào đất liền, tham gia vào quá trình tuần hoàn nước.
Cùng với quá trình sống sinh hoạt và các hoạt động lao động sản xuất công
nghiệp, nông nghiệp…con người liên tục thải nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển,
làm môi trường khí quyển bị biến đổi theo chiều hướng tiêu cực.
Trong khí quyển, chúng ta đặc biệt quan tâm tới tầng khí quyển thấp nhất
– tầng đối lưu. Bởi sự sống của con người và của nhiều loài sinh vật diễn ra
trong đó. Giữa các tầng trong khí quyển có sự khác biệt cơ bản về cấu trúc và
18
các đặc điểm lý hóa đặc trưng. Trong tầng đối lưu nhiệt độ hạ dần theo độ cao,
với gradient nhiệt thay đổi khoảng 6o - 7
o trên mỗi km độ cao. Trong tầng đối
lưu luôn có hơi nước, mây, mưa, tuyết, sương mù… gió trong tầng đối lưu trên
các vĩ độ vừa và cao chủ yếu có hướng tây và càng lên cao cường độ gió càng
tăng, đạt giá trị cực đại ở gần giới hạn trên của tầng đối lưu. Áp suất không khí
giảm mạnh theo độ cao, ở độ cao 5 km, áp suất còn lại ½, ở độ cao 10 km là ¼
so với mặt đất [4, 5].
Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu không ổn định, nó phụ thuộc vào
mùa trong năm và đặc tính của các quá trình khí quyển. Sự gia tăng của giới hạn
trên tầng đối lưu quan sát thấy từ mùa đông đến mùa hạ và từ hai cực về xích
đạo. Theo dõi sự biến đổi của các đối tượng trong khí quyển, nhằm đánh giá tình
trạng khí quyển, đề tìm ra quy luật biến đổi và dự báo tình trạng khí quyển trong
thời gian tiếp sau là một nhiệm vụ của nhiều ngành khoa học khác nhau với mục
đích theo dõi và nghiên cứu khác nhau.
Tƣơng tác giữa năng lƣợng bức xạ mặt trời và quá trình biến đổi
của lớp son khí tầng thấp.
Nguồn cung cấp năng lượng ở hầu hết các quá trình và các hiện tượng
trong khí quyển là nhiệt lượng từ mặt trời đi tới khí quyển và bề mặt trái đất
dưới dạng năng lượng bức xạ. Năng lượng mặt trời làm chuyển động các khối
khí mang theo hơi nước đảm sự tuần hoàn của nước trong tự nhiên, hun nóng
tầng thấp và bề mặt trái đất. Nhiệt từ mặt đất dần dần truyền xuống dưới sâu và
tạo ra nhiệt lượng dự trữ ở đó, chúng rất cần cho mọi cơ thể sống. Ánh sáng nhìn
thấy của bức xạ mặt trời cho trái đất ánh sáng ban ngày và là nguồn gốc của mọi
hiện tượng tự nhiên có liên quan tới bức xạ của mặt trời [3, 4].
Năng lượng tia mặt trời do mặt trời tỏa ra gọi là bức xạ mặt trời. Nó
truyền đi dưới dạng sóng điện từ với tốc độ 3,112. 108 m/s trong khí quyển. Khí
quyển trái đất nhận năng lượng bức xạ đó tổng cộng trong suốt một năm trung
bình vào khoảng 1,3.1024
calo. Nhiệt lượng này lớn tới mức có thể làm tan một
19
lớp băng dày 36 m phủ kín toàn bộ địa cầu ở nhiệt độ 00C. Tổ hợp toàn bộ dải
sóng mà trên đó bức xạ mặt trời phát ra gọi là phổ bức xạ mặt trời. Phổ mặt trời
chia làm ba dạng tia: Bức xạ tử ngoại – bức xạ sóng ngắn với độ dài bước sóng
từ 0,1 – 0,4 µm, bức xạ nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại với độ dài bước sóng từ
0,76 µm – 4,0 µm [5].
Bức xạ mặt trời đến mặt đất dưới dạng tia trực tiếp và các bức xạ khuếch
tán (do tán xạ từ các thành phần của khí quyển) [4]. Bức xạ đến một cách trực
tiếp từ mặt trời dưới dạng các chùm tia song song gặp bề mặt trái đất và các lớp
khác nhau trong khí quyển gọi là bức xạ trực tiếp. Cường độ của bức xạ trực tiếp
phụ thuộc vào độ cao của mặt trời trong thời gian ban ngày. Cường độ bức xạ
trực tiếp đạt cực đại vào lúc giữa trưa địa phương.
Bức xạ mặt trời bị tán xạ nhiều lần trong khí quyển gọi là bức xạ khuếch
tán. Bức xạ khuếch tán đến tầng thấp trái đất từ tất cả các hướng của phông trời.
Cường độ bức xạ khuếch tán phụ thuộc vào độ cao mặt trời, độ trong suốt khí
quyển, sự hiện diện của mây, son khí tầng thấp, đặc điểm phản xạ của mặt đệm,
độ cao của điểm so với mực nước biển. Bức xạ khuếch tán tạo ra màu xanh da
trời vào những ngày trời trong vào giờ bình minh hay hoàng hôn màu sắc của
tán xạ khuếch tán có màu đỏ vì sự tán xạ lúc này xảy ra trên đối tượng son khí
gần tầng thấp dày đặc [10, 112].
Nguồn năng lượng đã rõ, vậy nguồn năng lượng này sẽ làm cho lớp son
khí trong tầng đối lưu dịch chuyển như thế nào? Trong thực tế người ta chia ra
làm hai loại là: chuyển động đối lưu nhiệt và chuyển động loạn lưu.
Chuyển động đối lưu nhiệt là sự chuyển dịch của khối khí riêng biệt theo
chiều thẳng đứng. Hầu hết đối lưu nhiệt xảy ra do sự hun nóng của lớp khí dưới
thấp. Trên biển hay đại đa phần khối khí dưới thấp khi có thành phần là hơi
nước ấm bốc lên khi vào các mùa lạnh hoặc vào thời gian ban đêm. Khi đó lớp
khí nóng sẽ đi lên nhường chỗ cho lớp khí lạnh hạ xuống. Đối lưu có thể vươn
20
tới những lớp cao của khí quyển vì thế đó là cách trao đổi nhiệt hiệu quả từ mặt
đệm đến các lớp khí quyển phía trên cao.
Loạn lưu được hiểu là chuyển động vô hướng của từng đám không khí
nhỏ riêng biệt bên trong dòng chảy chung của không khí. Trong đó, các thành
phần này của không khí thì đi lên, còn thành phần kia thì hạ xuống, tạo thành
các xoáy theo phương đứng. Kết quả của nó là tạo nên sự trao đổi nhiệt theo
hướng thẳng đứng. Dòng loạn lưu mạnh lên khi tốc độ gió tăng cường. Bản chất
của quá trình đối lưu và loạn lưu là sự truyền nhiệt giữa khối khí nóng và lạnh.
Quá trình hình thành son khí trong khí quyển
Thành phần son khí tự nhiên phổ biến nhất chính là hơi nước và các hạt
được tạo thành từ quá trình luân chuyển nước trong khí quyển. Chúng ta tìm
hiểu cụ thể hơn quá trình xuất hiện hơi nước và sự hình thành khói hay sương
mù trong khí quyển. Khi có lượng nước xâm nhập vào trong khí quyển từ tầng
thấp đệm hoặc dịch chuyển ngang từ một nơi nào tới sẽ có sự dịch chuyển lên
trên, càng lên cao nhiệt độ khối khí giảm, khi chưa đạt tới điểm sương, chưa bão
hòa và khối son khí chưa chuyển sang thể lỏng thì khối khí sẽ hạ xuống ~1o tính
trên mỗi khi bị nâng lên thêm 100 m độ cao, tức là bằng với gradient nhiệt đẳng
hướng 𝛾𝑘 [4]. Ngược lại khi khối khí hạ thấp độ cao, khối khí bị nén lại và nóng
lên theo gradient tương tự. Với khối khí đã bão hòa, quá trình đó gọi là quá trình
đoạn nhiệt ẩm, gradient đoạn nhiệt ẩm kí hiệu 𝛾𝑎 khác với gradien đoạn nhiệt
khô, có giá trị không ổn định mà thay đổi theo nhiệt độ ở trong khoảng 0o3 tới
0o9 trên mỗi 100 m độ cao. Đối với các quá trình đoạn nhiệt ẩm mùa hạ ở các
lớp dưới của khí quyển sát bề mặt trái đất, đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên
là 𝛾𝑎 = 0o4 - 0
o5, với mùa đông là 0
o7 - 0
o9 trên 100 m độ cao, nhưng ở độ cao
khoảng gần 7 - 9 km nó đạt tới 1o/100 m [3, 5].
Trong quá trình biến đổi của nước trong khí quyển có sự chuyển đổi qua
lại giữa trạng thái khí, lỏng và rắn của nước. Quá trình khí ẩm tạo thành giọt
nước được gọi là quá trình ngưng kết. Quá trình biến đổi trực tiếp thành dạng
21
rắn dưới dạng tinh thể băng được gọi là quá trình đóng băng. Hai quá trình trên
xảy ra thường xuyên khi thỏa mãn cả hai điều kiện là đạt điểm sương và có tác
nhân ngưng kết trong khí quyển. Để xảy ra sự hạ nhiệt độ có thể là quá trình
dịch chuyển lên cao của khối khí hoặc sự dịch chuyển của không khí nóng và
ẩm đến mặt trải dưới tại bề mặt trái đất lạnh hơn hay do sự tỏa nhiệt mạnh của
bức xạ sóng dài của khối khí tới bề mặt trái đất vào những đêm trời quang mây
và thường xảy ra trên đất liền sẽ tạo nên các hạt sương ngay tại lớp khí quyển bề
mặt và đọng trên các thảm thực vật mà chúng ta hay gọi là sương muối. Đối với
tác nhân gây ngưng kết chúng ta có thể kể tới sự tham gia của các loại hạt rắn lơ
lửng trong khí quyển: các hạt bụi, cát, gio, các phân tử muối…
Nước trong khí quyển không những chỉ chuyển tử trạng thái hơi sang lỏng
hoặc rắn, mà còn xảy ra các quá trình ngược lại. Sản phẩm của sự ngưng kết và
đóng băng do sự bức xạ nhiệt vào ban đêm, khi chuyển sang bang ngày, do sự
đốt nóng của mặt trời chúng bắt đầu bốc hơi và lại trở về dạng hơi nước. Tuy
nhiên phần lớn lượng hơi ẩm đã chuyển sang trang thái lỏng hoặc rắn từ hơi
nước đều rơi xuống dưới dạng mưa, tuyết, hoặc mưa đá.
Trong khoảng độ cao dưới 5 km đóng góp của hơi nước và các hạt ngưng
kết chủ yếu tồn tại ở dạng son kích thước nhỏ hoặc thể rắn là các hạt bụi hoặc
các hạt nước nhỏ li ti do quá trình ngưng kết có sự tham gia của hơi nước. Tập
hợp các giọt nước li ti hoặc các tinh thể băng rất nhỏ ở lớp khí sát mặt đất được
gọi là sương mù, trong điều kiện đó tầm nhìn sẽ giảm rất mạnh. Với điều kiện
lượng sương mù có mật độ thấp thì các hạt son thường có kích thước nhỏ và
thưa lúc đó tầm nhìn xa bị hạn chế không đáng kể, trong trường hợp này trong
thuật ngữ của ngành Khí tượng gọi là khói. Khi có khói chúng ta thấy không khí
có màu phơn phớt bạc.
Khi có đủ điều kiện về hạt ngưng kết, nhiệt độ hạ tới điểm sương (𝜏) thì
quá trình sương mù diễn ra. Như vậy, chúng ta có thể thấy có ba nguyên nhân
chính đưa tới sự hình thành sương hay khói trong lớp khí quyển thấp là: Quá
22
trình hạ nhiệt độ do bức xạ nhiệt (sóng dài) vào ban đêm và những giờ gần
sáng của lớp son khí gần về bề mặt trái đất, khi trời quang mây và chủ yếu xảy
ra trên đất liền; hoặc là sự di chuyển của không khí nóng ẩm đến mặt đệm lạnh
hơn; hay sự bốc hơi nước từ mặt nước ấm hơn so với không khí xung quanh
đưa lên cao. Cùng với các nguyên nhân kể trên, một điều kiện không thể thiếu
là phải tồn tại trong không khí các hạt ngưng kết và độ ẩm không khí cao gần
mức bão hòa. Sự tạo thành sương mù bắt đầu khi độ ẩm tương đối gần đạt 100
% (khoảng 90 % - 95 % tại nhiệt độ trên 25oC, khoảng 80 % ở nhiệt độ dưới
25oC).
Tùy thuộc quá trình hình thành mà chúng ta chia ra thành 3 loại sương mù
sau: mù bức xạ (mù lục địa), mù bình lưu và mù bốc hơi (mù đại dương). Mù
bức xạ (mù lục địa) đặc trưng cho loại mù hình thành trên đất liền thường được
tạo ra vào ban đêm vào những giờ gần sáng trong thời kỳ trời ít mây, ví dụ vào
các đêm mùa đông ở Việt Nam. Loại mù này có bề dày và độ đậm đặc không
lớn, theo hướng thẳng đứng đôi khi chúng ta vẫn thấy màu xanh da trời. Thông
thường mù bức xạ hình thành ở nơi hơi thấp so với mặt bằng xung quanh và chỉ
phát triển ở độ cao 1 - 2 m trên bề mặt trái đất. Và đặc điểm là mù bức xạ không
tồn tại lâu. Có thể tạo thành vào thời gian đêm về sáng thì vào điều kiện ban
ngày khi bức xạ mặt trời tăng cao, lớp mù này sẽ khuếch tán vào không trung
theo mức tăng của nhiệt độ không khí và dịch chuyển lên độ cao lớn hơn. Tuy
nhiên về mùa đông, ở một số nơi loại mù này giữ được nhiều ngày liên tục.
Mù bình lưu thường gặp trên các vùng ven biển và đại dương và cả trên
các dải đất ven biển. Khác với mù bức xạ, loại này có độ bền vững cao, bề dày
theo phương thẳng đứng lớn, diện tích lan tỏa rộng và quan sát thấy khi tốc độ
gió nhỏ hơn 10 m/s. Loại mù này làm giảm tầm nhìn đáng kể. Gần bờ biển mù
bình lưu được hình thành khi có không khí từ biển nóng ẩm hơn trườn lên đất
liền, gặp lạnh trên đất liền mà ngưng kết tạo thành. Quá trình hình thành này
diễn ra chậm chạp và thường thấy vào mùa thu và mùa đông. Ví như loại sương
23
mù hình thành trên lớp khí quyển gần mặt đất ở vùng bờ biển đông Châu Phi và
bờ biển Nam Mỹ. Mù bình lưu có thể hình thành trong điều kiện khác là trên các
hải lưu lạnh Bengin và Peru, do chuyển động của không khí nóng ẩm từ các lục
địa đến. Sương mù bình lưu thường gặp nhiều ở nơi có các hải lưu nóng và lạnh
chảy sát nhau hoặc hòa lẫn với nhau, trong điều kiện lý tưởng ấy mù hình thành
rất mãnh liệt. Như ở Đại tây dương vùng mây dày nhất gần Niufaundlan, nơi
gặp nhau của hải lưu lạnh Labrador với hải lưu nóng Golfstrim. Hàng năm ở đây
xảy ra đến 80 ngày sương mù, trong mùa nóng quá trình hình thành mù bình lưu
diễn ra rõ nét hơn vào mùa lạnh. Nơi thường xuyên gặp mù dày đặc là vùng biển
của các nước Bắc Âu của Đại tây dương như bờ biển nước Anh, Đức, Hà lan,
miền nam của Skandinavo và ở vịnh La-mans [56].
Sương mù bốc hơi hay sự bốc hơi của biển xảy ra vào mùa đông trên các
biển không bị lạnh giá lắm, hoặc trên các vùng nước nằm giữa biển băng giá; lúc
có dòng không khí rất lạnh đến gặp tầng thấp biển tương đối ấm hơn. Hơi nước
từ tầng thấp trên mặt biển ấm tiến vào không khí gặp phải dòng khí quá lạnh sẽ
ngưng kết và tạo thành sương mù. Mù bốc hơi có độ đậm đặc không lớn, làm
giảm tầm nhìn xa không nhiều lắm.
Sương mù là một trong những hiện tượng khí tượng làm giảm tầm nhìn
của mắt thường cũng như tầm quan sát của các hệ đo xa, ví như rada hay lidar.
Mức độ suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào mật độ sương mù (tức là phụ thuộc
hàm lượng các hạt son khí trong khí quyển), vào kích thước và nhiều đặc trưng
quang khác… Bên cạnh đó tầm xa quan sát còn phụ thuộc vào nhiệt độ không
khí và cả khoảng xa mà tín hiệu đã đi qua sương mù đạt tới. Khi tầm nhìn xa
trong mù là 30 – 50 m thì cường độ của tín hiệu lidar sẽ giảm đi khoảng 30% –
45 %, trong nhiệt độ thấp độ giảm tín hiệu trong sương mù sẽ nhiều hơn trong
điều kiện nhiệt độ cao. Vì thế, tín hiệu lidar khảo sát ở vùng xích đạo sẽ dễ hơn
trong việc đo xa.
24
Quá trình hình thành son khí ở tầng thấp thường gọi là sương hoặc mù sẽ
liên quan mật thiết với quá trình hình thành đối tượng son khí tầng trên với mật
độ cao được gọi là mây. Sự hình thành mây sẽ được trình bày chi tiết và cụ thể
về nhiều khía cạnh như: sự hình thành, cấu trúc, sự phân bố, phân loại và vai trò
của mây trong vấn đề khí quyển (thời tiết, khí hậu) trong phần sau.
1.1.2.4. Các đặc trƣng cơ bản của lớp son khí tầng thấp
Những đặc trưng vật lý cơ bản về lớp son khí tầng thấp thường được
quan tâm nghiên cứu là:
1. Độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt.
2. Đặc trưng độ sâu quang học.
3. Đặc trưng suy hao.
4. Đặc trưng tán xạ ngược.
5. Đặc trưng tỉ số lidar.
6. Đặc trưng khử phân cực.
Cơ sở lý thuyết và chương trình mô phỏng tính toán các thông số vật lý vi
mô (từ đặc trưng 1 tới đặc trưng thứ 6) của son khí tôi sẽ trình bày trong chương
2 về kỹ thuật lidar và phần phụ lục của luận án.
1.1.3. Mây Ti tầng cao
1.1.3.1. Cơ chế hình thành mây Ti
Theo tổ chức khí tượng thế giới - WMO [70] định nghĩa về mây là tập
hợp các hạt vật chất được tạo thành do sự ngưng kết của nước hoặc tinh thể băng
cũng như bao gồm cả hai thành phần trên, chúng tồn tại ở một độ cao nào đó
trong khí quyển trên bề mặt trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và
tồn tại trong khoảng thời gian hàng phút hoặc lâu hơn. Các đám mây là một
trong nhiều thành phần trong lớp khí quyển bao quanh trái đất, chúng bao phủ từ
60% tới 70% diện tích bề mặt trái đất [3, 4, 70, 88]. Sự tồn tại của các đám mây
giữ một quy luật quan trọng trong hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của
25
chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ bức xạ mặt trời và hiệu ứng nhà kính, cũng như
quyết định lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa. Trong
Bảng 1.3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng bề ngoài
và độ cao của mây có vai trò ảnh hưởng tới khí hậu của trái đất. Với mục đích là
dự đoán những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì yêu cầu cần phải theo dõi và
nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc
trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu
khu vực, khí hậu toàn cầu là rất quan trọng. Việc nghiên cứu về cấu trúc mây
cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng dự đoán sự biến đổi khí hậu trong
tương lại là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản. Thứ nhất, chúng ta biết quá
trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó diễn ra trong thời gian
ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó mang các đặc trưng
thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các quá trình tạo bởi
con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của trái đất. Bởi
vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do nguyên
nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các đám
mây… [36, 46, 86].
Việc quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng không
những đối với các cơ quan phục vụ không chỉ mục đích dự báo thời tiết mà cụ
thể cho những mục đích vận chuyển đường không hay đường thủy… Chương
trình quan sát mây bao gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng
mây tầng thấp và mây phát triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ
cao…[3, 4]. Để phân định đúng dạng mây cần Atlac mây chuyên dụng. Lượng
mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh. Sự đánh giá
này được chia theo phần 10 của độ bao phủ mây, mây bao phủ 100% [96] được
gọi theo cấp bao phủ lớn nhất là 10. Trong kỹ thuật lidar cho phép nghiên cứu
các tham số đặc trưng vĩ mô cũng như vi mô sâu sắc hơn về các tầng mây.
Trong giới hạn luận án, chúng tôi chỉ xin trình bày chi tiết về loại mây Ti tầng
cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây tới tầng khí quyển và các vấn
26
đề khí hậu cũng như quá trình hình thành) và việc sử dụng kỹ thuật lidar khảo
sát các đặc trưng quang học của lớp mây Ti (đặc trưng phân bố, đặc trưng phân
tầng khí quyển, đặc trưng độ sâu quang học, đặc trưng nhiệt độ, đặc trưng phân
cực…). Ở chương 4 chúng tôi trình bày những kết quả của nhóm đã thực hiện
quan trắc mây Ti tầng cao bằng hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý - Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2009.
Bảng 1.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [4].
Hạng mây Ký hiệu Độ cao trung bình chân
mây ở vĩ độ trung bình
(km)
Tên gọi bằng tiếng việt Tiếng La tinh
Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 - 1,5
Mây tầng Stratus St 0,05 - 0,5
Mây vũ – tầng Nimbostratus Ns 0,1 - 1,0
Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tích Cumulus Cu 0,3 - 1,5
Mây vũ – tích Cumulonimbus Cb 0,4 - 1,0
Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km)
Mây trung – tích Altocumulus Ac 2 - 6
Mây trung – tầng Altostratus As 3 - 5
Họ mây tầng trên (trên 6 km)
Mây Ti Cirrus Ci 7 - 10
Mây Ti – tích Cirrocumulus Cc 6 - 8
Mây Ti – tầng Cirrotratus Cs 6 - 8
Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của trái đất,
đặc biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên
cứu nhiều nhất. Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng
27
trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao
quanh trái đất cũng như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho
phép chúng ta có thể dự báo sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như
trên phạm vi toàn cầu trong một thời gian dài (hiện nay theo mô hình dự báo của
NASA có thể dự báo thời tiết trước 6 tháng).
Để có thể dự báo sự thay đổi của thời tiết và biến đổi khí hậu thì đó là bài
toán tổng hợp đầy đủ dữ liệu và xử lý thông tin tập hợp được từ: 15 vệ tinh, 100
đầu thu tín hiệu gắn liền phao cố định trên biển, 600 đầu thu gắn liền với phao
thả trôi tự do, 3.000 đầu thu gắn vào khinh khi cầu hoặc máy bay, 7.300 trạm tín
hiệu lắp đặt trên tàu thủy và 10.000 trạm thu tín hiệu trên mặt đất. Tất cả phục
vụ cho mục đích theo dõi các đặc trưng và biến đổi của khí hậu trên toàn cầu.
Chỉ những hiểu biết và kết quả nghiên cứu về mây đã là một vốn tri thức khổng
lồ của loài người về khí quyển. Trong những nghiên cứu về mây thì nguồn dữ
liệu đo đạc chủ yếu có từ những ảnh chụp vệ tinh, tín hiệu radar từ các trạm vệ
tinh cũng như trạm đặt trên mặt đất. Bên cạnh đó phương pháp lidar cũng mang
lại một nguồn tài nguyên dữ liệu phong phú và đáng tin cậy.
Lidar là một công cụ khá mới so với các phương pháp khác, được nghiên
cứu phát triển ban đầu cho mục đích quân sự sau đó nó đã được phổ biến và
phục vụ cho mục đích dân sự. Lidar là một phương pháp tiên tiến có độ chính
xác cao với độ phân giải thời gian có thể tới ns và không gian tới dm. Trên thế
giới hiện nay lidar là công cụ phổ biến được sử dụng nghiên cứu các đối tượng
trong khí quyển, trong đó có mây. Tuy nhiên, ở Việt Nam đây vẫn là một công
cụ đắt đỏ bởi vậy vẫn là một phương pháp khó thực hiện và chưa phổ biến.
Trong giới hạn luận án tôi cùng các đồng nghiệp trong nhóm xây dựng và khai
thác hệ lidar phân cực nhiều bước sóng với độ phân giải cao cho mục đích
nghiên cứu bầu khí quyển ở Hà Nội. Cụ thể trong chương 4 chúng tôi sẽ trình
bầy những kết quả bước đầu nghiên cứu về lớp mây Ti tầng cao.
28
Trong phạm vi chương này chúng tôi xin trình bày khái quát những thuộc
tính về đối tượng nghiên cứu - mây Ti, cũng như các loại mây nói chung và khai
thác nguồn số liệu thu từ hệ lidar nhiều bước sóng được xây dựng và phát triển
tại Viện Vật Lý, để khảo sát một số những tính chất cơ bản của mây Ti như: tính
chất về sự phân bố không gian có độ cao tồn tại trung bình là: 13,4 km; độ cao
của lớp mây biến đổi từ 11,2 km tới 15 km; độ dày lớp mây trung bình là: 1,75
km và biến đổi từ 0,3 tới 3,8 km. Sự tương quan giữa độ cao của mây và nhiệt
độ đám mây, sự thay đổi độ cao phân bố cũng như nhiệt độ nội tại của đám mây
thay đổi theo thời gian trong năm, đặc tính khử phân cực của mây Ti… cũng sẽ
được thảo luận kỹ trong chương 4 của luận án.
Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng
20km, thì sự hiện diện và vai trò của các đám mây đối với trái đất là rất quan
trọng. Sự tồn tại của chúng và những hiểu biết đầy đủ về nó là vấn đề phức tạp
tốn nhiều công sức tìm hiểu và nghiên cứu. Trong chương này tôi đưa ra những
thông tin khái quát về các loại mây, sự hình thành và các đặc trưng vật lý cơ bản
đối với mây Ti. Trong khoảng không gian thuộc tầng đối lưu và lớp dưới của
tầng bình lưu, mây Ti tồn tại trong khoảng không từ mặt đất tới khoảng cách 18
km, được chia làm 3 phân tầng cơ bản và có những loại mây tương ứng như
trong Hình 1.6 [70]. Phân tầng đầu tiên với độ cao dưới 2 km có hai hình thái
mây cơ bản dạng đám (cumulus) và dạng tầng (stratus), chúng tồn tại ở thể dày
đặc hơn cả. Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng
chủ yếu đó nhưng với kích thước nhỏ và mật độ các thành phần cấu thành thấp
hơn nên chúng ta thấy “mờ” hơn những đám mây ở tầng thấp. Ở tầng trên cùng,
độ cao trên 6km và tính tới hết tầng đối lưu, sự hiện diện của mây Ti và phổ biến
nhất là 3 hình dạng cơ bản: một dạng như là các lớp mỏng rất dài được gọi là
mây Ti, một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ (Cirrocumulus) và
dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus).
29
Trong thực tế các loại mây phổ biến nhất tồn tại trong lớp khí quyển gần
trái đất (tầng đối lưu) chúng ta thường quan sát thấy được trích dẫn trong Hình
1.7 và những loại mây không phổ biến được thống kê trong Hình 1.8.
Nói thêm về mây Ti, mây Ti (tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) hay còn
được gọi là mây Ti là một kiểu mây có dạng đặc trưng là các dải mỏng, tương tự
như nắm hay túm tóc hay đám lông vũ; thường được kèm theo là các búi hay
chùm, nên trong một vài ngôn ngữ, như tiếng Anh người ta có thể gọi nó là:
mare‟s tails (vệt hay đuôi con vật có dạng búi, nghĩa đen là "lông đuôi con ngựa
cái"). Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta không thể phân biệt
được từng đám khác nhau bằng mắt thường.
Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng
thế giới MWO [68].
Mây Ti Mây Ti - tích
Mây Ti – tầng
Các loại mây khác thuộc tầng thấp hơn 6 km
Mây trung tích
Mây trung tầng
Mây tầng tích
Mây vũ tầng
Mây tích
Mây tầng Mây vũ tích
30
Trong điều kiện khí hậu Việt Nam có rất ít ngày trời trong, đặc biệt như
khí hậu miền bắc – Hà Nội, mây Ti chỉ có thể quan sát bằng mắt thường vào
những ngày hè trời nắng bầu trời trở nên trong xanh và có lẽ dễ quan sát hơn cả
là vào những thời điểm sau các cơn mưa rào. Nhưng qua các nghiên cứu thì sự
hiện diện của mây Ti là phổ biến và mật độ bao phủ của chúng trên bề mặt khí
quyển trái đất là 30% [8, 12]. Bởi lý do đó mây Ti tầng cao đóng vai trò quan
trọng đảm nhiệm chức năng hấp thụ bức xạ nhiệt từ trái đất và phản xạ bức xạ đi
tới từ mặt trời. Vì thế, mây Ti trở thành tấm áo ngoài của tầng đối lưu đóng vai
trò bảo vệ trái đất và có ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của trái đất.
Độ cao Các loại mây
Mây Ti -
Tầng cao
Trên 6 km
Tầng trung
2 – 6km
Tầng thấp
0 – 2km
Hình 1.7: Ảnh một số loại mây cơ bản trong tầng đối lưu của khí quyển [70].
31
Cơ chế hình thành các đám mây là khá dễ hiểu. Dưới tác dụng của năng
lượng bức xạ mặt trời trong bầu khí quyển sẽ xuất hiện những vùng khí nóng
(mang theo nhiều thành phần hạt phức tạp có nguồn gốc khác nhau từ mặt đất)
và có nhiệt độ khác nhau. Sự gặp nhau của các khối khí nóng lạnh sẽ cho phép
khối khí nóng được đẩy lên cao và ở độ cao, nhiệt độ khối khí giảm đi làm cho
mật độ của vật chất trong khối khí tăng lên và tạo ra những hạt vật chất gắn kết
nhiều thành phần (hơi nước, hạt bụi, khói,…) có thể kết đông thành hạt lớn hơn
hoặc kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt độ đông đặc. Mây là tập hợp
khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng ở phân tầng dưới hoặc là
Độ cao Các loại mây không phổ biến
Có thể tìm thấy
ở nhiều độ cao
khác nhau
Những mây
không phổ
biến, có hình
dạng đặc biệt
Dạng vệt liên
tục kéo dài.
Tìm thấy ở
nhiều độ cao
khác nhau
Hình 1.8: Ảnh một số lọai mây không phổ biến khác tồn tại trong tầng đối lưu
của trái đất [70].
32
tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp. Hình ảnh quá trình tạo thành mây có
thể được biểu diễn trong Hình 1.9 [70].
Mây Ti được hình thành khi hơi nước đóng băng thành các tinh thể nước
đá tại các cao độ trên 6.000 m. Do độ ẩm khá thấp tại các cao độ lớn nên chúng
có xu hướng là rất mỏng. Ở các cao độ này, các máy bay để lại các dấu vết
ngưng tụ (khói thải ra hoặc chính là sự biến động của khối khí để lại sau khi
máy bay đi qua) mà chúng có thể chuyển thành mây Ti. Điều này xảy ra khi khí
nóng thoát ra có chứa nước và hơi nước đó bị đóng băng, để lại dấu vết nhìn
thấy. Các vệt dấu vết này có thể ở dạng thẳng khi không có sự nhiễu loạn đột
ngột, khi có sự nhiễu loạn đột ngột vì nguyên nhân nào đó sẽ làm cho mây xuất
hiện dưới dạng móc cong hay dấu phẩy (Cirrocumulus), hay một mớ lộn xộn -
chỉ thị về nhiễu loạn ở mức cao.
1.1.3.2. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lƣu
Tồn tại ở lớp trên cùng của tầng đối lưu, từ độ cao trên 6km, mây Ti đóng
vai trò hấp thụ năng lượng bức xạ nhiệt (vùng bước sóng dài) từ mặt đất – tạo
Hình 1.9: Mô hình giải thích sự tạo thành của các đám mây [70].
Khí lạnh Khí ấm
Khí lạnh Khí ấm
Khối khí nóng phát triển dưới
một phông khí lạnh sẽ giảm
độ cao và gây ra mưa – quá
trình giải phóng đám mây
Phông khí ấm phát triển phí trên
khối khí lạnh sẽ làm tăng độ cao
của khối khí – quá trình tạo mây
33
hiện tượng nhà kính, đồng thời phản xạ những bức xạ nhận từ phía mặt trời.
Điều đó cho thấy vai trò là lớp bảo vệ trái đất của tầng mây Ti luôn đóng một
vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình bức xạ năng lượng xảy ra ở lớp khí
quyển tầng thấp của trái đất. Điều này thực sự là đáng kể và có mức ảnh hưởng
lớn bởi sự tồn tại phổ biến của mây Ti trong tầng đối lưu, sự che phủ của chúng
là khoảng 30% bề mặt toàn bộ trái đất [88].
Độ cao, độ dày, mật độ che phủ của mây Ti và những đặc trưng vi mô của
mây như: mật độ tinh thể băng, hàm lượng nước và kích thước hạt tinh thể…sẽ
là những thông số quan trắc có nhiều ý nghĩa đánh giá về mức độ ảnh hưởng của
lớp mây Ti đối với các đối tượng còn lại trong tầng đối lưu và có ý nghĩa với đối
với sơ đồ dự báo thời tiết.
Vì vậy, mây Ti đóng vai trò là mắt xích của chu trình tuần hoàn nước, là
đối tượng mang năng lượng lớn nhất có được từ năng lượng bức xạ của mặt trời
do đó hoạt động của mây Ti đóng vai trò thúc đẩy quá trình biến đổi năng lượng
bức xạ tiếp theo xảy ra trong khí quyển. Những đặc trưng của mây Ti sẽ cho
phép xây dựng nên mô hình dự báo sự thay đổi thời tiết cho từng khu vực cũng
như biến đổi khí hậu của trái đất.
Sự tồn tại một lượng lớn mây Ti có thể là dấu hiệu cho sự tới gần của hệ
thống giông hay nhiễu loạn không khí ở phía trên. Điều này thường có nghĩa là
thời tiết sẽ thay đổi, nói chung dễ trở nên có giông tố hơn trong phạm vi 24 giờ.
Mây Ti cũng có thể là dấu tích sót lại của giông tố. Một màn chắn lớn gồm cả
mây Ti (lớp ngoài trên 6km) và mây Ti tầng (trong phân tầng thứ hai với độ cao
từ 2 – 6km) thường là sự xuất hiện của những khối khí đối lưu với tốc độ cao
của các cơn bão mạnh.
1.1.3.3. Các đặc trƣng cơ bản của mây Ti
Những đặc trưng vĩ mô của mây Ti thường được quan tâm nghiên cứu là
độ cao phân bố trung bình của lớp mây, mật độ phân bố của lớp mây theo thời
gian và độ dày lớp mây.
34
Bên cạnh các đặc trưng vĩ mô là các đặc trưng vi mô của mây Ti như độ
sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar, hệ số phân cực,
thành phần cấu tạo của đám mây, đặc trưng về mật độ tinh thể băng trong đám
mây, trữ lượng nước và kích thước của tinh thể băng tồn tại trong mây…[27,
115]. Tất cả các đặc trưng nêu trên đều quan trọng và có ý nghĩa đóng góp trong
mô hình khí quyển nhằm theo dõi và dự báo sự thay đổi tiếp sau của các hiện
tượng khí quyển.
1.1.3.4. Kỹ thuật khảo sát mây Ti
Để khảo sát các đặc trưng cơ bản của lớp mây Ti (đặc trưng độ cao trung
bình, độ dày quang học…) thực tế có 5 kỹ thuật cơ bản sau:
1. Kỹ thuật ghi nhận radar ở bước sóng 8,6 mm [68].
2. Kỹ thuật sử dụng ẩm kế ghi điểm sương thả theo bóng thám không
[68].
3. Kỹ thuật kết hợp cả thiết bị kinh vĩ lưỡng kênh và tín hiệu quan sát từ
máy bay [3, 68].
4. Kỹ thuật quan sát từ tín hiệu vệ tinh (chỉ cho phép xác định độ cao của
mây) [68].
5. Kỹ thuật đo lidar (light detection and ranging) [68].
Trong đó kỹ thuật lidar là kỹ thuật đáng tin cậy hơn cả. Tuy nhiên hệ lidar
bao giờ cũng có những yếu điểm về giá cả cao và tính ổn định của hệ khó duy trì
trong suốt quá trình quan trắc. Để khắc phục hạn chế về sự ổn định, thực tế
người ta có thể xây dựng một trạm đo cách biệt với đô thị nhằm đạt độ ổn định
sẽ cho phép thực hiện các phép đo trong thời gian dài với độ chính xác cao.
Các phép đo để xác định các đặc tính vi mô của mây Ti (mật độ tinh thể,
trữ lượng nước và phân bố kích thước tinh thể…) là không thể thực hiện được
trừ khi chúng ta có thể trực tiếp lấy mẫu các đám mây về phòng thí nghiệm
nghiên cứu. Hiện nay để xác định các đặc trưng vi mô của mây Ti, như chúng ta
35
biết, trung tâm quốc gia Mỹ về nghiên cứu khí quyển - NCAR sử dụng mô hình
CCM3. Thực tế đây là mô hình phức tạp và cơ sở dữ liệu tập hợp từ nhiều đài
quan sát với hệ thống thiết bị phức hợp khác nhau. Trong chương 4 chúng tôi
khai thác số liệu từ hệ đo lidar phân cực nhằm đưa ra một vài đặc trưng vi mô
quan trọng như tính suy hao, đặc trưng tán xạ ngược, tính khử phân cực của các
tinh thể băng trong mây Ti bằng nguồn dữ liệu khai thác từ hệ lidar nhiều bước
sóng.
1.2. Các kỹ thuật quan trắc khí quyển
Về nguyên tắc của kỹ thuật khảo sát các đặc trưng với những đối tượng
trong khí quyển có thể chia thành hai phương pháp cơ bản là:
Phương pháp ghi nhận trực tiếp.
Phương pháp ghi nhận từ xa [3, 4, 12, 15, 18, 63, 70].
Phương pháp ghi nhận trực tiếp là phương pháp ghi nhận thông qua các
thiết bị đo đạc các đặc tính của mẫu bằng cách tiếp xúc trực tiếp với mẫu đo.
Như tại các đài trạm mặt đất là các kĩ thuật đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, đo độ ẩm
bằng ẩm kế, đo mật độ khí bằng thiết bị lấy mẫu hay như đo mật độ son khí…
Tại đó thực hiện phép lấy mẫu trực tiếp hoặc phép đo theo độ cao bằng phương
pháp thả bóng thám không, máy bay, tàu thủy, các đài trạm di động… ghi nhận
số liệu rồi gửi về trung tâm lưu trữ và xử lý.
Phương pháp đo từ xa có thể kể tới là kĩ thuật đo xa sử dụng sóng vô
tuyến – hệ rada, sử dụng ánh sáng – hệ lidar hay phương pháp chụp ảnh vệ tinh.
Các kỹ thuật đó cho phép chúng ta nhận biết một số các đặc trưng lý hóa của đối
tượng nghiên cứu mà không cần phải tiếp cận trực tiếp đối tượng cần khảo sát.
Đó cũng chính là ưu điểm vượt trội đầu tiên của các hệ đo xa xây dựng trên mặt
đất hay gắn trên các thiết bị di động hoặc các vệ tinh nhân tạo. Bên cạnh đó ưu
điểm nổi trội và đáng kể nhất đó chính là khả năng phân giải về thời gian và
không gian của hệ đo đối với các tham số cần quan trắc. Kỹ thuật rada và lidar
36
được xây dưng ban đầu vì mục đích quân sự bởi sự đầu tư về kỹ thuật cũng như
kinh tế là rất lớn. Kể từ thập niên 70 của thế kỉ 20 cả hai kỹ thuật này đều được
dân sự hóa và trở thành các thiết bị phục vụ mục đích quan trắc khí quyển phục
vụ môi trường và dân dụng.
Trong hệ thống quan trắc sự biến đổi của khí quyển nhằm mục đích dự
báo thời tiết, hàng ngày có khoảng 100.000 lượt quan trắc trong bầu khí quyển
gần bề mặt trái đất và khoảng 11.000 lượt quan trắc các lớp khí quyển trên cao.
Các quan trắc đó được tiến hành và nghi nhận từ trên 8.000 trạm khảo sát mặt
đất, 3.000 máy bay vận tải dân dụng và chuyên ngành, cùng 4.000 tàu thủy chở
hàng [70]. Bên cạnh đó thông tin được thu thập từ các vệ tinh nhân tạo, từ tên
lửa khí tượng và các đài trạm tự động khác. Tất cả các dữ liệu thu nhận được tập
hợp vào cùng thời điểm. Các trạm quan trắc được phân biệt bởi 5 con số quy
ước trong đó 2 con số đầu là biểu số vùng trên bản đồ mà trạm phân bố còn 3 số
sau – thể hiện biểu số trạm (ghi nhận vị trí trên bản đồ).
Kỹ thuật đo đạc từ xa sử dụng laser, về nguyên lý giống với kỹ thuật
radar, tuy nhiên có những ưu điểm vượt trội và là một kỹ thuật tiên tiến được áp
dụng rộng trên khắp thế giới với cả mục đích quân sự nhưng phổ dụng hơn cả là
mục đích dân sự. Trong việc khảo sát các đặc trưng của son khí trong tầng khí
quyển. Bằng phương pháp đo đạc từ xa cho phép thu nhận các thông tin với độ
phân giải về không gian và thời gian rất cao, khoảng không gian khảo sát có thể
lên tới trên 100 km [12, 53].
Với mỗi đối tượng nghiên cứu tồn tại trong khí quyển đều có những lý
thuyết nghiên cứu riêng theo hiệu ứng vật lý đặc trưng của chúng và đi cùng cơ
sở lý thuyết đó là các hệ lidar chuyên dụng. Hiện nay kỹ thuật và các hệ lidar đã
được phát triển và thương mại hóa trên toàn thế giới với những hệ lidar nhiều
bước sóng đa kênh và hoạt động có thể đồng thời ở cả chế độ tương tự hay đếm
photon. Tuy nhiên với những hệ lidar đo xa tới khoảng cách 70 - 80 km với độ
chính xác cao vẫn luôn là những dự án lớn chỉ có thể giải quyết bởi các nước
37
giàu. Vì vậy, xây dựng mới một hệ lidar và lần đầu đưa vào khai thác phục vụ
quan trắc khí quyển tại Việt Nam là một công việc phức tạp và gặp nhiều khó
khăn trong cả kĩ thuật xây dựng thiết bị cũng như kĩ năng sử dụng thiết bị quan
trắc các đối tượng trong tầng khí quyển. Trong phần tiếp theo chúng tôi trình
bày những tìm hiểu về kỹ thuật lidar và hoàn thiện cơ sở lý thuyết để bắt tay vào
nghiên cứu, thiết kế và xây dựng một hệ lidar hoàn toàn mới tại Việt Nam.
1.3. Kỹ thuật lidar
1.3.1. Nguyên lý cấu tạo hệ lidar
Nguyên lý hoạt động của hệ lidar được minh họa trong Hình 1.10. Hệ
lidar bao gồm một khối phát và một khối thu, đó là phương pháp đo quang chủ
động của các hệ đo đạc từ xa bằng laser. Khối phát là một hoặc một vài nguồn
laser phát xung ngắn với độ rộng xung khoảng từ vài đến hàng trăm nano giây.
Nhiều hệ lidar sử dụng bộ mở rộng chùm tia trong khối phát nhằm giảm sự phân
kỳ của chùm tia trước khi bắn vào khí quyển. Khi năng lượng laser truyền trong
khí quyển, các phân tử khí và các hạt son khí gây ra hiện tượng tán xạ (tán xạ
Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của lidar [3].
38
Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman) và hấp thụ. Một phần nhỏ của năng lượng
này tán xạ ngược trở lại được thu nhận bởi khối thu của hệ đo [17, 43, 109].
Khối thu là một khối quang điện tử gồm kính thiên văn thu nhận các
photon tán xạ ngược từ các đối tượng vật chất dạng hạt tồn tại trong khí quyển.
Kính thiên văn này được gắn với một hệ thống xử lý và ghi nhận tín hiệu quang
điện. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể như với hệ lidar Raman với mục đích
nghiên cứu đặc trưng mỗi loại khí sẽ cần bộ phận tách các bước sóng ứng với
dịch chuyển Raman tương ứng. Hay với hệ lidar khảo sát đặc trưng phân cực
của son khí sẽ cần quan tâm của các tín hiệu thu về theo hai phương phân cực
khác nhau. Trên các đầu thu quang điện các tín hiệu quang được chuyển thành
các tín hiệu điện, theo nguyên tắc là cường độ tín hiệu điện tỉ lệ với cường độ
quang thu nhận và biến thiên theo thời gian thực. Vì ánh sáng truyền trong
không khí với vận tốc (c = 3.108 m/s) nên từ việc xác định được khoảng thời
gian lan truyền của xung sáng: tính từ khi phát xung tới khi thu được xung tín
hiệu quay trở lại của laser, chúng ta xác định khoảng cách từ hệ đo tới đối tượng
tán xạ ngược theo công thức: R = c.t/2, chia 2 vì tổng quãng đường lan truyền
bằng 2 lần khoảng cách. Cường độ của các tín hiệu này phụ thuộc vào tính chất
tán xạ và hấp thụ của đối tượng tán xạ trong khí quyển, khối son khí hay lớp
phân tử khí. Các đặc trưng tán xạ của mỗi loại tâm tán xạ phụ thuộc vào bước
sóng của chùm laser phát, phân bố kích thước son khí hay phân tử khí, phân bố
mật độ, hình dạng và chiết suất của các hạt son khí…
Mô hình hệ lidar được xây dựng tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam được thể hiện trong Hình 1.11. Hệ lidar được xây dựng
tại viện Vật lý là hệ lidar nhiều bước sóng đầu tiên tại Việt Nam. Mục đích xây
dựng hệ lidar Raman nhiều bước sóng để ghi nhận tín hiệu đàn hồi theo hai
phương phân cực khác nhau đối với bức xạ kích thích tại bước sóng 532 nm,
1064 nm và nghi nhận tín hiệu tán xạ phi đàn hồi của Ni tơ tại bước sóng 607
39
nm ứng với dịch huyển Raman dao động quay khi kích thích bằng bước sóng
532 nm.
Khối phát có thể là chùm tia laser 1064 nm hoăc chùm tia laser 532 nm
hoặc đồng thời cả hai. Khối thu có thể là đo đồng thời 2 kênh phân cực tán xạ
đàn hồi tại bước song 532 nm và kênh tín hiệu tán xạ đàn hồi tại bước sóng 1064
hoặc tín hiệu tán xạ Raman của Ni tơ tại bước song 607 nm và tín hiệu đàn hồi
khi ánh sáng kích thích 532 nm.
Bức xạ laser sử dụng trong các hệ lidar đo đạc có bước sóng nằm trong
khoảng từ hồng ngoại gần tới tử ngoại gần, khoảng từ 250 nm đến 11μm, tùy
thuộc vào mục đích nghiên cứu mà bước sóng được lựa chọn là khác nhau.
Trong những năm đầu tiên, nguồn laser chủ yếu được sử dụng là laser ruby,
nitrogen, hơi đồng và CO2. Từ những năm 1980, laser excimer công suất cao và
Nd: YAG được sử dụng rộng rãi. Laser excimer phát trong vùng tử ngoại, trong
khi laser Nd: YAG phát trong vùng hồng ngoại ở bước sóng 1064 nm. Các tinh
Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý gồm hai phần cơ bản:
khối phát và khối thu.
40
thể phi tuyến nhân đôi hoặc nhân ba tần số được sử dụng rộng rãi để chuyển
bước sóng của laser Nd: YAG sang 532 nm và 355 nm. Cả hai loại laser này
không chỉ đóng vai trò là nguồn phát cho hệ lidar trực tiếp mà còn là dùng để
bơm các nguồn bức xạ thứ cấp như OPO (optical parametric osTillator) và laser
màu… [11, 109]. Bức xạ laser cũng có thể dịch chuyển sang bước sóng dài hơn
bằng kích thích tán xạ Raman trong các khối khí như hidro hay deuterium. Kỹ
thuật này được sử dụng nhiều trong lidar nghiên cứu khối son khí có sự chênh
lệch về độ hấp thụ và trong lidar Raman [111, 115, 124]. Laser màu bơm bằng
laser excimer và laser Nd: YAG được sử dụng trong một thời gian dài đối với
các hệ lidar nghiên cứu son khí có độ hấp thụ thay đổi và trong lidar cộng hưởng
huỳnh quang [109, tr.104-115]. Ngày nay, người ta chủ yếu sử dụng các loại
laser rắn điều chỉnh bước sóng dựa trên vật liệu titanium: sapphire hay các tinh
thể alexandrite và các máy phát thông số quang học [80, 109].
Mặc dù các chùm laser có độ chuẩn trực cao, nhưng trong thực tế đo
lidar sự phân kỳ của các chùm tia laser vẫn cần được giảm thiểu bằng cách mở
rộng chùm với tiêu chuẩn giảm góc phân kì xuống dưới 100 μrad. Khi đó,
trường nhìn của khối thu có thể được chọn vào khoảng vài trăm μrad. Điều
kiện về góc mở của ống kính quang và sự phân kì chùm tia nói trên sẽ làm
giảm đáng kể nhiễu do phông nền. Mục đích thứ hai chúng ta đạt được là khối
thu hạn chế số photon thu được sau khi tán xạ nhiều lần trong khí quyển. Một
điều quan trọng nữa khi trường nhìn nhỏ cần bắt buộc trong kỹ thuật lidar bởi
bản chất việc ghi nhận tín hiệu của hệ lidar đạt độ phân giải cao do đó các linh
kiện quang học chọn lọc bước sóng chỉ đáp ứng với các tín hiệu có góc mở
nhỏ. Bên cạnh các đặc trưng về góc mở quang của phương pháp lidar thì đặc
trưng về đường kính của khối thu thường nằm trong khoảng từ 0,1 m đến vài
mét và phần lớn các hệ lidar sử dụng kính thiên văn loại phản xạ luôn được
quan tâm nhiều hơn. Khối thu quang loại thấu kính ít được sử dụng thường chỉ
gặp trong các hệ thu lidar có khẩu độ nhỏ. Trường nhìn của kính thiên văn
41
được quy định bởi một phin lọc không gian đặt tại mặt phẳng tiêu của kính
thiên văn. Đối với các hệ lidar nghiên cứu khí quyển tầm cao người ta có thể
sử dụng một chopper ở vị trí mặt phẳng tiêu đóng vai trò giới hạn miền quan
trắc của hệ đo. Chopper này cho phép chọn lọc các vùng tín hiệu cần quan sát,
do đó ngăn các tín hiệu tán xạ ngược từ những tầng khí quyển thấp hơn để
tránh bão hòa hoặc hiện tượng tín hiệu quá mạnh sẽ sinh ra nhiễu ở miền xa
(signal induce noise), những vấn đề về nhiễu là cực kì phức tạp và rất khó giải
quyết đối với những hệ lidar đo xa [55, 61, 109].
Cách bố trí hình học giữa khối phát và khối thu quyết định tới tín hiệu ghi
nhận ở các khoảng cách gần của hệ lidar. Ở những khoảng cách ngắn, chùm tia
laser không tán xạ và telescope không thể thu nhận toàn bộ tín hiệu trở lại mà
chỉ một phần của tín hiệu lidar tán xạ trở về được ghi nhận. Cường độ tín hiệu
thay đổi theo khoảng cách và phụ thuộc vào các đặc trưng như kích thước, hình
dạng, độ phân kỳ và tính chất ảnh của kính thiên văn, trường nhìn khối thu và vị
trí tương đối giữa trục quang của khối phát và khối thu. Trong hệ quang đồng
trục, chùm tia laser phát đồng trục với trục kính thiên văn. Trong hệ hai trục, các
trục quang của hệ được tách nhau một khoảng tối thiểu bằng bán kính của vật
kính của kính thiên văn, và chùm tia laser đi vào trường nhìn của kính thiên văn
từ phía mặt bên. Hàm đặc trưng cho hệ về sự chồng chập trường giữa chùm laser
phát và góc mở của telescope được gọi là hàm chồng chập (overlap function).
Giá trị của hàm này bằng 0 tại vị trí tia laser chưa đi vào trường của telescope và
bằng 1 khi toàn bộ chùm laser nằm trong trường của khối thu. Đối với những
kính thiên văn cỡ lớn, hàm chồng chập có thể ảnh hưởng đến tín hiệu thu về ở
khoảng cách lên đến vài km. Do vậy, việc xác định hàm chồng chập đặc trưng
cho mỗi hệ lidar là cần thiết và là một bước quan trọng trong quá trình khai thác
và sử dụng tín hiệu đo của một hệ lidar nào đó [8, 47].
Việc chọn lọc bước sóng được thực hiện bằng một phin lọc giao thoa
băng hẹp đặt trước mỗi đầu thu. Phin lọc cho qua những ánh sáng trong dải sóng
42
cần quan tâm và ngăn cản ánh sáng phông cũng như những tín hiệu không mong
muốn. Tùy theo ứng dụng, những bộ lọc phức tạp hơn sẽ được sử dụng như kính
phân cực, máy quang phổ cách tử, giao thoa kế…
Ghi nhận tín hiệu quang yếu có thể sử dụng các photodiode, các ống nhân
quang điện (PMT) hay các photodiode thác lũ (APD). Với các PMT hay các
photodiode thác lũ hoạt động trong chế độ Geiger có thể ghi nhận từng photon
đơn lẻ, độ nhạy của đầu thu là rất cao. Kỹ thuật đếm photon độ nhạy cao và
được sử dụng khi tín hiệu tán xạ ngược về yếu, ví dụ trong trường hợp cường độ
tán xạ yếu (hiệu ứng tán xạ Raman) hay như trong trường hợp vùng cần nghiên
cứu ở khoảng cách quá xa. Số photon đếm được trong một đơn vị thời gian sau
khi xung laser phát đi được ghi nhận lại. Đối với xung laser có độ rộng là ∆t khi
đó độ phân giải không gian tương ứng là ∆R = c.∆t/2 với c là vận tốc ánh sáng,
và hệ số ½ là do ánh sáng đi một vòng gồm cả chiều đi và chiều trở lại. Ví dụ
đối với các tín hiệu được ghi nhận từ xung laser có độ rộng là 100 ns khi đó độ
phân giải không gian tương ứng sẽ là 15 m. Tùy thuộc đối tượng khảo sát và yêu
cầu của thông số quan trắc mà độ phân giải không gian cần đạt tới độ chính xác
khác nhau [9].
1.3.2. Tƣơng tác của bức xạ với khí quyển
Trong khí quyển trái đất tồn tại nhiều thành phần vật chất có cấu tạo dạng
hạt với hình dạng, kích thước khác nhau. Tán xạ đàn hồi xảy ra trên các hạt
được miêu tả tổng quát theo lý thuyết tán xạ Mie – Rayleigh, thông thường
người ta chỉ gọi chung là tán xạ Mie. Với trường hợp tán xạ trên phân tử khí –
tán xạ Rayleigh là trường hợp đặc biệt khi kích thước của tâm tán xạ rất nhỏ so
với bước sóng kích thích. Trong trường hợp đó tán xạ Mie trở về theo quy luật
của lý thuyết tán xạ Rayleigh và được gọi là tán xạ Rayleigh hay tán xạ phân tử.
Trong Hình 1.13 thể hiện phân bố cường độ tán xạ theo góc tương ứng với
những kích thước hạt và bước sóng kích thích tương ứng [86].
43
Trong các phần tiếp sau chúng tôi trình bày chi tiết về lý thuyết tán xạ và
phương trình toán học ứng với từng loại kích thước hạt khác nhau. Với các hạt
có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh sáng kích thích, như các phân tử hay
nguyên tử chất khí trong khí quyển, nhỏ hơn cỡ 1000 lần ánh sáng 532 nm kích
thích, thì lý thuyết sử dụng sẽ là lý thuyết đàn hồi Rayleigh. Với các hạt son khí
thường tồn tại trong dải kích thước từ 10−8 ÷ 10−2𝑚 thì lý thuyết tán xạ đàn
hồi tuân theo là lý thuyết tán xạ Mie [89]. Trong Hình 1.12 thể hiện sự tương
ứng giữa kích thước hạt tán xạ và lý thuyết tán xạ.
1.3.2.1. Lý thuyết tán xạ Rayleigh
Hình 1.13 thể hiện cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng đối với hai
phương phân cực song song và vuông góc. Đối với phương phân cực song song
có tính bất đẳng hướng theo góc quét 360o nhưng có tính đối xứng theo trục
trùng với phương của tia truyền và đối xứng theo trục vuông với phương truyền
sóng tại tâm tán xạ. Với phương phân cực vuông góc thì cường độ tán xạ tại
phân tử có tính đẳng hướng theo mọi phương [112, 119, 124, 127].
Các tâm tán xạ có kích thước cỡ phân tử hoặc nguyên tử sẽ tán xạ mạnh ở
vùng ánh sáng nhìn thấy (màu xanh của bầu trời có được là do hiệu ứng tán xạ
này). Các phân tử khí trong khí quyển là nguyên nhân chính gây ra tán xạ
Rayleigh. Tán xạ Rayleigh có thể được định nghĩa là tán xạ đàn hồi bởi những
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].
𝑎
𝜆 ~1
𝑎
𝜆≪ 1
𝑎
𝜆 ≫ 1
44
hạt có kích thước nhỏ so với bước sóng của bức xạ tới. Trong thuật ngữ của
lidar, tán xạ Rayleigh được hiểu là tán xạ phân tử. Do Ni tơ và oxy chiếm đến
99% các phân tử khí trong khí quyển, chúng ta coi hai khí này chính là nguyên
nhân tán xạ Rayleigh trong khí quyển.
Theo Wiscombe [121], điều kiện để coi một tán xạ là tán xạ Rayleigh khi:
𝑥 𝑚 ≤ 1 (1.1)
Với m = n – i.k là chiết suất phức của hạt tán xạ, 𝑥 = 2. 𝜋. 𝑟/𝜆 là tham số
kích thước của hạt tán xạ, là bước sóng ánh sáng kích thích trong chân không.
Theo lý thuyết của Wiscombe đối xử với các phân tử là môi trường điện môi khi
ấy mà bài toán trở nên phức tạp hơn. Để đơn giản ở đây chúng tôi chỉ xin đưa ra
những kết quả cuối cùng về cường độ tán xạ, các đặc trưng đối với phân tử khí
như tiết diện tán xạ, hệ số suy hao... Lý thuyết này được đưa ra bởi nhóm tác giả
Colis và Russell trong tài liệu [32]. Trong kết quả của nhóm tác giả Colis và
Russell đưa ra tiết diện tán xạ ngược 𝜎𝜋𝑅 trên phân tử đối với lớp khí hỗn hợp
trong bầu khí quyển dưới độ cao 100 km biểu diễn qua biểu thức sau:
Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha đối với tán xạ Rayleigh
[104].
45
𝜎𝜋𝑅 = 5,45.
550
𝜆(𝑛𝑚 )
4. 10−28 (𝑐𝑚2. 𝑠𝑟−1) (1.2)
Trong đó tiết diện hiệu dụng đối với bước sóng kích thích 532 nm sẽ
bằng: 6,225879. 10-32
𝑚2. 𝑠𝑟−1 lớn hơn nhiều so với kết quả khi sử dụng bước
sóng 694,3 nm chỉ là: 2,15. 10-32
𝑚2. 𝑠𝑟−1. Hệ số tán xạ ngược không gian 𝛽𝜋𝑅
được đưa ra theo biểu thức sau đây, khi lấy mật độ khí tại mực nước biển N với
trị số ≃ 2,55.1019
phân tử xét trong một cm3 [109]:
𝛽𝜋𝑅 = 𝑁. 𝜎𝜋
𝑅 = 1,39. 550
𝜆(𝑛𝑚 )
4. 10−8𝑐𝑚−1. 𝑠𝑟−1 (1.3)
Kết quả hệ số tán xạ ngược không gian theo biểu thức 1.3 đối với bước
sóng 𝜆 𝑛𝑚 = 532 𝑛𝑚 bằng: 15,8.10-9
𝑐𝑚−1. 𝑠𝑟−1 và đối với bước sóng 694,3
nm là 5,47. 10-9
𝑐𝑚−1. 𝑠𝑟−1. Ở đây chúng ta dễ nhận ra sự phụ thuộc của tiết
diện tán xạ không gian hay còn gọi là hệ số tán xạ ngược 𝛽𝜋𝑅 của phân tử khí là
một hàm tỉ lệ thuận với λ-4
, vì đó khi thay đổi bước sóng kích thích thì cường độ
tín hiệu tán xạ ngược sẽ khác biệt rất lớn. Đó chính là lý do các hệ lidar bước
sóng ngắn thường được sử dụng để khảo sát lớp khí trong khí quyển trên tín hiệu
tán xạ ngược Rayleigh. Chúng ta có thể so sánh với một số kết quả của nhóm tác
giả Rudder, Bach và nhóm tác giả Shardanand, Prasad Rao đối với một số loại khí
tồn tại trong khí quyển được liệt kê trong bảng 1.4 dưới đây [Tr.47. 109].
Từ bảng thông số tiết diện tán xạ của các khí trong Bảng 1.4 chúng ta có
nhận xét: đối với một số loại khí được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh có tiết
diện tán xạ lớn gấp vài lần tới vài chục lần so với các khí phổ biến như Oxy và
Ni tơ. Điều đó thể hiện mức độ ảnh hưởng của các loại khí nhân tạo sử dụng
trong thiết bị làm lạnh đối với quá trình bức xạ của lớp khí quyển là rất lớn dù
chỉ tồn tại một lượng nhỏ trong khí quyển. Đây là nguyên nhân và lý do cho
những cảnh báo tác hại đối với môi trường của các khí làm lạnh.
46
Bảng 1.4: Tiết diện tán xạ của một số loại khí trong khí quyển [108, 109].
Loại khí Công thức Hóa học Tiết diện tán xạ Rayleigh
(10-28
cm2 sr
-1)
Nguồn tham khảo
Hydrogen H2 0,44 [108, 109]
Deuterium D2 0,43 [108]
Helium He 0,03 [108, 109]
Oxygen O2 1,80 [109]
Nitrogen N2 2,14 [108, 109]
Carbon dioxide CO2 6,36 [109]
Methane CH4 4,60 [108, 109]
Nitrous oxide N2O 6,40 [108]
Neon Ne 0,09 [109]
Argon Ar 2,00 [108, 109]
Xenon Xe 11,60 [108]
Các chất làm lạnh có ảnh hưởng tới tầng bình lưu
Freon-12 CCl2F2 36,08 [109]
Freon-13B1 CBrF3 24,87 [109]
Freon-14 CB4 4,91 [109]
Freon-22 CHCLF2 21,90 [109]
Bên cạnh tham số hệ số tán xạ ngược thì tham số đặc trưng tỉ số khử phân
cực 𝛿𝑝 của phân tử khí cũng được quan tâm. Trong tài liệu của nhóm tác giả
Heller và Nakagaki [120] đã trình bày chi tiết về tham số phân cực của đặc trưng
cho phân tử khí. Tỉ số khử phân cực (Depolarization) được xác định theo biểu
thức sau:
𝛿𝑝 = 𝐼𝑠⊥
𝐼𝑠⫽ (1.4)
Trong đó 𝐼𝑠⊥ được hiểu là cường độ của tín hiệu theo kênh phân cực
vuông góc và 𝐼𝑠⫽
là cường độ tín hiệu tán xạ ngược ứng với kênh phân cực song
song so với phương phân cực thẳng ban đầu của chùm tia laser phát đi. Đối với
47
khí loại đơn nguyên tử thì tỉ số khử phân cực bằng không, bởi tính đẳng hướng
của hạt dạng cầu. Với các phân tử khí đa nguyên tử tính đẳng hướng không còn
nữa. Khi đó tỉ số khử phân cực là khác không mặc dù chỉ nhận giá trị nhỏ cỡ
một phần trăm. Giá trị tỉ số khử phân cực 𝛿𝑝 được tổng kết trong Bảng 1.5 sau
đây.
Bảng 1. 5: Tỉ số khử phân cực của một số loại khí có mặt trong khí quyển [32].
Khí Công thức hóa học 𝜹𝒑
Argon Ar 0
Methane CH4 0
Nitrogen N2 0,036
Oxygen O2 0,065
Chlorine Cl2 0,041
Air - 0,042
Nitric oxide NO 0,027
Ethane C2H6 0,005
Carbon monoxide CO 0,013
Hydrogen chloride HCl 0,007
Hydrogen bromide HBr 0,008
Carbon dioxide CO2 0,097
Carbon disulfide CS2 0,115
Water H2O 0,020
Hydrogen sulfide H2S 0,003
Sulfur dioxide SO2 0,031
Ammonia NH3 0,01
Tỉ số khử phân cực của phân tử khí đóng góp vào tiết diện tán xạ ngược
𝜎𝜋 𝜆𝑅 của phân tử khí theo hiệu ứng tán xạ Rayleigh tuân theo biểu thức 1.5.
Trong đó n là chiết suất của tâm tán xạ Rayleigh có dạng cầu, 𝜆 là bước sóng
kích thích, N là mật độ phân tử khí quyển tại điểm tán xạ.
48
𝜎𝜋 𝜆𝑅 = 8𝜋
3 .
𝜋2(𝑛2−1)2
𝑁2𝜆2
6+3𝛿𝑝
6−7𝛿𝑝 (1.5)
Với hệ số khử phân cực của các phân tử khí 𝛿𝑝 xấp xỉ 1% thì đóng góp do
yếu tố phân cực tới tiết diện tán xạ Rayleigh trong phương trình 1.5 là rất nhỏ.
So sánh với mức sai số gặp phải của phép đo lidar đóng góp vào sai số của hệ số
tán xạ ngược 𝛽𝜋𝑅 thì đóng góp của tỉ số khử phân cực của phân tử khí là rất nhỏ
và có thể bỏ qua [125].
1.3.2.2. Lý thuyết tán xạ Mie
Tán xạ Mie được phát triển bởi Gustav Mie, người đã đưa ra nghiệm giải
tích cho tán xạ của một bức xạ với bước sóng kích bất kỳ gây ra bởi một hạt cầu
có bán kính bất kỳ a và chiết suất phức n nào đó. Vì vậy, tán xạ Mie không bị
giới hạn bởi kích thước hạt tán xạ, nó bao gồm cả tán xạ Rayleigh. Nói cách
khác, tán xạ Rayleigh là một trường hợp đặc biệt của tán xạ Mie và các công
thức Mie được xấp xỉ gần đúng với điều kiện cụ thể của tán xạ Rayleigh. Tuy
nhiên, thuật ngữ tán xạ Mie thường được dùng để chỉ tán xạ bởi những hạt có
kích thước tương đương hoặc lớn hơn với kích thước của bước sóng bức xạ kích
thích. Trong bảng 1.6 chúng tôi thống kê một số loại son khí phố biến có nguồn
gốc khác nhau đóng góp vào khí quyển trái đất có liên quan tới các quá trình
hoạt động của tự nhiên và con người có ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường sống
sinh vật cũng như các vấn đề về thời tiết liên quan [58, 121, 128].
Bảng 1. 6: Một số loại son khí phổ biến và nguồn gốc hình thành [4].
Các loại son khí Nguồn gốc và đặc điểm
Son khí nông nghiệp Khí thải, khói đốt vật liệu nông nghiệp
Son khí đô thị Nhà máy, chung cư, giao thông
Son khí đại dương Nguồn son khí từ bề mặt các đại dương có sự đóng góp của muối
và các loại khoáng, cũng có thể là son khí lục địa thổi ra.
Son khí lục địa Son khí có nguồn gốc con người, thực động vật, chúng tồn tại gần
bề mặt của trái đất gần các khu rừng.
49
Son khí sa mạc Xuất phát từ bề mặt sa mạc có mật độ lớn và phụ thuộc vào tốc độ
gió ở sa mạc.
Son khí bắc cực và
nam cực
Tồn tại ở mỗi bán cầu và có nguồn gốc lâu đời có tính lắng đọng
Trong Hình 1.14 thể hiện kích thước tương ứng của những loại son khí
phổ biến. Trong đó chúng ta để ý tới những loại son khí phổ biến nhất đó là các
loại son khí tồn tại trong lớp bề mặt gồm các hạt mù và khói có kích thước trong
khoảng 0,05 – 3 μm. Các hạt nước ngưng trong các đám mây tầng thấp có kích
thước trong khoảng 1 – 100 μm. Và các tinh thể băng tồn tại trong lớp mây tầng
cao có kích thước dao động trong khoảng 500 - 1200 μm…và nhiều loại hạt son
khí khác. Trong phần sau cùng về tán xạ Mie tôi trình bày các kết quả tính toán
lý thuyết về sự biến đổi cường độ tán xạ theo hàm pha đối với 3 loại son khí phổ
biến với kích thước là: 0,1 μm, 10 μm và 1000 μm [104].
Lý thuyết tán xạ Mie được xây dựng với mục đích tìm hệ số tán xạ và suy
hao của cường độ ánh sáng kích thích xảy ra trên các hạt có kích thước cỡ bước
sóng. Theo lý thuyết cơ bản chúng ta coi chùm sáng phân cực như một sóng
phẳng đơn sắc bước sóng , truyền tới hạt với bán kính a. Khi đó tham số kích
thước 𝑥 đặc trưng hiện tượng tán xạ là [109]:
Hình 1.14: Kích thước một số loại son khí phổ biến [109].
50
𝑥 ≡ 𝑘. 𝑎 = 2.𝜋 .𝑎
𝜆 (1.6)
Khi hiện tượng tán xạ xảy ra trên hạt điện môi đẳng hướng với kích thước
nhỏ hơn nhiều so với bước sóng (𝑥 < 0,5) thì tán xạ Mie gần giống với tán xạ
Rayleigh xảy ra trên các phân tử khí có kích thước rất nhỏ so với bước sóng ánh
sáng kích thích. Khi đó tiết diện tán xạ vi phân có thể được biểu diễn theo
phương trình sau, trong đó có tính tới tham số phân cực đặc trưng của đối tượng
tán xạ là p theo phương trình sau [32].
𝑑𝜎 (𝜃 ,Φ)
dΩ=
𝜋2
𝜆4 𝑝(𝜔) 2 𝑐𝑜𝑠2Φ𝑐𝑜𝑠2θ + 𝑠𝑖𝑛2Φ (1.7)
Trong đó Φ và θ là góc xác định phương phân cực của tia laser so với
phương thẳng đứng và phương ngang của không gian, 𝑝(𝜔) là tham số phân cực
của hạt tán xạ dạng cầu phụ thuộc vào bán kính hạt a, chiết suất tỉ đối n theo
biểu thức sau:
𝑝 = 4. 𝜋. 𝑎3 𝑛2−1
𝑛2+2 (1.8)
Phương trình tổng quá xác định tiết diện tán xạ đàn hồi vi phân như sau:
𝑑𝜎 (𝜃 ,Φ)
dΩ= 𝑎2.
2𝜋𝑎
𝜆
4.
𝑛2−1
𝑛2+2
2
𝑐𝑜𝑠2Φ𝑐𝑜𝑠2θ + 𝑠𝑖𝑛2Φ (1.9)
Đối với các hạt dạng cầu tuyệt đối và đẳng hướng về mặt quang thì tiết
diện tán xạ ngược của hạt cầu được xác định theo biểu thức sau đây:
𝜎𝜋 ≡ 𝑑𝜎 (𝜃= 𝜋)
𝑑Ω= 𝑎2.
2𝜋𝑎
𝜆
4.
𝑛2−1
𝑛2+2
2
(1.10)
Từ biểu thức 1.10 chúng ta nhận thấy tiết diện tán xạ ngược tỉ lệ với 𝜆−4
giống như quy luật phụ thuộc của tiết diện tán xạ Rayleigh xảy ra trên phân tử.
Tức là khi kích thước hạt là rất nhỏ cỡ phân tử thì hệ số tán xạ ngược là tương
đương, hay nói cách khác khi đó cường độ tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh là
hoàn toàn có ý nghĩa như nhau khi đánh giá về mật độ son khí cũng như mật độ
phân tử khí, trong trường hợp đó tán xạ Mie trở về tán xạ Rayleigh. Tuy nhiên
51
khi tham số kích thước hạt tỉ đối x lớn, tức là các hạt son khí có kích thước lớn
hơn nhiều bước sóng ánh sáng kích thích thì cường độ tín hiệu tán xạ Mie là
tăng rất nhiều.
Đối với những hạt có kích thước tán xạ 𝑥 lớn hơn nhiều giá trị 0,5 thì
cường độ tán xạ sẽ mất đi tính đối xứng và tiết diện tán xạ của hạt trở thành hàm
phụ thuộc đồng thời ba yếu tố: yếu tố kích thước tỉ đối của hạt và bước sóng
kích thích, chiết suất n và góc tán xạ 𝜃. Công thức được Mie đưa ra vào năm
1908 cho trường hợp tán xạ trên là đối với các hạt hình cầu coi là môi trường
điện môi có kích thước tương đương với bước sóng kích thích:
𝑑𝜎 (𝜃 ,Φ)
dΩ=
𝜆2
4.𝜋2 𝑖2(𝜃, 𝑥, 𝑛)𝑐𝑜𝑠2Φ + 𝑖1(𝜃, 𝑥, 𝑛)𝑠𝑖𝑛2Φ (1.11)
Trong đó chúng ta thấy gồm có hai thành phần đóng góp tương ứng với
cường độ tán xạ của yếu tố phân cực song song và yếu tố phân cực vuông góc.
Ở đây yếu tố phân cực song song tương ứng với 𝑖2(𝜃, 𝑥, 𝑛) và yếu tố phân cực
vuông góc ứng với 𝑖1(𝜃, 𝑥, 𝑛). Ở đây chúng ta có thể viết lại theo từng thành
phần và theo kí hiệu đơn giản hơn, 𝑖1,2(𝜃, 𝑥, 𝑛) = 𝑖1,2(𝜃) [32], như sau:
𝐼𝑠∥ =
𝐼𝑖
𝑘2𝑟2. 𝑖2(𝜃)𝑐𝑜𝑠2Φ (1.12)
𝐼𝑠⊥ =
𝐼𝑖
𝑘2𝑟2. 𝑖1(𝜃)𝑠𝑖𝑛2Φ (1.13)
Với trường hợp góc tán xạ ngược (𝜃 = 𝜋) hệ số tán xạ ngược trên hạt có
kích thước lớn theo lý thuyết tán xạ Mie sẽ có biểu như sau:
𝑄𝜋 𝛼, 𝑛 = 1
𝜋𝑎2
𝑑𝜎𝑀 (𝜃=𝜋)
𝑑Ω (1.14)
Và hệ số tán xạ Mie toàn phần được biểu diễn qua biểu thức sau [109]:
𝑄𝑠 𝛼, 𝑛 =𝜎𝑠
𝑀
𝜋 .𝑎2=
1
𝜋(𝑘𝑎 )2 𝑖2(𝜃)𝑐𝑜𝑠2Φ + 𝑖1(𝜃)𝑠𝑖𝑛2Φ 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑑𝜃𝑑Φ𝜋
0
𝜋
0 (1.15)
Từ công thức 1.15 áp dụng cho trường hợp tâm tán xạ có chiết suất n =
1,33, bước sóng kích thích 700 nm theo nhóm Twoney và Howell, 1965 [120]
52
đã minh họa hệ số tán xạ toàn phần phụ thuộc kích thước tán xạ của hạt x như
trong Hình 1.15.
Sự phụ thuộc của cường độ tán xạ vào bước sóng, bán kính hạt tán xạ đặc
trưng liên hệ trực tiếp với bước sóng kích thích và chiết suất phức của hạt.
Trường hợp tán xạ xảy ra trên các hạt có kích thước rất lớn so với bước sóng sẽ
gần như không phụ thuộc vào bước sóng, sự thay đổi là rất nhỏ. Trường hợp bán
kính hạt và bước sóng tương đương về độ lớn, sự phụ thuộc của cường độ tán xạ
vào bước sóng là rõ rệt. Vì vậy việc thu được các tán xạ phụ thuộc đáng kể vào
bước sóng giúp cung cấp nhiều thông tin hữu ích về kích thước và các tham số
khác của các hạt son khí trong khí quyển có bán kính trong khoảng từ 50 nm đến
vài µm. Điều này đòi hỏi laser phát có khả năng điều chỉnh ở một số bước sóng
khác nhau để có thể đánh giá về kích thước hạt son khí trong miền bước sóng
quan trắc. Ở đây tôi đưa 3 đồ thị biểu diễn sự thay đổi của cường độ tán xạ theo
góc trên tọa độ cực tương ứng với ba loại hạt có kích thước đặc trưng trong số
các loại son khí phổ biến tồn tại ở khí quyển trái đất tương ứng với hai bước
sóng kích thích của laser YAG: Nd (1064 nm và 532 nm) được sử dụng trong hệ
lidar chúng tôi đã phát triển và đưa vào khảo sát tại Viện Vật Lý. Kết quả thu
được từ phần mềm tính MiePlot V4300 của nhóm tác giả Philiplaven [104].
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].
53
Son khí có kích thƣớc hạt cỡ 0,1 µm
Những son khí có kích thước cỡ 0,1 µm có thể kể đến như: hạt bụi phổ
biến trong khí quyển, khói thải của dầu khí như khói bụi thải do các phương tiện
giao thông, các hạt khói từ đám cháy nông nghiệp, cũng như các hạt sương bốc
hơi từ nước biển… Những hạt có kích thước nhỏ cỡ bước sóng tín hiệu tán xạ ở
bước sóng ngắn chiếm ưu thế, ví dụ trong Hình 1.16 cường độ tín hiệu tán xạ
ngược tỉ đối ở bước sóng 532 nm lớn hơn gấp 100 lần so với khi kích thích bằng
bước sóng 1064 nm xét theo kênh phân cực song song, tính theo giá trị thang log
như hình vẽ. Trong trường hợp này cường độ tán xạ có tính đối xứng không chỉ
theo phương truyền mà còn đối xứng theo trục vuông góc với phương truyền tại
tâm tán xạ. Điều này chúng ta cũng thấy phù hợp với trường hợp tán xạ
Rayleigh trên phân tử khí.
Son khí có kích thƣớc hạt cỡ 10 µm
Kích thước 10 µm là kích thước phổ biến đối với các loại phấn hoa, của
các hạt nước ngưng kết tồn tại trong các đám mây tầng thấp và sương mù những
ngày trời nồm… Đối với những hạt có kích thước lớn thì sự khác biệt về cường
độ tán xạ giữa 2 bước sóng sẽ giảm, trong trường hợp này tỉ số về cường độ theo
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].
54
thang log là khoảng 10 lần, như vậy với phép đo sử dụng sóng ngắn để khảo sát
những loại son khí ở kích thước cỡ 10 µm thì có lợi hơn về mặt năng lượng tán
xạ ngược.
Son khí có kích thƣớc hạt cỡ 1000 µm
Đây là kích thước đặc trưng của những loại son khí như: hạt mù gây ra do
mưa phùn, hoặc kích thước của các tinh thể băng trong các đám mây tầng cao.
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].
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].
55
Với giả thuyết đây là những hạt dạng cầu khi đó cường độ tán xạ theo góc ứng
với kích thích của một nguồn điểm được mô tả như Hình 1.18. Trong trường
hợp hạt tán xạ trên hạt có kích thước lớn thì cường độ tán xạ ngược giữa hai
bước sóng là không khác nhau nhiều. Và là khá nhỏ so với cường độ tán xạ theo
hướng truyền của sóng kích thích.
1.3.2.3. Lý thuyết tán xạ Raman
Tán xạ ánh sáng từ các phân tử khí bao gồm tán xạ đàn hồi (elastic – tán
xạ Rayleigh, tán xạ Mie) và tán xạ phi đàn hồi (inelastic – tán xạ Raman). Tán
xạ đàn hồi như tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie đã đề cập ở trên là tán xạ không
làm thay đổi tần số của ánh sáng tới, trong trường hợp này phân tử bảo toàn mức
năng lượng quay – dao động [101]. Tán xạ Raman là tán xạ phi đàn hồi, quá
trình tán xạ làm thay đổi trạng thái lượng tử của phân tử và tần số của photon tán
xạ s dịch đi một lượng so với tần số kích thích i. Nếu phân tử hấp thụ
năng lượng, tức là các trạng thái mức năng lượng cao bị kích thích, tần số của
photon tán xạ bị giảm một lượng s = i - , bước sóng của ánh sáng tán xạ
dịch chuyển về phía đỏ. Chúng ta gọi quá trình tán xạ đó là quá trình tán xạ
Stoke (Raman Stokes). Nếu phân tử giảm năng lượng bằng cách truyền năng
lượng cho photon tán xạ, tần số của photon tán xạ tăng lên một lượng s = i +
, bước sóng của ánh sáng tán xạ dịch chuyển về phía sóng xanh. Chúng ta
gọi đó là quá trình tán xạ đối Stoke (anti – Stokes Raman) như thể hiện trong mô
hình mức năng lượng ở hình 1.19 với độ dịch tần số [38, 41, 112]:
i s
E
hc
(1.16)
Trong đó E là độ dịch chuyển năng lượng đặc trưng cho loại phân tử tán
xạ, h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Trong hình
1.20 là phổ tán xạ Raman đặc trưng của một số thành phần trong khí quyển như
Oxi, Ni tơ, hơi nước khi được kích thích ở bước sóng 355 nm. Đối với khí Ni tơ
56
vạch trung tâm của dịch chuyển Raman quay stock là 387 nm. Với trường hợp
hệ lidar Raman xây dựng tại Viện Vật lý tín hiệu Raman ghi nhận ứng với dịch
chuyển dao động quay trên phân tử khí Ni tơ tại bước sóng 607 nm khi kích
bằng bước sóng 532 nm là họa ba bậc hai của laser Nd: YAG [39].
Cấu trúc phổ Raman của phân tử thường phức tạp ví như trường hợp phân
tử hai nguyên tử. Để đơn giản trong việc tính toán các mức năng lượng của phân
tử, chúng ta khảo sát trường hợp phân tử gồm hai nguyên tử có hạt nhân đồng
nhất, ví dụ N2, O2… Trong trường hợp này chúng ta có thể coi phân tử như một
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 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức năng lượng của tán xạ Rayleigh và
Raman.
57
dao động tử điều hòa quay tự do, các mức năng lượng dao động được xác định
như sau [31]:
Evib, = h.c.vib (+1/2), với = 0, 1, 2… (1.17)
Với số sóng dao động riêng hay tần số dao động của phân tử là vib và số
lượng tử dao động là , ngoài ra h và c lần lượt là hằng số Plank và vận tốc ánh
sáng trong chân không.
Các mức năng lượng quay có thể xác định bởi công thức gần đúng:
Erot, J, = h.c [B.J.(J+1) - D.J2.(J+1)
2], J = 0, 1, 2… (1.18)
Trong đó, J là số lượng tử quay: nó là một tập hợp các mức lượng tử quay
của mỗi mức dao động. B là hằng số quay riêng và D là độ biến dạng li tâm
hay hằng số dãn của phân tử. Hằng số B và D phụ thuộc vào trạng thái dao
động của phân tử. Số hạng D xem như độ dãn li tâm của phân tử do sự quay.
Đóng góp của nó đối với mức năng lượng quay Erot, J, là nhỏ và chỉ giữ vai trò
quang trọng khi J lớn.
Một mức năng lượng dao động – quay của phân tử được tính toán chi tiết
từ tổng của phương trình (1.17) và phương trình (1.18). Khi ứng dụng các
phương trình này để tính toán độ dịch tần số ở phương trình (1.16) chúng ta phải
xem xét quy tắc lọc lựa, chẳng hạn đối với các dịch chuyển quay và dao động
của phân tử gồm 2 nguyên tử giống nhau thì chỉ tồn tại các dịch chuyển ứng với
các giá trị sau [31]:
= 0, ±1, và J = 0, ±2 (1.19)
Với J = J‟- J” Ở đây, J‟, J” lần lượt là số lượng tử của mức cao hơn và
thấp hơn trong dịch chuyển, nó độc lập với mức đầu và cuối. Ngược lại, là
khác nhau của số lượng tử dao động của trạng thái dao động trước và mức dao
động sau. Dựa vào số lượng tử dao động chúng ta có các loại tán xạ khác nhau.
Trong trường hợp mà = 0 và J = 0 chúng ta có tán xạ Rayleigh. Trường hợp
58
= 0, J ≠ 0 chúng ta có tán xạ Raman quay (pure rotation Raman scattering).
Dịch chuyển ứng với = +1 chúng ta có nhánh Stokes Raman dao động –
quay, trong khi dịch chuyển ứng với = - 1 chúng ta có nhánh đối Stoke
Raman dao động – quay. Trong khi đó, ứng với số lượng tử quay chúng ta có
các nhánh Raman khác nhau, nhánh S (J = +2), nhánh Q ((J = 0), và nhánh O
(J = -2)).
Cường độ của đường Raman tán xạ quan sát được phụ thuộc vào tiết diện
của quá trình tán xạ dao động – quay tương ứng, nó là tích của xác xuất dịch
chuyển và mật độ mức năng lượng ban đầu. Trong ứng dụng lidar, chúng ta
quan tâm tới tiết diện tán xạ ngược vi phân (differential backscatter cross
section), tức là tiết diện tán xạ vi phân ở góc 1800. Tiết diện này có thể tính được
từ lý thuyết phân cực của Placzek [109] dưới các điều kiện:
Tấn số của ánh sáng tới phải lớn hơn nhiều tần số của bất kì dịch chuyển
dao động – quay nào của phân tử.
Tần số của ánh sáng tới phải nhỏ hơn nhiều tần số của bất kì dịch chuyển
dao động điện tử nào của phân tử.
Trạng thái điện tử cơ bản của phân tử phải không suy biến.
Những điều kiện này để loại bỏ quá trình tán xạ cộng hưởng của các phân
tử khí mà chúng ta nghiên cứu khi mà hệ lidar hoạt động ở chế độ laser phát
công suất rất cao (với mục đích đo xa). Các tham số đặc trưng của phân tử xác
định tiết diện tán xạ của phân tử hai nguyên tử là độ phân cực trung bình a, độ
bất đẳng hướng của phân cực và đạo hàm của chúng tương ứng với tọa độ dao
động thường ở vị trí cân bằng là a‟và ‟. Với a2 và
2 là những giá trị bất biến
của ten sơ phân cực của phân tử. Các giá trị đạo hàm a‟và ‟ mô tả sự thay đổi
của tính chất phân cực với sự thay đổi giữa các nguyên tử trong quá trình dao
động. Từ những tham số này chúng ta nhận được tiết diện tán xạ ngược vi phân
của tán xạ Raman quay (RR – Raman Rotation):
59
4 2
i
RR
d 7k
d 60
(1.20)
Tiết diện tán xạ ngược vi phân của tán xạ Stokes Raman dao động – quay (VRR
– Vibration Raman Rotation) [31]:
𝑑𝜎
𝑑𝛺 𝑉𝑅𝑅
𝑆𝑡𝑜𝑘𝑒𝑠= 𝑘𝜗(𝜗𝑖 − 𝜗𝑣𝑖𝑏 )4 𝑏𝜗
2
1−exp (−ℎ𝑐𝜗𝑣𝑖𝑏 /𝑘𝐵𝑇) . 𝑎′2 +
7
45𝛾′2 (1.21)
Tiết diện tán xạ ngược vi phân của tán xạ đối Stokes Raman dao động – quay
[31]:
𝑑𝜎
𝑑𝛺 𝑉𝑅𝑅
𝐴𝑛𝑡𝑖 −𝑆𝑡𝑜𝑘𝑒𝑠= 𝑘𝜗(𝜗𝑖 + 𝜗𝑣𝑖𝑏 )4 𝑏𝜗
2
1−exp (−ℎ𝑐𝜗𝑣𝑖𝑏 /𝑘𝐵𝑇) . 𝑎′2 +
7
45𝛾′2 (1.22)
Trong đó 𝜗𝑖[𝑐𝑚−1] là tấn số dao động của phân tử ở mức i, 𝑏𝜗 nhận giá trị
không đối với mức dao động bậc i, 𝑎′ và 𝛾′ là các đóng góp của thành phần đẳng
hướng và bất đẳng hướng của yếu tố ten sơ phân cực trong hệ tọa độ Decatur,
T[K] là nhiệt độ tuyệt đối, k là hằng số Boltzmann.
Với bình phương của biên độ tại điểm không của mode dao động là:
𝑏𝜗2 =
ℎ
8.𝜋2 .𝑐 .𝜗𝑣𝑖𝑏 (1.23)
𝑘𝜗 =𝜋2
휀𝑜2 (1.24)
Trong đó 0 là hằng số điện môi của môi trường.
Tiết diện tán xạ được xác định bởi các công thức trên đối với tập hợp các
phân tử. Dưới điều kiện khí quyển, hầu hết các phân tử ở trạng thái dao động cơ
bản với số lượng tử = 0. Tuy nhiên, có một vài mật độ mức năng lượng cao
hơn với = 1, 2. Một phần của phân tử trong mỗi trạng thái dao động được tính
toán từ nhiệt độ tuyệt đối thực theo phân bố Bolzman với hằng số Bolzman là
kB. Bằng cách này chúng ta thu được số hạng trong dấu ngoặc vuông trong công
thức (1.16) và (1.17) của dịch chuyển dao động – quay. Từ tỉ số của những
60
phương trình này chúng ta tính được tỉ số cường độ của tán xạ Stokes Raman và
tán xạ đối Stokes Raman dao động – quay theo công thức [31]:
4stokesi vibVRR
vib Banti stokes 4
i vibVRR
(d / d )exp hc / k T
d / d
(1.25)
Từ phương trình này, dưới điều kiện thường, chúng ta có thể thấy cường
độ của nhánh tán xạ đối Stokes Raman dao động - quay nhỏ hơn 3 đến 6 bậc đối
với cường độ của nhánh tán xạ Stokes Raman dao động – quay. Tương tự,
chúng ta cũng có tính tỉ số tán xạ của Raman quay – dao động so với các tán xạ
Raman quay, Tán xạ Rayleigh.
Các phương trình (1.20) – (1.25) coi ánh sáng là phân cực thẳng hoặc
không phân cực thì quan sát tín hiệu tán xạ ngược độc lập với đặc trưng phân
cực. Các phương trình trên hoàn toàn có thể chuyển sang cấu hình đối với các
dạng phân cực khác nhau. Và các phương trình từ (1.20) tới (1.25) áp dụng
cho tiết diện tán xạ ngược đối với dịch chuyển loại quay hoặc dao động –
quay. Đóng góp của các nhánh khác nhau có thể thu được bằng cách tách số
hạng cuối của các phương trình này [31]:
(𝑑𝜎/𝑑Ω)𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟 ~ 𝑎12 +
7
180𝛾1
2 𝑣à (𝑑𝜎/𝑑Ω)𝑤𝑖𝑛𝑔𝑠 ~ 7
60𝛾1
2 (1.26)
Với al2 = a‟
2 và l
2 = ‟
2 được hiểu là các yếu tố đẳng hướng và bất đẳng
hướng của ten sơ phân cực trong hệ tọa độ Decatur. Kí hiệu center thay thế cho
dịch chuyển nhánh Rayleigh hay nhánh Raman quay. Trong khi đó, kí hiệu
wings thay thế cho nhánh Raman dao động – quay. Công thức trên đã cho thấy
sự tương đương của tán xạ Rayleigh và tán xạ Raman quay. Khi tán xạ Rayleigh
tính thêm cả tán xạ Raman quay người ta thường gọi là đường Cabannes và
thường được xem như tán xạ Rayleigh. Vì vậy, để xác định tín hiệu Raman quay
trong các phép đo lidar người ta thường phải sử dụng các phép đo có độ phân
giải phổ rất cao.
61
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].
Bƣớc sóng kích thích – 532,1 nm
Phân tử Air (0) O2 (1556) N2 (2331) H2O (3654)
Bước sóng dịch 532,1 nm 580,1 nm 607,4 nm 660,4 nm
1.4. Kết luận chƣơng I
Trong chương tổng quan, chúng tôi trình bày những tìm hiểu về các đối
tượng sẽ được nghiên cứu trong luận án, các phương pháp nghiên cứu hiện đang
được sử dụng để giải quyết mục đích khảo sát son khí cũng như cơ sở lý thuyết
cơ bản được sử dụng cho quá trình động học tương tác xảy ra giữa photon và
môi trường khí quyển.
1. Chương này chúng tôi trình bày cấu trúc, thành phần khí, thành phần son khí
cấu thành nên lớp khí quyển bao quanh trái đất trong khoảng độ cao từ 0 –
100 km. Cấu trúc, vai trò của mỗi tầng khí quyển đối với trái đất trước năng
lượng bức xạ mặt trời cũng như các quá trình lưu chuyển diễn ra trong bầu
khí quyển.
2. Cấu trúc của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km và lớp mây Ti tầng cao, sự thay
đổi mật độ phân bố theo không gian và thời gian, cơ chế hình thành cũng như
vai trò của cả hai đối tượng son khí tầng thấp và lớp mây Ti tầng cao đối với
sinh quyển và khí quyển của trái đất.
62
3. Bên cạnh đó chúng tôi thảo luận các kỹ thuật đo đạc, quan trắc khí quyển
đang được sử dụng. Vai trò và những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật lidar sử
dụng trong khảo sát khí quyển.
4. Cuối cùng chúng tôi trình bày những lý thuyết mới nhất về quá trình tán xạ
Rayleigh xảy ra giữa tương tác của photon ánh sáng và các phân tử khí, tán
xạ Mie xảy ra giữa tương tác của photon ánh sáng với các loại son khí tồn tại
trong khí quyển và lý thuyết tán xạ phi đàn hồi – Raman xảy ra trên các phân
tử khí đặc trưng, làm cơ sở lý thuyết cho phép phân tích kỹ thuật lidar áp
dụng khảo sát và nghiên cứu các đối tượng khí và son khí trong tầng khí
quyển.
63
CHƢƠNG II
Kỹ thuật và hệ đo lidar
Chương 2, chúng tôi trình bày những nghiên cứu về kỹ thuật khảo sát từ
xa (là công cụ nghiên cứu của nhóm tác giả) được sử dụng để xác định các đặc
trưng vật lý của son khí trong khí quyển. Chúng tôi trình bày về cấu trúc của hệ
lidar được thiết kế, xây dựng tại Viện Vật lý với mục đích quan trắc các đặc
trưng vật lý của son khí. Những thiết kế về cơ khí, điện tử và quang học được sử
dụng trong quá trình nghiên cứu, xây dựng, tối ưu hệ lidar Raman phân cực đa
kênh và hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao. Bên cạnh đó chúng tôi cũng
trình bày cơ sở toán học và các chương trình tính số xây dựng bằng ngôn ngữ
Matlab xác định các đặc trưng quang của son khí trong miền quan trắc từ cơ sở
dữ liệu của hệ lidar đặt tại Hà Nội.
2.1 Hệ lidar
2.1.1. Hệ lidar nhiều bƣớc sóng
2.1.1.1. Khối phát
Cấu trúc của hệ lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện trong
hình 2.1. Khối phát của hệ lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2 cho phép
điều chỉnh phương phân cực của chùm tia phát ra, bản phân cực này sẽ được sử
dụng để chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo ở chế độ thu nhận tín
hiệu phân cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ được chuyển hướng bắn từ
phương ngang thành phương thẳng đứng nhờ một gương đặt với góc nghiêng
45o.
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều
bước sóng [64].
ĐẶC TRƢNG KHỐI PHÁT
Bƣớc sóng phát 1064 nm 532 nm Ý nghĩa
Tần số 10 Hz 10Hz Tần số phát xung của laser
64
Góc mở của tia
laser
0,5 mrad // Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e2 năng lượng
đỉnh xung, tương ứng 85% tổng năng lượng
chùm tia
Đường kính chùm 6 mm // Xét tại trường gần của chùm tia laser
Tỉ số phân cực
chùm
> 90% // Theo phương đứng
Tính hội tụ chùm < 2 // Giới hạn nhiễu xạ thơi gian tại mức cường độ
1/e2 đỉnh xung.
Tính không gian 0,7
0,95
// Theo phân bố Gauss ( đối với trường gần 1m)
Đối với trường xa cách 2m
Năng lượng xung 360 mJ 180 mJ Sử dụng đầu đo công suất
Năng lượng đỉnh ±2 (0,6) ±4 (1,3)
Độ dịch năng
lượng
±3% ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra
Độ rộng xung ~5 ns ~4 ns FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz
Độ rộng vạch 0,7 cm-1
1,4 cm-
1
Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính xác:
0,045cm-1
Độ Jitter ± 0,5 ns // So sánh với trigger và lấy trung bình của 500
xung
Tính ổn định điểm < 50
mrad
// Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200 xung
tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f = 2m
2.1.1.2. Khối thu
Trong Hình 2.1 là hệ lidar phức hợp được xây dựng và phát triển tại Viện
Vật lý sử dụng laser công suất cao hoạt động ở bước sóng họa ba bậc hai 532
nm. Với khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên
tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope 100
mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ
telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát của hệ có thể đồng thời khảo sát đối
tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng
telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần. Telescope nhỏ
65
quan trắc trường gần được đặt cách chùm laser (30 cm) gần hơn so với telescope
lớn (cách chùm laser 80 cm) đo trường xa. Khoảng cách giữa ống kính quang
học và chùm laser sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hàm chồng chập và có tác dụng
giảm tín hiệu trường gần trong trường hợp muốn quan trắc đối tượng ở xa.
Trong hệ quang thu nhận chúng tôi thiết kế hệ ở chế độ thu tín hiệu Raman kết
hợp với phép đo tín hiệu đàn hồi trên 2 kênh phân cực của son khí trường xa và
tín hiệu đàn hồi trên son khí trường gần.
Khối thu của hệ lidar: gồm một ăng ten quang học (telescope) cho phép
thu nhận tín hiệu quang với bước sóng lọc lựa nhờ một phin lọc tại bước sóng
532 nm với độ rộng 3 nm. Tiếp đó tín hiệu quang được chia thành hai chùm với
phương phân cực vuông góc với nhau, một phương song song với phương phân
cực của chùm tia laser phát và một chùm có phương phân cực vuông góc với
phương phân cực của chùm tia phát, nhờ một bản tách chùm phân cực (beams
plitter). Sau đó tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua hai
PMT hoạt động tại bước sóng 532 nm và sau đó chuyển sang tín hiệu số nhờ
một dao động ký kết nối qua cổng USB với máy tính, nhờ chương trình nghi
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].
Telescope 100mm
Laser beam 532nm
Gương
PMT
Bản λ/2
Laser YAG.Nd: 2ω
Nguồn nuôi
Máy tính
ADC
Telescope 250 mm
66
nhận, được lập trình bằng ngôn ngữ Labview cho phép lưu dữ dưới dạng file
.txt. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của khối thu được trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều
bước sóng [64, 65, 67].
ĐẶC TRƢNG KHỐI THU
Loại kính thiên
văn
Cassegrain LX200
EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric
Độ mở f/10
Đường kính 203.2 mm
ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN
Đầu thu PMT Hamamatsu R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương tự và
đếm photon kênh 532 nm
Đầu thu APD Hamamatsu Hoạt động chế độ đo tương tự kênh 1064
nm
ĐẶC TRƢNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN VÀ
XỬ LÝ
ADC 12 bit Picosope 4000 series 3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu thấp,
giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB
Chương trình ghi
tín hiệu
Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file
.txt, có hai chế độ hoạt động: tương tự và
đếm photon
Chương trình xử lý
tín hiệu
Matlab Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các
chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các
đặc trưng quang học
Trong quá trình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ lidar tại Viện Vật
lý chúng tôi gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật cũng như trong quá trình quan trắc
khí quyển tại Hà Nội. Bởi vậy việc nghiên cứu mở rộng quy mô đào tạo và xây
dựng nhóm nghiên cứu khí quyển, môi trường… sử dụng kỹ thuật lidar sẽ là
67
một nhiệm vụ cần được phát triển, chắc chắn sẽ phức tạp và tốn kém. Bởi để
thiết kế, xây dựng một hệ lidar đòi hỏi sự nghiên cứu hiểu biết kết hợp của
nhiều kĩ thuật như: kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật quang học, kỹ thuật điện tử, kỹ
thuật ghép nối máy tính, kỹ thuật tính toán, khoa học về khí quyển môi
trường… Bên cạnh đó yếu tố kinh tế không thể không kể đến. Bởi thực tế trước
đây việc xây dựng các hệ lidar ban đầu chỉ nhằm mục đích phục vụ cho quốc
phòng hoặc trong các lĩnh vực nghiên cứu dân dụng chỉ thuộc về các nước có
tiềm lực kinh tế và kỹ thuật. Ngày nay các hệ lidar đã được thương mại hóa
nhưng giá cả của một hệ lidar nhiều bước sóng vẫn rất lớn, giá trị thương mại
lên đến hàng trăm nghìn USD, và phí vận hành thường xuyên cũng rất tốn
kém. Do đó, chúng tôi định hướng xây dựng các hệ lidar có những tính năng
chuyên biệt thu gọn, phù hợp với mục đích cụ thể. Với mục đích đo gần, điều
chỉnh dễ dàng, có phí duy trì thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và quan
trắc ở Việt Nam. Với những lý do đó một hệ lidar di động, nhỏ gọn dễ lắp đặt
đã được thiết kế và phát triển tại Viện Vật lý trong năm 2012.
2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode
Với đặc điểm thời tiết tại Hà Nội những ngày trời xuất hiện nhiều sương
mù thường rất phổ biến. Ví dụ trong năm 2011 số ngày trời có mù và mưa
(không thể quan trắc khí quyển tầng cao) chiếm ~55% tổng số ngày trong năm
(200 ngày trong năm 2011). Trong điều kiện khí quyển đó không cho phép các
hệ lidar khảo sát các đối tượng trong khí quyển tầng cao, theo phương thẳng
đứng hoạt động, bởi không đảm bảo an toàn và ở điều kiện đó không thể thực
hiện việc quan trắc các đối tượng khí quyển tầng cao. Như vậy, đối tượng son
khí trường gần là đối tượng trực tiếp, dễ dàng đo đạc và cần được quan trắc bởi
vai trò trực tiếp, tức thời ảnh hưởng tới chất lượng sinh quyển và môi trường
sống của con người. Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar nhỏ gọn có
khả năng di động, có thể quang trắc theo các hướng khác nhau, theo thời gian
liên tục đã trở nên cấp thiết trong điều kiện quan trắc ở Hà Nội. Với mục đích đó
68
chúng tôi đã nghiên cứu và phát triển một hệ lidar nhỏ gọn có tính năng di động,
dễ điều chỉnh, sử dụng laser diode công suất cao, sử dụng đầu thu diode quang
thác lũ, đặt trong phòng, có thể thay đổi góc quan sát và quan trắc liên tục trong
mọi điều kiện thời tiết vào thời gian ban đêm. Trong chương ba và bốn chúng tôi
sẽ trình bày những kết quả đầu tiên khai thác từ dữ liệu của hệ lidar sử dụng
laser diode công suất cao quan trắc độ cao lớp son khí bề mặt và sự phân bố lớp
Mây Ti tầng cao dưới 10 km.
Trong mục này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo hệ lidar nhỏ, di động nhằm mục đích quan trắc lớp son khí bề mặt và Mây Ti
tầng cao dưới 10 km. Hệ lidar nhỏ này được phát triển trên cơ sở cải tiến kỹ
thuật là:
Sử dụng laser diode công suất cao phát bước sóng 905 nm an toàn với
mắt người.
Đầu thu sử dụng photodiode thác lũ hoạt động ở chế độ Geiger trong
điều kiện hạ nhiệt độ thấp.
Sử dụng module ADC nhanh, phần mềm kết nối máy tính viết trên
ngôn ngữ Labview cho phép ghi nhận tự động thông qua cổng USB.
Những tính năng nổi bật của hệ lidar nhỏ đó là: Hệ lidar nhỏ gọn, dễ điều
chỉnh và di chuyển tiện lợi trong quá trình vận hành. Cho phép thay đổi hướng
quan trắc một cách dễ dàng.
1. Tần số lặp lại xung cao (kHz) cho phép tăng độ phân giải theo thời
gian đo thực.
2. Giảm giá thành xây dựng và vận hành thiết bị vì nhóm nghiên cứu đã
làm chủ hoàn toàn kỹ thuật chế tạo phần lớn các bộ phận của hệ đo.
Thời gian sống và giá thành laser diode ở bước sóng 905 nm là rất
thấp. Hệ lidar này còn khá thuận tiện, hữu ích trong công tác giảng dạy
và phát triển kỹ thuật sử dụng lidar phục vụ nghiên cứu các mục đích
môi trường, khí quyển trường gần… ở Việt Nam.
69
Trong Hình 2.2 là hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao với
mục đích khảo sát các đối tượng son khí trường gần như lớp son khí tầng thấp
sát bề mặt trái đất. Hệ sử dụng laser diode với nguồn nuôi tự chế tạo với mức
chi phí thấp cho phép quan trắc trong thời gian dài. Đầu thu xử dụng là
photodiode thác lũ - APD hoạt động trong chế độ Geiger ở điều kiện làm lạnh
tới - 20oC có khả năng phân giải từng photon. Để hạ nhiệt độ của đầu thu
photodiode thác lũ chúng tôi sử dụng bộ làm lạnh bằng pin nhiệt điện hai lớp với
tổng công suất điện tới 70 W kết hợp với kỹ thuật hút ẩm tạo môi trường không
có hơi nước trong buồng kín chứa đầu đo APD.
Chế tạo và chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng công suất cao bằng hệ
2 thấu kính trụ gắn trên dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều chỉnh tới 10 µm
và áp dụng thành công đầu thu photodiode thác lũ hoạt động ở điều kiện hạ nhiệt
độ có độ nhạy cao là hai cải tiến có giá trị của hệ lidar sử dụng laser diode 905
nm (của hãng Osram) được xây dựng tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam [14, 60, 128].
Khối phát
APD
Máy tính
Bộ nguồn
Module đếm photon
Kính thiên văn
d = 200mm
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.
70
Các thông số đặc trưng cụ thể đối với những thành phần cấu tạo hệ lidar
sử dụng laser diode 905 nm chúng tôi xin trình bày theo cấu trúc khối phát và
khối thu của hệ trong phần tiếp sau đây. Hệ lidar này có hai khác biệt là: sử dụng
laser diode công suất cao nhỏ gọn và đầu thu APD cải tiến hoạt động ở chế độ
Geiger đã được phát triển thành công ứng dụng lần đầu tiên để thu nhận tín hiệu
yếu trên hệ lidar phát triển tại Việt Nam. Hệ đo có được những ưu điểm kể trên
và đã được vận hành hiệu quả trong thời gian dài đo đạc trong năm 2012 tới nay
ở mọi điều kiện thời tiết khác nhau. Trên thế giới đối với những hệ lidar sử dụng
laser diode compact hiện có khá ít các nhóm phát triển, đặc biệt trong vùng bước
sóng 905 nm an toàn cho mắt, bởi vậy hệ đo cũng được xem là mới trên thế giới
trong lĩnh vực lidar sử dụng nguồn bức xạ nhỏ gọn.
Tín hiệu lidar ở chế độ đếm photon từ hệ được thiết lập thời gian thực
hiện một phép đo là 10 phút tương đương ~600.000 xung, tần số lặp lại của laser
là ~1 kHz. Nhược điểm của hệ lidar là công suất laser thấp tuy nhiên với tần số
lặp lại cao cho phép chúng ta có thể tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu lên khá đơn
Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm.
Bộ nguồn và đầu laser
SPL_PL90_3 phát bước sóng
905 nm của hãng Osram
Thấu kính trụ 1
Thấu kính trụ 2
Bộ vi dịch chuyển 3chiều
Trigger quang
Bản tách chùm Gương hướng chùm tia
71
giản bằng cách thực hiện thời gian đo không cần quá dài. Khi năng lượng xung
laser nhỏ, vùng bước sóng bức xạ của laser nằm trong miền không nhìn thấy cho
phép hệ quan trắc theo tất cả các phương khác nhau mà vẫn đạt tiêu chuẩn về
điều kiện an toàn đối với mắt người. Đó là một ưu điểm rất lớn của hệ lidar mini
này trong ứng dụng quan trắc các đặc trưng khí quyển vùng độ thị.
Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước sóng
905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng, hai gương
giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ [55].
2.1.2.1. Khối phát
Laser diode 905 nm bản chất là laser diode loại mảng. Tức là mỗi module
laser là tổ hợp của một dãy các laser diode ghép song song nhờ đó mà công suất
laser sẽ được tăng lên tỉ lệ tuyến tính theo số lượng các đầu laser tích hợp trong
mảng. Tia laser phát ra có dạng khối nêm mở rộng theo cả hai phương. Độ mở
theo hai phương là khác nhau. Theo phương dọc theo trục của mảng laser tốc độ
mở 90 chậm hơn theo phương vuông góc là 25
o. Vì vậy mode ngang của chùm
laser phát ra ở trường gần của laser mảng loại này có dạng hình chữ nhật và kích
thước vết tăng đều theo khoảng cách. Hình ảnh về vết và module laser diode 905
nm của hãng Osram được thể hiện trong Hình 2.4. Các thông số đặc trưng về
quang điện của module laser 905 nm được thống kê trong Bảng 2.3.
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].
72
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].
Các tham số Kí hiệu G.T. dƣới G.T. trung bình G.T. trên Đ/v
Bước sóng λđỉnh 895 905 915 nm
Tần số - 1 - KHz
Độ rộng phổ (FWHW) Δλ - 7 - nm
Năng lượng đỉnh phát Pop 65 75 85 W
Dòng ngưỡng Ith 0,5 0,75 1,0 A
Thế điều khiển Vop 8 9 11 V
Thời gian tăng, giảm I (10% - 90%) tr, tf - 1 - ns
Kích thước vùng phát xạ w x h - 200 x 10 - µm
Góc mở chùm tia FWHM θ ss x θvg - 9x25 - deg
Hệ số nhiệt của λ ∂λ/∂T - 0,28 - Nm/K
Hệ số nhiệt công suất ∂Pop/Pop.
∂T - -0,4 - %/K
Trở nhiệt Rth JA - 160 - K/W
Để xây dựng thành công module nguồn nuôi cho laser loại này chúng tôi
chế tạo mạch nuôi của laser theo thông số thiết kế mạch nguyên lý của hãng sản
xuất như trong Hình 2.5.
Để chuẩn trực chùm tia laser diode loại mảng, chúng tôi xây dựng hệ
quang gồm 2 thấu kính trụ đặt đồng trục theo hai phương vuông góc với nhau.
Mỗi thấu kính có tiêu cự và kích thước phù hợp với góc mở và kích thước chùm
Hình 2.5: Sơ đồ mạch nuôi chip laser diode của hãng Osram [14].
73
tia laser. Trong đó thấu kính f1 = 10 mm loại LJ1878 L1 và thấu kính f2 = 50
mm loại LJ1821 L1 của hãng Thorlabs. Mỗi thấu kính có tác dụng thay đổi
chùm tia từ phân kì thành chùm tia song song theo hai phương ứng với các góc
mở khác nhau. Thấu kính trụ nhỏ ngay trước laser có tác dụng chuẩn trực góc
mở của chùm tia theo phương phân kì lớn (phương có góc mở 25o), thấu kính L2
có tác dụng loại bỏ góc mở của chùm tia theo phương phân kì nhỏ (phương có
góc mở 9o). Hai thấu kính trụ được cố định bằng chi tiết cơ khí có chân đế gắn
chắc trên mặt bàn quang học, có thể điều chỉnh góc nghiêng của mặt phẳng
quang của thấu kính bằng vít nhựa và điều chỉnh khoảng cách giữa các thấu kính
với nhau và với đầu phát laser bằng dịch chuyển 3 chiều với độ chính xác 1/100
mm. Hình ảnh của hệ quang chuẩn trực chùm laser 905 nm thể hiện trên Hình
2.3. Để lái chùm tia laser sau khi đã chuẩn trực chúng tôi sử dụng 2 gương bạc
SA01 đường kính 2,5 cm (của Hãng Thorlabs), bố trí 2 gương này khá đơn giản
chỉ cần đặt quay 2 mặt phản xạ vào nhau và cùng đặt lệch góc khoảng 45o so với
phương ban đầu của chùm laser đi ra ở Hình 2.3.
Với bố trí hệ quang chuẩn trực chùm tia laser như mô tả trong Hình 2.3.
Tính chất chùm tia laser tạo ra được chúng tôi tiến hành khảo sát đặc trưng phân
bố cường độ, góc mở theo dạng mode ngang. Trong Hình 2.6 cho chúng ta thấy
phân bố cường độ và kích thước của vết chùm laser 905 nm có dạng hình chữ
nhật khi vừa ra khỏi 2 thấu kính trụ như Hình 2.6 a. Tuy dạng vết là không thật
sự hình chữ nhật và phân bố cường độ cũng không đối xứng đều trong không
gian vết của chùm laser. Tuy nhiên trong quá trình chỉnh hệ quang tốt nhất
chúng tôi đạt được kết quả về kích thước vết laser duy trì dạng hình chữ nhật và
có độ rộng tại vị trí cách hệ 2 m là: 6 x 9 mm và vị trí cách hệ 4 m là: 10 x 15
mm.
Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ chuẩn
trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở chùm tia theo
phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương ngang là 1,5 mrad. Do
vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì góc mở của khối thu phải lớn
74
hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập góc mở không gian của telescope
là 2 mrad.
c. Sơ đồ nguyên lý hệ quang chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng
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.
Thấu kính bóp chùm
theo phương ngang
Thấu kính bóp chùm
theo phương đứng
Dạng vết laser có
dạng hình chữ nhật
Vết laser diode SPL
PL90_3 dạng mảng
a) Trường gần
b) Cách 4m
Phƣơng ngang (mm)
Ph
ƣơ
ng
đứ
ng
(m
m)
4
8
12
Phƣơng ngang (mm)
Ph
ƣơ
ng đ
ứn
g (
mm
)
0
1
0
2
0
75
Theo sơ đồ lý thuyết mô tả ở Hình 2.6 c thì dạng vết của laser diode ở
trường gần phải có hình chữ nhật và cường độ không đổi trên tiết diện chữ nhật
đó. Tuy nhiên thực tế do thiết kế hệ chuẩn trực 2 thấu kính trụ và đầu phát laser
mà chùm tia chưa chuẩn trực được theo kiều kiện lý tưởng. Mặc dù vậy để đat
mục đích đo xa laser thì chúng ta quan tâm nhiều tới cường độ và điều kiện góc
mở cực đại của chùm tia theo hướng bất kì phải nhỏ hơn góc mở trường nhìn
của telescope.
Đối với laser diode SPL PL90_3 chúng tôi thiết kế và chế tạo mạch nuôi
theo tham số của nhà sản xuất đảm bảo laser hoạt động ở chế độ công suất đỉnh
phát đạt gần giá trị cực đại ~80 W. Đảm bảo công suất chùm laser tốt nhất và
hoạt động an toàn trong thời gian dài. Như trong Hình 2.7 chúng ta thấy đường
đặc trưng công suất laser theo thế nuôi thể hiện laser phát ở mức 80W có thể
hoạt động trong miền tuyến tính của đường đặc trưng công suất của laser.
Với mục đích khảo sát chi tiết hơn nữa đặc điểm của nguồn phát laser
diode công suất cao. Tôi tiến hành đo đặc đặc trưng cường độ của xung laser và
tần số phát của laser. Xung laser diode có dạng Gauss với độ rộng nửa cực đại
khi điều chỉnh tối ưu về mặt công suất khoảng 70 ns, như trong Hình 2.8. Độ
rộng của xung laser sẽ quyết định tới đặc trưng phân giải không gian của hệ đo,
trong trường hợp độ rộng xung ~70 ns thì khoảng cách đo hệ lidar này có thể
phân biệt được vào cỡ 10 m. Tuy nhiên trong trường hợp đo xa với các đối
Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi.
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
Thế nuôi (V)
Côn
g s
uất
đỉn
h (
W)
76
tượng trong khoảng cách ~10 km thì độ phân giải cỡ chục m tức là đạt mức sai
số ~1/1000, là hoàn toàn chấp nhận được.
Hình 2.8 và 2.9 thể hiện dạng xung và số xung lặp lại của laser diode phát
tại bước sóng 905 nm ghi nhận từ dao động ký điện tử nhanh sau khi điều chỉnh
Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu.
Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại.
100 ns/div
77
tham số mạch điện tử nhằm tối ưu năng lượng xung cực đại. Từ hình 2.8 chúng
ta thấy độ rộng xung ~75 ns tức độ phân giải không gian của hệ đo ~ 11 m.
Mặc dù vậy vấn đề chúng ta cần quan tâm là điều chỉnh ngưỡng phát và
dòng nuôi phù hợp để năng lượng mỗi xung laser là cực đại và tần số lặp lại là
cao nhất có thể. Khi thiết kế nguồn nuôi cho laser chúng tôi lựa chọn linh kiện
và thực tế điều chỉnh để lựa chọn trạng thái hoạt động tối ưu cho laser ở công
suất đỉnh trung bình cực đại khi tần số lặp lại của laser khoảng 1,25 kHz. Tần số
lặp lại của laser được thể hiện trong Hình 2.9 [126].
2.1.2.2. Khối thu
Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang học,
đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền phần cứng là
bộ đếm photon tốc độ cao. Những thông sô kỹ thuật của khối thu được liệt kê
trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser
diode [13, 65].
CÁC THÔNG SỐ KHỐI THU
Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric
Độ mở f/10
Đường kính 203.2 mm
ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN XỬ LÝ TÍN HIỆU
Đầu thu APD
Hamamatsu
Si APD S9251 series
Hoạt động chế độ Geiger đếm photon, được hạ
nhiệt độ tới -20oC.
Module đếm photon tốc
độ cao Picosope 6000 series
2 kênh tốc độ lấy mẫu 1GS/s, nhiễu thấp, giao
tiếp với máy tính thông qua cổng USB.
Chương trình thu nhận tín
hiệu Labview
Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt,
hoạt động ở chế độ đếm photon.
Chương trình xử lý tín
hiệu: Matlab
PC: Chip 2,5 GHz; RAM
2GB
Xử lý tín hiệu tìm một số đặc trưng của lớp bề
mặt.
78
Theo thông số của nhà sản xuất tại bước sóng khảo sát 905 nm hiệu suất
lượng tử của đầu thu đạt 70% với độ nhạy đạt 50 A/W, gần sát giới hạn tối ưu
của nhà sản xuất đối với thiết bị. Với các thông số trên đây chúng ta có quyền
tin tưởng hiệu quả ghi nhận tín hiệu yếu của đầu thu khi được làm lạnh hoạt
động ở chế độ Geiger sẽ rất tốt.
Thông số kỹ thuật của photodiode thác lũ sử dụng trong hệ lidar
Dưới đây là các thông số kỹ thuật đặc trưng của APD chúng tôi lựa chọn
sử dụng cho hệ lidar khảo sát lớp khí quyển tầng thấp sử dụng laser công suất
thấp. Các thông số được tóm tắt trong Bảng 2.5 được nhà sản xuất cung cấp. Ở
đây chúng ta quan tâm tới các thông số quan trọng như: giới hạn nhiệt độ hoạt
động cực tiểu: -20oC, tiết diện miền hoạt chất 1,77 mm
2, thế dập tắt, dòng tối,
tần số dập tắt và dung kháng đặc trưng. Các đặc trưng quang điện này liên quan
trực tiếp tới thiết kế hệ thu nhận tín hiệu quang và mạch điện tử ADC cho phép
hệ hoạt động tốt trong điều kiện tín hiệu đo vào thời gian ban đêm [40, 92].
Bảng 2.5. Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13].
APD S9251 – 15 hệ số khuếch đại tại bƣớc sóng 𝝀 = 𝟗𝟎𝟎 𝒏𝒎 , ở 25o là: M = 100 lần
Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số
Kích thước 1,5 mm Miền phổ 440:1100
Hiệu suất
lượng tử
72% Dòng tối 0,8 - 8 nA
Diện tích 1,77 mm2
Cực đại 860 nm
Thế dập
tắt
250 – 350
(V)
Tần số dập
tắt
350 MHz
Miền nhiệt
hoạt động
-20 – +85
(0oC)
Miền nhiệt
bảo quản
-55 ÷ +125
(0oC)
Dung
kháng
3,6 pF Nhiễu nội
0,3
Photo diode thác lũ hoạt động ở chế độ đếm photon
Một trong những yêu cầu bắt buộc của hệ đếm photon độ nhạy cao phân
giải từng photon thì photodiode thác lũ cần được làm lạnh. Với mục tiêu làm
lạnh tới nhiệt độ -20oC, chúng tôi đã thiết kế một module chứa đầu thu APD với
bộ làm lạnh bằng pin nhiệt điện 2 lớp với tổng công suất tiêu thụ điện lên tới
79
70W, kết hợp với bộ tản nhiệt thứ cấp dùng quạt. Toàn hệ đầu đo và bộ làm lạnh
được khép kín cách ly với môi trường ngoài. Mục đích của việc cách ly vì khi
nhiệt độ hạt thấp sẽ xảy ra hiện tượng đóng tuyết trên mặt APD nếu còn hơi ẩm
trong không gian chứa APD. Để giải quyết vấn đề này chúng tôi áp dụng giải
pháp dùng xốp lấp đầy không gian phía trong buồng của APD kết hợp hạt silica
hút ẩm làm giảm tối đa lượng hơi ẩm tồn tại trong phần khí còn lại. Khi đóng
kín mudule APD chúng tôi sử dụng keo và ốc xiết chặt ngăn cản sự trao đổi khí
giữa phần trong và môi trường ngoài của module đầu thu [59].
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].
Cao thế: -138
V
220 kΩ
50 kΩ
Tín hiệu đếm photon
50 Ω
138 V
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.
4 cổng cáp 50 Ω
Bộ làm lạnh cho APD Quạt tản nhiệt
Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger
Không gian được hút ẩm
80
Hình ảnh module đầu thu photodiode thác lũ và khối làm lạnh được thể
hiện trong Hình 2.11. Trên đó chúng tôi sử dụng 4 cổng kết nối cáp RG58C/U
50 Ω với mục đích giảm tối đa nhiễu điện có thể gây ra cho đầu thu. Trong đó có
4 cổng gồm: cổng tín hiệu, cổng nuôi cao thế và hai cổng nuôi thế cho pin nhiệt
điện có gắn kèm mạch LC dập tắt các nhiễu điện.
Trong giao diện của chương trình đếm photon viết trên ngôn ngữ labview
như trong Hình 2.12. Để thiết lập các thông số đo phù hợp với khối phát là laser
diode 905 nm thông thường chúng tôi lựa chọn các thông số đo cụ thể như trong
Hình. Ở đó chúng ta chú ý tới các thông số như: tốc độ lấy mẫu (500 MS/s), số
mẫu lấy (42.000 Samples) sẽ quyết định tới khoảng cách đo, ngưỡng thế (5mV)
lựa chọn phù hợp để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên, số waveform (20.000) tương
đương với thời gian đo ~20 s, mức trigger (100 mV), thang đo (100 mV), số file
dự định đo tương ứng thời gian đo, đường dẫn cho phép lưu file dữ liệu. Và sau
đó chúng ta cho chương trình chạy ở chế độ live và chuyển sang cửa sổ counting
để quan sát dữ liệu đo ghi nhận theo thời gian thực.
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.
81
2.1.3. Đầu thu quang điện cho hệ lidar
2.1.3.1. Đầu thu nhân quang điện (photon multilplier tube - PMT)
Cấu trúc của một PMT có thể mô tả như ở trên Hình 2.13, PMT là một
ống hút chân không có cửa sổ quang nhận photon, photocathode đối diện với
cửa sổ, các điện cực trung gian có tác dụng nhân electron quang điện (dynode)
và dương cực anode.
Ánh sáng tới PMT và tín hiệu sinh ra ở PMT thông qua những quá trình
sau [108]:
Ánh sáng xuyên qua cửa sổ vào (faceplate).
Photon tới đập vào cathode kích thích quang điện tử (photoelectron)
phát xạ hướng vào phía a nốt của ống nhân quang điện.
Photoelectron sinh ra từ photocathode được gia tốc và định hướng để
đập vào điện cực thứ nhất (dynode thứ nhất) làm phát xạ ra các
electron (quá trình phát xạ thứ cấp) quá trình nhân electron được tiếp
tục lặp lại ở các dynode tiếp theo.
Cuối cùng các electron được tập hợp sau nhiều lần nhân lên tại anode
để sinh ra tín hiệu ra.
Quá trình nhân electron của PMT đều đặn trên các dinode, thế trên các
dynode sẽ tăng dần đảm bảo chênh lệch thế giữa hai dinode liên tiếp (PMT ở
trạng thái hoạt động).
Hình 2.13: Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện [79].
82
Về cơ bản PMT có thể chia làm hai loại: Một loại cửa sổ nhận photon ở
phía trên đầu của khối cấu trúc PMT (head–on type) và loại cửa sổ nhận photon
nằm phía hông của khối cấu trúc PMT (side-on type) [79]. Vì vậy, điều quan
trọng là lựa chọn cấu trúc PMT để phù hợp với điều kiện đo và khối quang học
của hệ đo. Nếu đầu thu nhận tín hiệu của PMT có dạng hình chữ nhật thì nó phù
hợp với các máy quang phổ hoặc khi chúng ta cần chuẩn trực ánh sáng, còn loại
cửa sổ thu nhận là dạng tròn sẽ thích hợp với trường hợp tín hiệu có tính đối
xứng về không gian. Các đầu PMT có khoảng lựa chọn rộng với đường kính từ
5 mm đến 120 mm. Tuy nhiên, nếu chúng ta lựa chọn đầu PMT có diện tích lớn
để tăng cường độ thì tín hiệu nhiễu và dòng tối cũng tăng theo làm giảm chất
lượng tín hiệu. Do đó loại PMT, kích thước đầu thu cùng các đặc trưng riêng
của chúng cần được xem xét chính xác phù hợp khi lựa chọn đáp ứng đúng các
mục đích của đặc trưng tín hiệu cần khảo sát. Sau đây chúng ta đề cập tới một số
đặc trưng cơ bản về khối thu PMT để làm cơ sở khi lựa chọn loại phù hợp với
mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar khảo sát khí quyển.
Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency) của đầu thu PMT
Hiệu suất lượng tử của PMT là tham số có ý nghĩa quan trọng bởi nó
quyết định hiệu suất thu nhận (detection efficiency) của PMT, bằng tỉ số giữa số
e quang điện trên số photon đi tới mặt nhạy sáng của đầu đo. Vì vậy bạn cần lựa
chọn PMT có hiệu suất lượng tử cao ứng với bước sóng đặc trưng của khối phát
hệ lidar ví như tại bước sóng 532 nm.
Thế đáp ứng và hệ số khuếch đại (gain)
Độ khuếch đại của PMT phụ thuộc vào việc chọn hệ số khuếch đại của
đầu thu, tuy nhiên với hệ số khuếch đại tín hiệu cao thì nhiễu cũng sẽ được
khuếch đại với hệ số như vậy. Về tổng quát chúng ta nên chọn PMT có độ
khuếch đại khi hoạt động lớn hơn x106, tuy nhiên sẽ còn phụ thuộc vào độ rộng
xung tín hiệu trở về ống nhân quang điện – PMT bởi thời gian hồi phục của mỗi
PMT là khác nhau.
83
Phân bố độ cao xung của trạng thái đơn Photoelectron (PHD)
Mặc dù không được nêu trong các catalog của PMT nhưng PHD là một
thông số quan trọng vì nó liên hệ với hiệu suất xác định mức độ ổn định của
PMT. Vì vậy khi chúng ta sử dụng PMT cho mục đích đếm photon (với đối
tượng tín hiệu cực yếu) chúng ta phải tính đến thông số này xem nó tốt hay
không, đặc tính này được xác định bằng tỉ số giữa cường độ đỉnh và nền.
Số xung tối (Dark count)
Số xung tối là một thông số quan trọng cho việc xác định giới hạn dưới
của tín hiệu cho mục đích đo của PMT. Vì vậy PMT có số xung tối càng nhỏ thì
khả năng đo tín hiệu yếu chắc chắn sẽ tốt hơn. Với các PMT có cùng một cấu
trúc điện cực thì photocathode càng rộng hơn sẽ có số xung tối càng cao đương
nhiên độ nhạy cũng sẽ cao hơn đối với vùng bước sóng dài. Vì vậy để tối ưu
hiệu suất cho PMT dùng để đo các bước sóng dài hơn 700 nm thì việc làm lạnh
để giảm nhiễu tối là cần thiết.
Đáp ứng thời gian – Tốc độ đếm cực đại và độ phân giải thời gian.
Tốc độ đếm cực đại của PMT được xác định bởi khả năng đáp ứng thời
gian của PMT, độ phân giải thời gian của mạch xử lý tín hiện và độ rộng xung.
Hầu hết các PMT không có vấn đề về thời gian đáp ứng khi tốc độ đếm cực đại
lên tới 3x106 (xung/giây).
Hình 2.14: a) 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].
a) b)
c)
84
Từ việc tìm hiểu về các đặc trưng của đầu thu PMT và cụ thể cho nhiệm
vụ đo tín hiệu của hệ lidar. Chúng tôi tập trung xây dựng khối đầu thu sử dụng
ống nhân quang điện thuộc series R7400U để phục vụ việc quan trắc khí quyển
ở cả 2 chế độ tương tự và đếm photon đáp ứng mục đích quan trắc trong cả thời
gian ban ngày và ban đêm đối với tín hiệu đàn hồi ở bước sóng 532 nm. Trong
Hình 2.14 và Hình 2.15 thể hiện thông số đặc trưng độ nhạy phụ thuộc vào bước
sóng tín hiệu và hệ số khuếch đại theo thế nuôi của đầu đo PMT lựa chọn cho hệ
lidar đa kênh hoạt động ở chế độ đo tương tự và đếm photon.
Khi hoạt động ở bước sóng tín hiệu đàn hồi 532 nm thì độ nhạy, hệ số
khuếch đại của PMT đều đạt giá trị cao theo thông số của nhà sản xuất. Điều đó
cho phép hệ thu tín hiệu hoạt động hiệu quả ngay cả khi hệ đo hoạt động ở điều
kiện nhiệt độ phòng khoảng 25oC. Tuy nhiên đầu thu R7400U sẽ giảm độ nhạy
nhanh khi tín hiệu có bước sóng lớn hơn, ví như ở bước sóng tán xạ ngược của
tín hiệu Raman. Để lựa chọn đầu thu phù hợp hơn đáp ứng độ nhạy cao trên
bước sóng 607 nm và có hệ số khuếch đại cao đảm bảo khả năng ghi nhận tín
hiệu Raman rất yếu. Chúng tôi lựa chọn đầu thu PMT series H6780 của hãng
Hamamatsu. Trong Hình 2.15 thể hiện các đặc trưng miền phổ đáp ứng, độ nhạy
và dòng nhiễu của PMT series H6780 lựa chọn cho kênh tín hiệu Raman. Ta
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].
a) b)
c)
85
thấy đối với bước sóng của tán xạ Raman 607 nm là khá phù hợp [105], đầu đo
hoạt động ở chế độ hiệu suất gần cực đại.
Để đảm bảo module PMT hoạt động ở chế độ tối ưu chúng tôi tiến hành
chế tạo mạch nuôi theo thiết kế và chỉ số của nhà cung cấp dựa trên module cao
thế C4900 của Hamamatsu. Module PMT đếm photon (R7400U và H6780-20)
của chúng tôi thiết kế vỏ đựng bằng đồng đảm bảo khả năng hạn chế nhiễu điện
tốt, trong Hình 2.16 là PMT H6780-20.
2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ - APD
Nguyên lý hoạt động và đặc trƣng của APD
Đầu thu loại APD có những ưu điểm riêng do hoạt động trên hiệu ứng
quang điện trong của hiện tượng khuếch đại thác lũ của các hạt tải trong miền
lớp tiếp xúc p-n dưới thế đảo được duy trì trên lớp tiếp xúc. APD được sử dụng
rất rộng trong nhiều thiết bị đo bức xạ quang yếu như các hệ lidar hay như các
thiết bị nghiên cứu sự kết hợp của yếu tố quang học yếu. Với mục đích thu tín
hiệu quang yếu có miền đáp ứng phổ từ 200 – 1150 nm, thông thường chúng ta
có 3 lựa chọn khác nhau cơ bản như sau: cấu trúc silicon PIN, cấu trúc
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.
Cửa sổ quang của PMT
Thay đổi hệ số khuếch đại
Khóa điện Cáp tín hiệu
Nguồn nuôi
86
photodiode silicon thác lũ và cấu trúc PMT ống nhân quang điện. Có những ưu
điểm riêng nên APD được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị và ứng dụng
trong khảo sát không gian bằng bức xạ quang [87, 110].
APD có ưu điểm cả về tốc độ đếm (tín hiệu nhanh)
Độ nhạy cao trên miền bước sóng lớn hơn 400 nm.
Hình 2.17 thể hiện hiệu suất lượng tử trong lớp bán dẫn khi hoạt động ở
chế độ thác lũ đối với một số bước sóng khác nhau. Để đạt mục đích có được hệ
số khuếch đại lớn nhất chúng ta cần tạo miền bán dẫn có độ dày lớn nhất có thể
(thông thường là 2/φ) và hệ số phản xạ bề mặt nhỏ nhất. Chỉ số phản xạ sẽ nhỏ
nhất khi chúng ta tìm cách phủ một lớp điện môi lên bề mặt của photodiode với
chiết suất n1 điều chỉnh theo chiết suất của lớp bán dẫn là n2 theo mối liên hệ:
𝑛1 = (𝑛0𝑛2)1/2 trong đó n0 là chiết suất của không khí bằng 1, độ dày quang
học của lớp phủ sẽ là 𝑑 =𝜆
(4𝑛1) (lớp điện môi dày một phần tư bước sóng) hoặc
d có thể bằng lẻ lần độ dày ¼ bước sóng [95].
Hình 2.17: Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới
khác nhau [123].
87
Ví dụ như đối với Si ta có n2 = 3,4 – 3,5 khi đó điều kiện phản xạ đối với
Si3N4 có n1 = 1,8 – 2,0. Do đặc điểm công nghệ mà hầu như tất cả lớp phủ bề
mặt đều được sử dụng là SiO2 có n1 = 1,5. Khi đó hiệu suất lượng tử cực đại tối
ưu hóa cho trường hợp của photodiode bao phủ bởi Si3N4 là 80-90% và với lớp
SiO2 là 70-75%.
Trong Hình 2.18 biểu diễn giản đồ phổ độ nhạy đặc trưng của APD từ 200
nm tới 1300 nm và tại bước sóng ~850 nm thì đầu thu đạt độ nhạy cao nhất
~55A/W, độ dày lớp hấp thụ của photodiode là 30 µm và bề mặt được phủ lớp
chống phản xạ là SiO2, đây chính là đặc trưng của APD chúng tôi sử dụng trong
module đầu thu cho hệ lidar compact với laser 905 nm.
Những yếu tố cần nắm được khi lựa chọn photodiode APD là:
Xác định miền bước sóng đặc trưng của mỗi loại photodiode APD có hệ
số khuếch đại tốt nhất.
Kích thước tối thiểu của đầu thu ứng với cấu hình hệ quang để đảm bảo
tín hiệu được ghi nhận đầy đủ và hiệu quả nhất khi lựa chọn photodiode
APD cả về hiệu quả quang học và hiệu quả kinh tế khi sử dụng PIN hay
photodiode APD.
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].
a) b)
c)
88
Xác định băng tần điện tử của hệ, hệ số khuếch đại và băng thông đó phải
lớn hơn độ rộng phổ tín hiệu cần đo thì khi đó chúng ta mới có thể làm
tăng phẩm chất tín hiệu đo - SNR.
Về thành phần cấu tạo và đáp ứng phổ có thể chia photodiode APD thành
3 loại cơ bản sau: loại photodiode APD Silic có giải phổ đáp ứng là: 300nm tới
1100nm, photodiode APD Germani có giải phổ là: 800 nm tới 1600nm và
InGaAs có giải phổ từ 900 nm tới 1700 nm [127].
2.2. Kỹ thuật đo tín hiệu lidar
2.2.1. Kỹ thuật đo tƣơng tự
Khi tín hiệu quang tới PMT với mật độ photon trên một đơn vị thời gian
lớn thì các electron quang điện phát ra từ cathode sẽ rất lớn (tỉ số điện tử quang
điện trên số photon tới cathode được xác định bằng hiệu suất lượng tử của PMT:
QE). Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là tỉ số của số photoelectron trung bình
phát ra từ photocathode trên số photon trung bình tới photocathode trong một
đơn vị thời gian. Trong trường hợp này khoảng thời gian trung bình giữa các
xung là hẹp hơn độ rộng của các xung hoặc mạch xử lý tín hiệu không đủ nhanh
thì các xung sẽ chồng chập lên nhau và dòng điện tử cuối cùng chúng ta thu
được trên anode sẽ là liên tục và khác không, khi đó PMT hoạt động ở chế độ
tương tự (analog mode). Tín hiệu thu được ở lối ra là sự chồng chập cả những
xung tín hiệu và xung nhiễu.
Mức tín hiệu mạnh
Photon tới
Quang điện tử sơ cấp
Tín hiệu dạng xung
Tín hiệu dạng tương tự
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].
89
Trên Hình 2.20 là cường độ tín hiệu lidar thu nhận ở chế độ tương tự. Tín
hiệu có dạng đường liên tục tương ứng mức cường độ dòng điện sau mạch
khuếch đại của module PMT.
2.2.2. Kỹ thuật đếm photon
Nguyên lý đếm photon của
Xung tín hiệu quang và điện trong chế độ đếm photon được trình bày ở
Hình 2.21, khi ánh sáng tới có cường độ thấp coi như các photon bay tới cathode
Khoảng cách đo (km)
Trục thời gian (µs)
Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng
kênh 1064 nm và 532 nm.
1064 nm 532 nm
Cƣ
ờn
g đ
ộ t
ín h
iệu
(a.u
)
Mức tín hiệu yếu
Photon đi tới PMT
Quang điện tử sơ cấp
Xung tín hiệu ra
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].
90
là riêng biệt. Khi đó xung điện tương ứng là tín hiệu ra ở anode cũng sẽ rời rạc,
hệ đếm hoạt động ở chế độ đếm xung riêng biệt – chế độ đếm photon. Số xung
tín hiệu ra tỉ lệ trực tiếp với số lượng photon tín hiệu tới. Việc đặt mức ngưỡng
thu tín hiệu điện - DL (discrimination level) cho phép loại bỏ nhiễu và sự lệch
chuẩn với mức gốc 0 (offset) của cường độ tín hiệu ở chế độ đếm photon. Chế
độ đếm photon có những ưu điểm vượt trội hơn chế độ tương tự bởi tỉ số tín hiệu
trên nhiễu và độ ổn định cao hơn. Việc xác định các xung này thông qua một
quá trình xử lý số nên chế độ đếm photon được xem như một chế độ số.
Trong Hình 2.22 là ảnh tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon.
Trong kỹ thuật đếm photon hoạt động theo bộ phân tích đa kênh thì chúng ta có
khái niệm bin time, và mức so sánh trên. Bin time được hiểu là khoảng thời gian
mặc định mà các tín hiệu trở về trong khoảng đó được cộng gộp lại và cho ra
một điểm cường độ tín hiệu duy nhất, với chương trình Labview xây dựng cho
hệ lidar nhiều bước sóng chúng tôi đặt bin time bằng 4 ns như vậy độ phân giải
về không gian của chương trình ghi nhận là 1,2 m. Với mỗi lần lấy mẫu, tín hiệu
điện xuất hiện trên đầu ra của ống nhân quang điện phân bố theo thời gian sẽ
được lưu lại trong bộ nhớ tạm thời. Sau đó tùy thuộc mức ngưỡng cường độ trên
do người đo thiết lập, thì các xung có cường độ lớn hơn sẽ được hiểu là xung tín
hiệu. Với bin time là 4 ns, khi đó trong khoảng cách một bin time các xung xuất
hiện mà lớn hơn ngưỡng sẽ được cộng dồn lại và cho một giá trị cường độ tổng
hợp sau đó sẽ gán cho mức cường độ tương ứng với vị trí bin time trên khoảng
đo, khi đó chúng ta xác định được một điểm cường độ tín hiệu trên miền khảo
sát. Khoảng đo dài ngắn và số điểm lấy nhiều hay ít hoàn toàn phục thuộc vào số
điểm lấy mẫu trong mỗi lần đo. Quá trình thu nhận xung photon trở về và ghi
nhận tín hiệu được lặp lại sau mỗi xung laser. Vì đó với chế độ đếm photon để
chất lượng tín hiệu tăng lên chúng ta sẽ thực hiện quá trình lấy tín hiệu lặp lại rất
nhiều lần, tương đương với số xung của mỗi phép đo lên tới hàng nghìn lần lấy
mẫu, tương đương hàng nghìn xung laser. Chính vì lý do đó mà dù cường độ tín
91
hiệu yếu và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố suy hao nhưng nguyên tắc lấy
trung bình thống kê của phép đếm photon vẫn cho tín hiệu cuối cùng rất tốt.
Trong đồ thị Hình 2.22 và các hình tiếp theo trong luận án tôi thường lấy
giá trị trục tung là Log(I.z2), với I là cường độ tín hiệu nghi nhận và z là khoảng
cách quan trắc. Theo phương trình lidar 2.1 chúng ta dễ dàng hiểu được trị số
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.
Cƣ
ờn
g đ
ộ t
ín h
iệu
tỉ
đối
(a.u
)
a)
b)
Khoảng cách đo (km)
Trục thời gian đo (µs)
Log (
I.z2
)
92
I.z2 là đại lượng không còn phụ thuộc vào khoảng cách đo mà tỉ lệ trực tiếp với
tiết diện tán xạ của khối son khí ở khoảng cách z. Log(I.z2) tỉ lệ trực tiếp với mật
độ tâm tán xạ trong môi trường. Ở đây chúng ta luôn vẽ sự biến đổi của I.z2: giá
trị cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng cách, bởi tích số đó giúp
chúng ta loại bỏ ảnh hưởng của khoảng cách tới cường độ tín hiệu nghi nhận.
Hệ lidar hoạt động ở chế độ tương tự được áp dụng với các phép đo thực
hiện trong điều kiện ban ngày, khi cường độ nhiễu nền lớn, đồng nghĩa công
suất phát laser phải lớn. Ngược lại khi hệ hoạt động ở chế độ đếm photon sẽ chỉ
áp dụng quan trắc khí quyển ở điều kiện nền nhiễu thấp, vào thời gian không có
mặt trời, công suất laser nhỏ và ống nhân quang điện (PMT) hoạt động ở chế độ
có hệ số khuếch đại lớn cỡ x106. Ưu điểm nổi trội của kỹ thuật lidar đếm photon
đã được khảng định (về độ nhạy, khả năng giảm nền nhiễu, tăng chất lượng tín
hiệu đo, khoảng xa có thể quan trắc được) vì lý do đó hầu hết các hệ lidar đời
mới hiện này đều hoạt động ở chế độ đếm photon. Vậy câu hỏi đặt ra là làm sao
có thể nâng cấp để hệ đo có thể hoạt động ở chế độ đếm photon trong điều kiện
nền nhiễu lớn? Để trả lời câu hỏi đó chúng ta có thể cải tiến cơ cấu quang hệ thu
nhận. Bằng cách giảm nền nhiễu bằng phin lọc trung tính. Khi giảm nền nhiễu
đồng nghĩa cũng sẽ giảm cường độ tín hiệu, vậy chúng ta sẽ đồng thời phải tăng
cường độ laser kích thích thì mới có thể thỏa mãn cả hai điều kiện trên. Ở đây
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.
Log (
I.z2
) (a
.u)
Khoảng cách (km)
Tín hiệu lidar lúc 7h sáng tại Hà Nội, ngày 8/11/2012
Đường phân tử khí theo mô hình NASA
93
chúng tôi sử dụng phin lọc trung tính giảm cường độ tín hiệu x10-3
lần và ghi
nhận được tín hiệu đếm photon vào 7h sáng ngày 8/11/2012 như Hình 2.12.
Chất lượng tín hiệu khá tốt tới 18 km. Đây là kết quả bước đầu hứa hẹn cho việc
nâng cấp hệ lidar quan trắc thời gian ban ngày sử dụng kỹ thuật đếm photon [10,
99].
2.3. Phƣơng trình lidar
Phương trình lidar cụ thể được viết dưới dạng sau [109]:
𝑃 𝑧 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 . 𝐶. 𝐴. 𝑂 𝑧 . 𝑍−2 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp2 − [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧𝑧
0 (2.1)
Trong đó Plaser là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ, A là
tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng của hệ đo,
𝛽𝑎 𝑧 𝑣à 𝛽𝑚 𝑧 lần lượt là hàm đặc trưng cho hệ số tán xạ ngược của son khí và
phân tử khí, 𝜎𝑎 𝑧 𝑣à 𝜎𝑚 (𝑧) là hệ số suy hao (hay còn được gọi là tiết diện tán
xạ hay suy hao không gian) của son khí và phân tử khí.
Phương trình lidar này được sử dụng để xử lý và phân tích các tín hiệu
lidar với giả thiết tín hiệu lidar chỉ tán xạ một lần trong môi trường và chùm
laser nằm hoàn toàn trong thị trường kính thiên văn. Đối với các môi trường
khảo sát có mật độ quang học lớn, các bó photon bị tán xạ nhiều lần trong môi
trường hoặc chùm laser phát ra ngoài thị trường của kính thiên văn, việc sử dụng
phương trình (2.1) không còn phù hợp. Khi đó, để phân tích và xử lý tín hiệu
lidar trong trường hợp đa tán xạ, ta cần xây dựng các mô hình riêng dựa trên các
lý thuyết tán xạ đối với từng hạt và với cả môi trường tán xạ [87,122]. Trong
luận án tôi chỉ xin dừng lại lý thuyết tán xạ đàn hồi một lần. Lý thuyết tán xạ
một lần và đa tán xạ cũng được nhóm nghiên cứu thực hiện [3] và thấy sự sai
khác không đáng kể giữa hai trường hợp. Vì vậy trong một giới hạn cho phép
việc sử dụng lý thuyết đơn tán xạ là có thể được chấp nhận.
94
Trong phương trình lidar chúng ta cần xác định bốn tham số đó là hệ số
suy hao của son khí, hệ số suy hao của phân tử khí, hệ số tán xạ ngược của phân
tử và hệ số tán xạ ngược của son khí. Vậy chúng ta cần 4 điều kiện biên, tương
đương với 4 nguồn dữ liệu độc lập. Ở đây chúng ta có mật độ phân tử khí tỉ lệ
trực tiếp với hệ số suy hao của phân tử khí qua đó từ tín hiệu radiosonde cho
phép xác định hệ số suy hao của phân tử khí. Chúng ta biết tỉ số giữa hệ số suy
hao và hệ số tán xạ ngược trên phân tử khí là hằng số. Vậy chúng ta cần thêm
hai phép đo độc lập để xác định hệ số suy hao và hệ số tán xạ ngược của son khí.
Đó là cơ sở của việc xây dựng hệ lidar Raman – đàn hồi nhiều bước sóng đã
được đưa ra. Từ tín hiệu Raman cho phép xác định hệ số suy hao của son khí
một cách độc lập và từ tín hiệu tán xạ đàn hồi cho phép xác định hệ số suy hao
của son khí.
2.4. Xử lý tín hiệu lidar
2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu
Trong quá trình xử lý tín hiệu lidar từ file dữ liệu số dạng .txt. Dữ liệu thô
thu nhận trên máy tính thông qua phần mềm Labview kết nối qua cổng USB với
máy tính. Trước khi tính toán các thông số quang đặc trưng của son khí sử dụng
tín hiệu đo này thì từ tín hiệu thô đó chúng ta cần thực hiện 2 bước chuẩn hóa cơ
bản và 2 bước đánh giá chất lượng tín hiệu như sau [51, 52]:
Bƣớc 1: Chuẩn tín hiệu lidar theo thời gian và cường độ:
Dịch chuyển mức trigger của tín hiệu về mốc thời gian 0 và trừ nền gây ra
offset cường độ về mức cường độ 0.
Bƣớc 2: Lấy trung bình nhiều tín hiệu:
Chất lượng tín hiệu sẽ tăng lên khi lấy trung bình nhiều tín hiệu, tuy nhiên
điều này sẽ làm giảm độ phân giải về mặt thời gian đối với đối tượng quan trắc.
95
Tuy nhiên, khi tín hiệu đã được chuẩn hóa trước khi sử dụng việc đánh giá chất
lượng tín hiệu là rất cần thiết. Việc đánh giá chất lượng tín hiệu có hai ý nghĩa
cơ bản là:
Thứ nhất cho phép chúng ta có những đánh giá cho quá trình thiết lập hệ đo,
nhằm mục đích điều chỉnh tối ưu tín hiệu thu nhận trong điều kiện khí quyển
thực tế.
Lựa chọn các số liệu với độ chính xác cao sử dụng để tìm các tham số vật lý
của đối tượng quan trắc, khi đó sai số gặp phải sẽ được giảm thiểu.
Bƣớc 3: Chuẩn hóa tín hiệu theo khoảng cách và so sánh với tín hiệu
radiosonde.
Để đánh giá chất lượng của tín hiệu chúng ta sẽ so sánh đường tín hiệu
đo với một đường tín hiệu khác được đo theo phương pháp độc lập. Theo lý
thuyết tán xạ đàn hồi sự phụ thuộc của tín hiệu đàn hồi xảy ra trên các phân tử
khí trong miền không còn son khí (trên 5 km so với mặt đất) sẽ tỉ lệ với mật độ
phân tử khí tại đó. Vì vậy, việc vẽ đồng thời đường log của cường độ tín hiệu
sau khi loại bỏ sự phụ thuộc vào khoảng cách (I.z2) sẽ cho đường song song
với đường mật độ khí theo số liệu của phép đo radiosonde hoặc theo tính toán
của mô hình chuẩn MSIS-E-90 của NASA, như Hình 2.25 [68].
Bước 4: Tìm đặc trưng tỉ số tín hiệu trên nhiễu đánh giá chất lương tín
hiệu thu nhận
Đánh giá chi tiết hơn chất lượng của tín hiệu lidar chúng tôi tiến hành xác
định tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng biểu thức lý thuyết sau [46]:
𝑆𝑁𝑅 = 𝑃𝑠𝑖𝑔
𝑃𝑠𝑖𝑔 +2𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒 (2.2)
Trong đó SNR - Signal to noise ratio là tỉ số tín hiệu trên nhiễu, Psig là
cường độ tín hiệu trung bình chuẩn hóa theo khoảng cách đo - I.z.z, Pnoise là độ
lệch chuẩn của cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo khoảng cách tuân theo phân
phối chuẩn Gauss. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu là một tham số quan trọng được sử
96
dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu, chất lượng và khả năng quan trắc xa của
mỗi hệ lidar. Khi xử lý tín hiệu lidar xác định các thông số của đối tượng trong
miền quan trắc thường sẽ xét tới khoảng cách có tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn
10.
Trong phép đo lidar để đánh giá chất lượng tín hiệu đo một phương pháp
đơn giản là so sánh đường log(I.z2) với đồ thị phân bố mật độ phân tử (theo mô
hình chuẩn MSIS-E-90 của NASA). Sự phù hợp của đường tín hiệu đo và đường
Tỉ
lệ t
ổn
g x
un
g l
ase
r đ
ếm đ
ƣợ
c
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 90
200
400
600
Height (km)
Co
un
ts
1 2 3 4 5 6 7 8 90
200
400
600
Height (km)
Co
un
ts
1 2 3 4 5 6 7 8 90
200
400
600
Height (km)
Co
un
ts
Khoảng cách đo (km)
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.
10
đơ
n v
ị cƣ
ờn
g đ
ộ
10
đơ
n v
ị cƣ
ờn
g đ
ộ
1
0 đ
ơn
vị
cƣờ
ng đ
ộ
Vị trí 5,5 km
Vị trí 5,5 km
Vị trí 5,5 km
a)
b)
c)
Cƣ
ờn
g đ
ộ t
ín h
iệu
(a.u
)
97
mật độ khí thể hiện trên Hình 2.25 là tốt và cho ta biết chất lượng tín hiệu đo có
thể đáng tin cậy tới khoảng cách ~19 km.
Bên cạnh đó để đánh giá chất lượng tín hiệu chúng ta dựa vào đồ thị tỉ số
tín hiệu trên nhiễu được đưa ra trong Hình 2.26. Từ đồ thị này chúng ta xác định
tín hiệu của phép đo có độ tin cậy khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 1 [46].
Khi tỉ số này nhỏ hơn hoặc bằng 1 thì điều đó có nghĩa để tách tín hiệu ra khỏi
nhiễu trong tổng tín hiệu thu nhận là không thể thực hiện được. Đối với tín hiệu
trong phép đo này tín hiệu tin cậy của chúng ta đạt tới khoảng cách ~19 km.
Chúng ta so sánh với đồ thị trong Hình 2.25 thì từ khoảng cách trên 19 km
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.
Độ cao (km)
Tỉ
số t
ín h
iệu
trê
n n
hiễ
u
Log(I
.z2)
Khoảng cách (km)
Mật độ phân tử khí
5 10 15 20 25
3
4
5
6
Height (km)
log
(I*Z
*Z)
Hình 2.25: Đồ thị so sánh tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử khí theo mô
hình lý thuyết.
Tín hiệu lidar đếm photon
Mật độ phân tử khí
Log(I
.z2)
Độ cao (km)
98
không thấy sự phù hợp tốt giữa đường tín hiệu lidar và đường mật độ phân tử
khí theo mô hình lý thuyết của NASA.
2.4.2. Xác định hàm chồng chập đặc trƣng của hệ lidar
Hàm chồng chập (OV – Overlap function) là hàm không gian đặc trưng
của mỗi hệ lidar, cấu trúc không gian của hệ ảnh hưởng tới tín hiệu trường gần
ghi nhận được. Trong Hình 2.27 là sơ đồ không gian về sự chồng chập trường
của chùm laser và trường nhìn của ống kính quang học. Tại vị trí A khi không
có sự chồng chập của hai trường, giá trị của hàm chồng chập bằng không (trong
khoảng cách từ vị trí A trở về telescope tín hiệu lidar bằng 0), vị trí B là điểm
khi một phần trường của chùm laser chồng chập với trường của telescope nhưng
chưa hoàn toàn (trong khoảng AC: 0 < OF < 1, một phần tín hiệu tán xạ được
ghi nhận, cường độ tín hiệu ghi nhận chỉ là một phần cường độ tán xạ ngược),
tại vị trí C là điểm bắt đầu hàm chồng chập bằng 1: sự chồng chập là hoàn toàn
(từ khoảng cách này trở ra tín hiệu tán xạ không còn phụ thuộc vào đặc trưng
không gian của hệ đo). Hình 2.8 thể hiện cường độ tín hiệu khi chưa kể tới hàm
chồng chập, sau khi tính tới và hàm chồng chập và đồ thị hàm đặc trưng của hệ
đo tương ứng.
Hình 2.27. Sơ đồ không gian chồng chập của chùm tia laser và trường nhìn của
telescope [46].
R
99
Nếu giả thiết trục của chùm tia laser và trục quang của kính thiên văn là
song song thì khoảng cách R mà từ đó tham số đặc trưng OF của hệ lidar sẽ bằng
1, hay nói cách khác chùm tia sẽ hoàn toàn vào trong trường nhìn của telescope.
Khoảng cách R được xác định theo công thức 2.3 sau đây [66]:
𝑅 =𝑙−
𝑑12
+𝑑22
𝜙1−𝜙2 (2.3)
Áp dụng xác định hàm chồng chập của hệ lidar nhiều bước sóng với các
đặc trưng sau: góc mở tia laser YAG: Nd 2 = 0,5 mrad, góc mở trường nhìn
của telescope 1 = 0,75 mrad (đường kính của SF = 3 mm), khoảng cách giữa
trục tia laser và quang trục kính thiên văn là l = 0,6 m, kích thước chùm laser d2
= 6 mm và đường kính ống kính là d1 = 0,2 m. Đối với trường hợp này tại vị trí
R ~2.012 m thì toàn bộ chùm tia laser sẽ nằm trong trường nhìn của telescope
tương ứng vị trí C trong Hình 2.27 và tại đó hàm chồng chập bằng 1. Khi đó
cường độ tín hiệu lidar chuẩn hóa không còn phụ thuộc vào khoảng cách sẽ lớn
nhất (ứng với đỉnh của đồ thị hàm I.z2 vẽ theo khoảng cách đo) và tương ứng với
độ cao tối thiểu hmin để hàm chồng chập - OF đạt giá trị đơn vị. Trong xử lý tín
Hình 2.28: Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên tín hiệu [117].
100
hiệu lidar thì thông tin của tín hiệu trường gần dưới độ cao hmin có thể vẫn cần
để phân tích các đối tượng quan trắc, do vậy việc nâng cao hiệu năng của phép
đo trong miền trường gần là rất quan trọng, đặc biệt trong việc khảo sát lớp son
khí tầng thấp tại Hà Nội.
Đối với hệ đo lidar nhiều bước sóng sử dụng laser YAG: Nd công suất lớn
với mục đích khảo sát đối tượng thuộc lớp cao của tầng đối lưu, như Mây Ti
tầng trên, thì thiết lập hệ đo sẽ ưu tiên hơn cho việc lựa chọn thu nhận tín hiệu
tán xạ đàn hồi từ tầng cao. Chính vì thế mà độ cao tối thiểu của hàm chồng chập
bằng 1 bắt đầu ở vị trí hmin > 2 km. Sau đây tôi xin trình bày vắn tắt về các
phương pháp xác định hàm chồng chập đặc trưng thường được sử dụng:
Về mặt lý thuyết xác định hàm chồng chập chúng ta có thể kể tới 3
phương pháp quen thuộc hay được áp dụng để tìm hàm chồng chập cho các hệ
lidar đó là:
1. Phương pháp Kano – Hamilton dựa theo nguyên lý thống kê hồi quy tín
hiệu ở nhiều góc đo khác nhau của cùng một hệ đo trong điều kiện khí
quyển coi như không có đóng góp của son khí. Phương pháp này được
áp dụng đối với các hệ lidar di động có thể thay đổi góc nghiêng khi thực
hiện phép đo. Và điều kiện khi góc nghiêng thay đổi thì tính chất hệ đo
là không đổi. Điều này là không phù hợp với hệ lidar YAG: Nd khi cấu
trúc bộ truyền và bộ thu là không đồng trục và không thể điều khiển
đồng thời [91].
2. Phương pháp xác định tham số OF bằng thuật toán tương tác - Interactive
method [8, 93].
3. Phương pháp xác định hàm chồng chập sử dụng trực tiếp tín hiệu Raman
của hệ đo trong điều kiện trời trong [47].
Đối với hệ đo tín hiệu trường xa sử dụng laser YAG: Nd vì không thể
đồng bộ cả bộ phát và thu tín hiệu quang nên chúng tôi tiến hành xác định hàm
đặc trưng phân bố trường của hệ bằng phương pháp trực tiếp sử dụng tín hiệu đo
101
Raman của hệ. Tuy nhiên với phép toán xác định này trong bài báo của nhóm
Blbert Ansman [47] đã khẳng định phép toán gần đúng chấp nhận được là khi hệ
số truyền qua của khí quyển trong giới hạn đo phải ≥ 90%. Trong điều kiện trời
trong tại Hà Nội tín hiệu ghi nhận lúc 19h ngày 10 tháng 6 năm 2012 chúng tôi
thu được có hệ số truyền qua của lớp son khí tầng thấp dưới 4 km đạt 92%, như
vậy so với điều kiện của phương pháp tìm hàm chồng chập của nhóm tác giả thì
tín hiệu của hệ đo cho phép đáp ứng tốt.
Tuy nhiên đối với điều kiện khí hậu tại Hà Nội, thời gian bầu khí quyển
trong, tức là sự đóng góp của son khí là rất thấp là cực kì hiếm. Để đảm bảo tín
hiệu lidar được xử lý chính xác ở trường gần thì đặc trưng hàm OF của hệ cần
được cập nhật thường xuyên bởi hệ đo sẽ bị thay đổi do nhiều tác nhân như
nhiệt, cơ học… để giải quyết vấn đề này chúng tôi lựa chọn giải pháp đối với hệ
đo lidar thiết lập tại Viện Vật lý tại phòng riêng biệt và đặt cố định hệ trong thời
gian dài quan trắc. Hạn chế tối đa những ảnh hưởng do nhiệt độ bằng cách duy
trì nhiệt độ ổn định bằng điều hòa ở 25oC. Sử dụng bàn quang học có độ ổn định
cao và gia cố thêm các vật nặng làm tăng trạng thái cân bằng cho chân đế nâng
đỡ hệ lidar. Kết cấu các giá nâng đỡ laser, gương quang học, ống kính telescope
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.
2 4 6 8 10 12 14 16
4
5
6
Height (km)
log
(I*Z
*Z
)
Lidar
Molecular
Tín hiệu radiosonde
Tín hiệu lidar Raman
Log(I
.z2)
Độ cao (km)
102
được siết chặt và hạn chế tối đa sự điều chỉnh khi hệ đã được tối ưu tín hiệu sau
lần đầu thiết lập.
Hệ đo thực hiện đồng thời phép đếm photon trên cả 2 kênh tán xạ đàn hồi
và tán xạ Raman. Tín hiệu tán xạ Raman của khí N2 đạt tới khoảng cách 18 km,
tín hiệu tán xạ đàn hồi Rayleigh tới khoảng cách trên 20 km, như Hình 2.10.
Điều này thể hiện đóng góp của son khí ở tầng thấp trong thời gian thực hiện
phép đo là rất nhỏ. Từ số liệu của phép đo chúng tôi tiến hành xử lý theo
phương pháp tính trực tiếp đặc trưng hàm chồng chập – OF (overlap function)
theo phương pháp của nhóm F. Navas [47] thu được hàm chồng chập của hệ
lidar như trong Hình 2.31 (a).
Hàm chồng chập - overlap đặc trưng cho hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd
thiết lập đo theo phương thẳng đứng được biểu diễn theo đồ thị được vẽ như
trong Hình 2.31 (a), mã chương trình xác định OF của hệ từ tín hiệu Raman
được trình bày trong phụ lục 2.4. Với hệ lidar bố trí mục đích đo trường xa, từ
đồ thị cho phép chúng ta thấy hàm chồng chập của hệ đạt giá trị 1 ở khoảng cách
R ~2,1 km. Từ hàm chồng chập đặc trưng của hệ chúng tôi tiến hành xử lý tín
hiệu lidar đàn hồi trong miền trường gần, như thể hiện trong Hình 31 (b).
Hình 2.30: Tín hiệu đếm photon ghi nhận từ hệ lidar Raman ngày 20/11/2012.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
13
14
15
16
17
Độ cao (km)
Cƣ
ờn
g đ
ộ (
a.u
)
Tín hiệu đàn hồi
Tín hiệu Raman
Tín hiệu radiosonde
103
Với tín hiệu lidar chưa tính tới OF chúng ta chỉ được phép sử dụng đến
khoảng cách Rmin, tại đó vị trí khi hàm chồng chập của hệ bằng 1, với hệ lidar
của chúng tôi theo tính toán hình học thì Rmin ~2 km. Từ tín hiệu Raman của hệ
ta tính được vị trí OF đạt giá trị một đơn vị là ở khoảng cách 2,1 km. Điều này
thể hiện hệ trục tương quan giữa chùm laser và telescope là không hoàn toàn
song song, mà có góc mở nào đó. Dưới khoảng cách Rmin tín hiệu sẽ là không
đáng tin cậy, thực sự tín hiệu tán xạ ngược khi đó chỉ là một phần năng lượng
photon quay trở lại. Khi tín hiệu được chuẩn hóa, kể tới hàm đặc trưng overlap,
thì khoảng tín hiệu tin cậy đạt tới vị trí ~450 m. Vị trí đó chúng ta có thể suy ra
là điểm có cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo khoảng cách đạt giá trị cực đại như
trong Hình 2.31 (b).
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].
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
1
2
3
4
5
Overlap function
He
igh
(k
m)
0 2 4 6 8 10 12 140
200
400
600
800
Height (km)
I.z.z
Signal without overlapfunction
Signal with overlapfunction
a)
b
)
Độ c
ao (
km
)
Giá trị hàm chồng chập
I.z2
Độ cao (km)
104
2.4.3. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp Mây Ti tầng cao
Trong thực nghiệm có nhiều phương pháp để xác định độ cao đỉnh của
lớp son khí bề mặt cũng như độ cao của lớp Mây Ti tầng cao. Một trong các
phương pháp phổ biến là: phương pháp đạo hàm – gradient, đưa ra bởi nhóm tác
giả Flamant [48, 102], phương pháp phân tích sự thay đổi được đưa ra bởi nhóm
Hooper and Eloranta [123], hay như phương pháp đánh giá phương sai của
nhóm tác giả Brooks [73].
Xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi tổng quát (2.1) có dạng
𝑃 𝑧 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 . 𝐶. 𝐴. 𝑂 𝑧 . 𝑍−2 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp −2 [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧𝑧
0
Chuẩn hóa tín hiệu theo khoảng cách đo và các tham số đặc trưng của hệ
ta có biểu thức sau:
𝑋 𝑧 =𝑃 𝑧 .𝑍2
𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 ..𝐶.𝐴.𝑂 𝑧 = 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp −2 [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧
𝑧
0 (2.4)
Khi đó hàm X(z) là một hàm tỉ lệ với mật độ son khí và phân tử khí tại
khoảng đo z. Theo khái niệm về vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt là điểm uốn
gây ra sự tụt dốc mạnh của mật độ son khí kể từ mặt đất. Vậy đơn giản chúng ta
lấy đạo hàm biểu thức X(z) theo đối số z
H 𝑧ℎ =∆𝑋
∆𝑧= min
𝑑𝑋 𝑧
𝑑𝑧 (2.5)
Tại vị trí zh thảo mãn phương trình 2.6 chính là tọa độ đỉnh lớp son khí bề
mặt được xác định theo phương pháp gradient được nhóm tác giả Flamant đưa
ra. Cụ thể hơn như trong Hình 2.32 chúng ta thấy đặc điểm tín hiệu và đồ thị
hàm xác định vị trí đỉnh lớp son khí theo phương pháp gradient.
105
Với Mây Ti chúng ta cũng tiến hành các bước tương tự, đáy của lớp mây
là đỉnh cực đại và đỉnh của lớp mây là vị trí cực tiểu trong biểu thức lấy đạo hàm
đó. Chương trình Matlab được trình bày trong phần phụ lục 2.5. Kết quả xác
định phân bố độ cao đỉnh lớp son khí tầng thấp được nhóm chúng tôi công bố
trong bài báo [16] và độ cao lớp Mây Ti tầng trên được công bố trong bài báo
[19] ở các tạp chí chuyên ngành.
2.4.4. Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển
Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar tổng quát 2.1 trong đó tích phân:
𝑂𝐷 = [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧𝑧
0 (2.6)
OD (Optical Depth) được hiểu là độ sâu quang học của lớp khí nằm trong
khoảng cách từ vị trí đặt hệ lidar tới khoảng cách đo z.
𝑇 = 𝑒𝑥𝑝 −2 [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧𝑧
0 (2.7)
Biểu thức 2.7 xác định hệ số truyền qua T (transmission factor) của miền
khí quyển từ mặt đất tới khoảng cách z. Mã chương trình xác định độ sâu quang
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].
Độ c
ao (
km
)
106
học của son khí theo tín hiệu lidar trong khoảng đo z được trình bày chi tiết
trong phụ lục 2.6.
2.4.5. Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu Raman
Trong mục này chúng ta tìm hiểu về lý thuyết toán mà hiện tượng tán xạ
phi đàn hồi - tán xạ Raman tuân theo. Ví dụ với tán xạ Raman của phân tử khí
Ni tơ kích thích ở bước sóng kích 532 nm và tán xạ ở bước sóng 607 nm. Đóng
góp tán xạ ngược tại bước sóng đặc trưng của khí Ni tơ 607 nm được đặc trưng
bởi hệ số tán xạ ngược 𝛽𝑁 𝜆𝑁 , 𝑧 . Trong khi đó đóng góp vào yếu tố suy hao của
tín hiệu quay về gồm cả suy hao do phân tử và đóng góp của son khí ở bước
sóng kích công với sự suy hao ở bước sóng tán xạ ngược đặc trưng Raman theo
chiều về của cả hai yếu tố đó. Phương trình lidar cơ bản cho hiện tượng tán xạ
Raman tuân theo là [109]:
𝑃 𝜆𝑁 , 𝑧 = 𝑃 𝜆0 . 𝐶 𝜆0, 𝜆𝑁 . 𝐴.𝑂 𝑧
𝑍2. 𝛽𝑁 𝜆𝑁 , 𝑧 .
𝑒𝑥𝑝 − 𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆𝑁 , 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆𝑁 , 𝜉 𝑑𝜉𝑧
0 (2.8)
Trong đó z là khoảng cách đo, 𝑃 𝜆0 là công suất chùm laser phát đi tại
bước sóng kích thích 532 nm, 𝐶 𝜆0, 𝜆𝑁 là hằng số chuẩn hóa cho hệ đo, A là
tiết diện mặt của telescope, 𝑂 𝑧 là hàm chồng chập đặc trưng theo thiết kế
quang hệ, 𝛽𝑁 𝜆𝑁 , 𝑧 = 𝑁𝑁 𝑧 .𝑑𝜎𝑁(𝜋)
𝑑Ω là hệ số tán xạ ngược, 𝑁𝑁 𝑧 𝑣à
𝑑𝜎𝑁 (𝜋)
𝑑Ω là
mật độ khí Ni tơ trong khí quyển và tiết diện tán xạ Raman vi phân đặc trưng
của khí Ni tơ tương ứng tại bước sóng 𝜆𝑁 khi kích bởi bước sóng 𝜆0,
𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆𝑁 , 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆𝑁 , 𝜉 là hệ số suy hao của
phân tử, của son khí lần lượt tại hai bước sóng kích thích và bước sóng tán xá
ngược: (𝜆0) và (𝜆𝑁), 𝑃 𝜆𝑁 , 𝑧 là công suất tín hiệu quay về ứng với bước sóng
Raman đặc trưng của Ni tơ tại khoảng đo z.
Từ đó chúng ta có thể suy ra biểu thức xác định hệ số suy hao của son khí
là [109]:
107
𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝑧 =
𝑑
𝑑𝑧
𝑁𝑁 𝑧
𝑃 𝜆𝑁 ,𝑧 .𝑧2 −𝛼𝑚𝑜𝑙𝑠𝑐𝑟 𝜆0 ,𝑧 −𝛼𝑚𝑜𝑙
𝑠𝑐𝑟 (𝜆𝑁 ,𝑧)
1+(𝜆0𝜆𝑁
)𝑛 (2.9)
Trong đó 𝑁𝑁 𝑧 , 𝛼𝑚𝑜𝑙𝑠𝑐𝑟 𝜆0, 𝑧 𝑣à 𝛼𝑚𝑜𝑙
𝑠𝑐𝑟 (𝜆𝑁 , 𝑧) lần lượt là mật độ khí Ni tơ,
hệ số suy hao gây ra bởi khí Ni tơ trong khí quyển tại bước sóng kích thích 𝜆0
và tại bước sóng dịch chuyển Raman 𝜆𝑁. Ở biểu thức 2.9 xuất hiện mẫu:
1 + (𝜆0
𝜆𝑁)𝑛 thể hiện sự đóng góp vào hệ số tán xạ ngược do sự khác nhau về kích
thước của son khí với bước sóng kích thích. Nếu kích thước hạt xấp xỉ bước
sóng ánh sáng kích thích ta lấy n = 1 ví dụ đối với các giọt nước nhỏ, nếu các
hạt tán xạ là các tinh thể băng có kích thước rất lớn so với bước sóng kích thì n
được lấy bằng 0 [6,109].
Ở đây mật độ khí Ni tơ có được theo dữ liệu Radiosonde, hệ số suy hao
đặc trưng của khí Ni tơ chúng ta cũng đã có lý thuyết tính toán tại bước sóng
kích thích 532 nm và bước sóng đặc trưng Raman 607 nm. Vì vậy từ tín hiệu tán
xạ Raman hoàn toàn có thể tính được hệ số suy hao của son khí trong miền khảo
sát. Chương trình tính toán hệ số suy hao của son khí từ tín hiệu Raman được tôi
đưa ra trong phụ lục 2.7.
2.4.6. Xác định hệ số tán xạ ngƣợc của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi
Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi (2.1):
𝑃 𝑧 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 . 𝐶. 𝐴. 𝑂 𝑧 . 𝑍−2 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp −2 [𝜎𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚 (𝑧)]𝑑𝑧𝑧
0
Từ đó chúng ta biến đổi giải tích có được phương trình tìm hệ số tán xạ
ngược của son khí biến đổi theo các đại lượng khác theo phương trình sau:
Biểu thức cuối cùng tôi đưa ra đây là biểu thức xác định hệ số tán xạ
ngược khi đã biết hệ số suy hao của son khí:
𝛽1 𝐼 − 1 =𝑋(𝐼−1)
𝑋 (𝐼)
𝛽1(𝐼)+𝑆1[𝑋 𝐼 +𝑋(𝐼−1)]∆𝑧
(2.10)
Khi mà hệ số suy hao được xác định như sau:
108
𝜎1 𝐼 − 1 =𝑋(𝐼−1)
𝑋 (𝐼)
𝜎1(𝐼)+[𝑋 𝐼 +𝑋(𝐼−1)]∆𝑧
(2.11)
Trong đó X biểu diễn tường minh ở biểu thức 2.4. Áp dụng phương pháp
tìm hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của son khí tại Hà Nội bằng thuật toán
trên chúng tôi xây dựng trên nền tảng ngôn ngữ Matlab, chi tiết chương trình tôi
trình bày trong phần phụ lục 2.8.
2.4.7. Xác định tỉ số lidar đặc trƣng của son khí
Từ hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao được xác định độc lập theo dữ
liệu của hai phép đo Raman và tín hiệu đàn hồi của cùng hệ lidar nhiều bước
sóng trong cùng một thời điểm. Tôi tiến hành tìm tỉ số lidar đặc trưng của lớp
son khí tầng thấp theo biểu thức:
𝑆𝜆0
𝑎𝑒𝑟 𝑧 = 𝛼𝜆0
𝑎𝑒𝑟 𝑧 ./𝛽𝜆0
𝑎𝑒𝑟 (𝑧) (2.12)
Và chương trình số viết để xác định tỉ số này được trình bày trong phụ lục 2.9.
2.4.8. Xác định tỉ số khử phân cực của son khí
Tỉ số khử phân cực (depolarization ratio) - Δ được định nghĩa bằng tỉ số
của tín hiệu theo phương phân cực vuông góc với tín hiệu theo phương phân cực
song song, theo biểu thức sau [125]:
Δ = 𝑃⊥
𝑃∥ (2.13)
Hướng phân cực của tín hiệu thu về được gọi là song song hay vuông góc
so với hướng phân cực của chùm laser phát đi. Để xác định hướng phân cực của
chùm tia laser chúng tôi sử dụng một bản kính 𝜆/2 đặt trước chùm laser phát đi
để sử dụng trong quá trình chuẩn hệ số khuếch đại hai kênh phân cực. Để phân
tách tín hiệu theo hai kênh phân cực song song và vuông góc trước khi tới hai
đầu thu, chúng tôi sử dụng một bản tách chùm phân cực, cho phép tách chùm tín
hiệu theo phương phân cực. Chùm tín hiệu đi thẳng có phương phân cực song
song so với phương phân cực của chùm tia laser và một chùm tia phản xạ vuông
109
góc có phương phân cực vuông góc so với phương phân cực ban đầu của chùm
laser. Sơ đồ khối và đặc điểm cấu tạo của các linh kiện quang trong hệ lidar
phân cực được trình bày chi tiết trong mục 2.1.1 của luận án.
Phép đo tín hiệu phân cực được thực hiện trên một hệ đo ở chế độ tương
tự. Tín hiệu đo được chuẩn hóa theo cường độ tín hiệu tán xạ ngược tại khoảng
cách ~10 km, khi mật độ son khí bằng không. Khi chuẩn hóa tín hiệu tức là
chúng ta làm phép so sánh với mục đích hiệu chuẩn hệ số khuếch đại giữa hai
kênh đo và tìm mức khuếch đại phù hợp giữa hai kênh đo. Chương trình xác
định tỉ số khử phân cực được trình bày trong phụ lục 2.10.
2.4.9. Đánh giá sai số của các thông số đặc trƣng
Đối với mỗi hệ đo tín hiệu yếu việc đánh giá chất lượng tín hiệu, tìm hiểu
các nguyên nhân gây ra sai số, đóng góp của sai số do từng nguyên nhân và sai
số tổng hợp sẽ cho chúng ta thông tin về độ tin cậy của tham số khi sử dụng các
thông số khảo sát đánh giá đối tượng. Hiểu biết về nguồn gốc gây ra sai số phép
đo cũng cho phép chúng ta từng bước khắc phục những nguyên nhân gây ra sai
số, nâng cấp chất lượng hệ đo cũng như áp dụng các thuật toán phù hợp để tìm
giá trị vật lý đặc trưng của đối tượng.
Ở đây phương pháp xác định sai số dựa trên quá trình gây ra và thu
nhận tín hiệu của hệ lidar, từ khi tín hiệu lidar tương tác với đối tượng trong
khí quyển, và tiếp tục là các quá trình gián tiếp chuyển đổi từ photon thu
thành tín hiệu số ghi nhận của hệ đo. Như vậy chúng ta có thể hiểu được
những tác nhân ảnh hưởng trực tiếp tới tín hiệu thu nhận đó là: khí quyển, ánh
sáng nền và các tham số đặc trưng của hệ thu. Sai số gặp phải phát sinh do
chính đặc tính về cường độ của tín hiệu lidar thu nhận, do quá trình lan truyền
photon tán xạ, do sự có mặt và biến động của mật độ phân tử khí, các tham số
hiệu chuẩn hệ đo [22, 103].
110
Chúng tôi xây dựng phương trình giải tích dựa theo nguyên tắc của nhóm
tác giả [32], cuối cùng tôi xin trình bày ngắn gọn kết quả cuối cùng của giá trị
sai số gặp phải đối với tham số tỉ số lidar như sau:
Khi đó biểu thưc cuối cho phép xác định sai số của tỉ số lidar viết lại [103]:
𝛿𝑅
𝑅
2=
𝛿𝑠
𝑠
2+
𝛿𝑞
𝑞
2+
𝛿𝐹𝑀
𝐹𝑀
2+
𝛿𝐹𝑀∗
𝐹𝑀∗ − 2
𝐶𝐹𝐹∗2
𝐹𝑀𝐹𝑀∗+
𝛿𝑅𝑚𝑖𝑛
𝑅𝑚𝑖𝑛
2 (2.14)
Trong biểu thức 2.14 thể hiện đầy đủ các nguyên nhân gây ra nhiễu và
mức đóng góp vào nhiễu tổng thể của tín hiệu lidar xác định tỉ số tán xạ ngược
giữa tán xạ toàn phần và tán xa phân tử khí, .
Ở đây chúng ta cần hiểu nguyên nhân gây ra các sai số thành phần được
kể tới:
𝛿𝑠
𝑠
2 là sai số gây ra bởi hệ thu nhận tín hiệu.
𝛿𝑞
𝑞
2 là sai số hàm truyền gây ra do các tác nhân mà bức xạ kích thích và
tín hiệu đàn hồi gặp trên quá trình lan truyền trong khí quyển.
𝛿𝐹𝑀
𝐹𝑀
2 là sai số gây ra do mật độ phân tử thay đổi trong quá trình ghi
nhận tín hiệu.
𝛿𝑅𝑚𝑖𝑛
𝑅𝑚𝑖𝑛
2 là sai số gây ra do việc chọn điểm thấp nhất coi như không có sự
tham gia của son khí.
Trong nội dung này tôi xin trình bày ngắn gọn về phương pháp đánh giá
các nguyên nhân sinh ra nhiễu, trình bày kết quả giải tích để phục vụ việc viết
chương trình số phân tích nhiễu tín hiệu gặp phải trong việc xác định tỉ số lidar
từ tín hiệu của hệ đo đa kênh xây dựng tại Viện Vật lý. Kết quả cụ thể tôi sẽ
trình bày và thảo luận trong chương 3 khi viết về kết quả quan trắc các đại lượng
đặc trưng của lớp son khí tầng thấp sử dụng hệ đo xa đa kênh nhiều bước sóng.
111
2.5. Kết luận chƣơng II
Trong chương II, chúng tôi trình bày nguyên lý hoạt động, cấu trúc, kỹ
thuật xây dựng hệ lidar Raman phân cực nhiều bước sóng và hệ lidar nhỏ sử
dụng laser diode bên cạnh đó chúng tôi cũng trình bày lý thuyết, các chương
trình tính toán số xác định các tham số quang học đặc trưng của son khí trong
tầng khí quyển.
1. Trình bày nguyên lý, cấu trúc hệ lidar Raman phân cực nhiều bước sóng.
Nghiên cứu, phát triển, tối ưu hệ lidar Raman phân cực xây dựng lần đầu tiên
tại Việt Nam, phục vụ mục đích quan trắc các thành phần son khí trong khí
quyển tới độ cao trên 20 km. Chúng tôi tập trung nghiên cứu, tối ưu về cấu
trúc quang học, cấu trúc điện tử của hệ lidar này đáp ứng mục đích ghi nhận
tính hiệu quang yếu hoạt động ở chế độ đếm photon với kênh tín hiệu
Raman, ở chế độ đo tương tự hoặc đếm photon với kênh tín hiệu đàn hồi theo
hai phương phân cực khác nhau.
2. Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn, dễ điều
chỉnh, giá rẻ sử dụng laser diode công suất cao cho phép quan trắc lớp son
khí bề mặt và có khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao ở phân bố dưới 10
km trong mọi điều kiện thời tiết vào thời gian ban đêm.
3. Sự khác biệt của hệ lidar nhỏ gọn và di động là kết hợp sử dụng laser diode
hoạt động ở tần số ~1,25 kHz, với độ rộng xung ~70 ns, công suất trung bình
~9,7 mW. Hệ đầu thu quang điện sử dụng là diode quang thác lũ – APD
S9251 – 15 hoạt động ở chế độ Geiger, khi được làm lạnh tới nhiệt độ -20oC
bằng bộ làm lạnh sử dụng Pin nhiệt điện hai lớp và buồng hút ẩm. Đầu thu
hoạt động ở mức thế ngược -138V đảm bảo mức nhiễu dưới 2.103 xung/giây.
Ăng ten quang học sử dụng là telescope loại nhỏ LX200 EMC đường kính 20
cm loại Cassegrain.
4. Với tuổi thọ của laser diode có thể lên tới hàng chục nghìn giờ (laser đang sử
dụng có tuổi thọ ~14.000 giờ) cho phép hệ đo hoạt động liên tục trong thời
112
gian lâu dài (~3 năm) và chi phí duy trì cực thấp sẽ đặc biệt phù hợp với điều
kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại Việt Nam.
5. Tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu trúc khối điện tử và sự khác
biệt giữa chế độ ghi nhận tín hiệu tương tự, chế độ đếm photon của hệ lidar
trên cơ sở sử dụng đầu thu là ống nhân quang điện PMT hoặc diode quang
thác lũa APD đưa ra điều kiện hoạt động phù hợp với đối tượng đo cụ thể
nhằm đạt chất lượng tín hiệu tối ưu.
6. Trong thời gian tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển hệ lidar quan
sát trường gần theo các mục đích sau:
Tăng công suất laser diode, tăng độ nhạy của đầu thu nhằm tối ưu hệ
lidar nhỏ gọn và khả năng di động, tăng chất lượng tín hiệu quan trắc
lớp khí quyển tầng thấp.
Sử dụng nhiều loại laser diode công suất cao phát ở các bước sóng
khác nhau cho phép xây dựng hệ lidar nhiều bước sóng có khả năng
quan trắc sự phân bố kích thước hạt son khí trong không gian trường
gần biến đổi theo thời gian [43, 44].
Nghiên cứu xây dựng hệ lidar nhỏ có tính năng quét 3 chiều, tự động
xử lý dữ liệu, xác định các thông số vật lý đặc trưng của đối tượng
quan trắc theo thời gian thực.
7. Trong chương này, chúng tôi trình bày chi tiết các bước chuẩn hóa tín hiệu,
các chương trình số xác định các tham số quang học đặc trưng của son khí
viết trên ngôn ngữ Matlab. Áp dụng xác định các thông số vật lý đặc trưng
quan trọng của son khí trong miền quan trắc tại Hà Nội. Đồng thời phân tích
ý nghĩa của các thông số đặc trưng cho hệ đo, các thông số quang đặc trưng
cho đối tượng đo.
8. Các thuật toán sử dụng khai thác dữ liệu từ các hệ lidar quan trắc môi trường
cho tới thời điểm hiện tại là khá hoàn chỉnh về cơ sở lý thuyết toán học. Tuy
nhiên, việc tìm hiểu nghiên cứu và chủ động xây dựng lại các chương trình
xử lý số là một nhiệm vụ cần thiết đối với nhóm nghiên cứu khi bắt đầu hoàn
113
toàn mới trong lĩnh vực này. Trong thời gian tiếp sau chúng tôi sẽ tiếp tục
tìm hiểu và xây dựng các chương trình tính toán số nhằm khai thác cơ sở dữ
liệu lidar xác định các thông số đặc trưng khác của đối tượng son khí được
quan trắc như đặc trưng phân bố kích thước, đặc trưng phân bố mật độ...
114
CHƢƠNG III
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của lớp son khí tầng thấp
Chiếm tới 50% tổng lượng son khí trong khí quyển tập trung dưới độ cao
5 km, lớp son khí bề mặt Trái Đất có ý nghĩa quan trọng trong mô hình khí
quyển của trái đất và ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng khí của sinh quyển tại
đó. Trong chương III chúng tôi trình bày chi tiết về các tính chất và vai trò của
lớp son khí bề mặt trái đất, những kết quả thực nghiệm nghiên cứu được khai
thác từ dữ liệu quan trắc bằng hệ lidar Raman phân cực đa kênh được xây dựng
lần đầu tiên tại Việt Nam.
Cấu trúc lớp khí quyển trái đất đã được trình bày chi tiết trong chương
đầu tiên của luận án. Trong nội dung chương 3 chúng tôi sẽ trình bày những kết
quả nghiên cứu cụ thể được nhóm áp dụng với đối tượng son khí trường gần trái
đất. Lớp son khí tầng thấp được hiểu là phần vật chất hạt bụi, mù, sương… tồn
tại gần bề mặt trái đất thường phân bố trong khoảng độ cao từ 0 ÷ ~5 km. Trong
khoảng không gian quan trắc này được phân ra thành hai lớp: lớp dưới gần bề
mặt trái đất khoảng 1,5 km sẽ được gọi là lớp son khí bề mặt và phần còn lại
được gọi là lớp son khí tự do tầng thấp từ ~1,5 km đến ~5 km [28, 30, 48, 116,
119].
3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 3.1 là đồ thị của tín hiệu sau khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo.
Vị trí đỉnh của lớp son khí được hiểu là vị trí sườn dốc xuống của cường độ son
khí khi bắt đầu suy giảm đột ngột. Vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt sẽ được xác
định theo phương pháp đạo hàm - gradient đã được trình bày trong chương 1
của luận án. Kết quả của phương pháp đạo hàm này được thể hiện cụ thể trong
Hình 3.5 áp dụng đối với 3 tín hiệu lidar đàn hồi trường gần, tại ba thời điểm
115
khác nhau trong một ngày, cho phép xác định vị trí và sự thay đổi độ cao đỉnh
của lớp son khí bề mặt theo thời gian[72].
Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật toán đạo hàm, tín
hiệu tán xạ ngược đàn hồi sẽ được chuẩn hóa theo tọa độ [48]. Trong Hình 3.1 a
tôi đưa ra đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu đã chuẩn hóa theo độ cao. Từ đồ thị
3.1 a sẽ chỉ ra vị trí đỉnh của lớp son khí tầng thấp tương ứng đối với tín hiệu đo
thể hiện trong hình 3.1 b.
3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode
Phép đo tín hiệu tán xạ đàn hồi sử dụng hệ lidar nhỏ thực hiện quan trắc
lớp son khí bề mặt vào thời gian ban đêm, khi nhiễu nền do tán xạ của bức xạ
mặt trời không còn nữa. Một kết quả điển hình của hệ đo được thực hiện lúc 20h
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.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
-500
0
500
Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi
0 0.5 1 1.5 2 2.50
0.5
1
1.5
2x 10
4
a)
b)
Độ cao (km)
I
.z2 (
a.u
)
H(z
) (a
.u)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
116
ngày 4 tháng 7 năm 2012, tại thời điểm quan trắc lớp son khí bề mặt có mật độ
thấp chúng ta hiểu đó là một ngày trời khá trong. Tín hiệu ghi nhận thấy có sự
xuất hiện của Mây Ti tầng cao ~7 km, điều đó thể hiện điều kiện đo có khí
quyển trong và chất lượng tín hiệu ghi nhận có độ phẩm chất cao. Sau khi chuẩn
hóa cường độ tín hiệu theo độ cao chúng ta thấy được miền son khí lớp bề mặt
tồn tại dưới độ cao ~1,5 km như trong Hình 3.2.
Trước khi xác định thông số độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt từ tín
hiệu lidar sử dụng laser diode 905 nm, chúng tôi đánh giá chất lượng tín hiệu
của phép đo bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu như trong Hình 3.3. Đối với tín hiệu
lidar sử dụng laser diode năng lượng nhỏ chúng ta thấy chất lượng tín hiệu hoàn
toàn đáng tin cậy trong khoảng đo dưới 3,5 km hoặc trong miền tồn tại Mây Ti
~6,5 km – 7,5 km. Trên khoảng cách 3,5 km là miền son khí tự do tồn tại với
mật độ hạt thấp do đó tín hiệu tán xạ Mie giảm mạnh. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
được đánh giá bằng thuật toán và sử dụng chương trình xử lý số xây dựng theo
lý thuyết của nhóm tác giả B. Heese và cộng sự được thể hiện trong Hình 3.3.
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.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20
10
20
30
40
50
60
Khoảng cách (km)
I.z2
Lớp son khí bề mặt
117
Trên khoảng cách miền son khí bề mặt, trên ~2 km cho tới vị trí dưới lớp
Mây Ti ~6,5 km, chúng ta thấy có sự sụt giảm mạnh tín hiệu tán xạ ngược. Điều
này dễ hiểu bởi tại đó là miền son khí tự do có mật độ cư trú thấp. Ở đó tín hiệu
tán xạ đàn hồi ngược trở về giảm mạnh bởi đóng góp của tín hiệu tán xạ
Rayleigh là chủ yếu, mà bước sóng dài 905 nm sẽ cho cường độ tán xạ rất nhỏ,
cường độ tán xạ trên phân tử khí tỉ lệ với 𝜆−4 [103], điều đó giải thích tại sao
chúng ta không sử dụng lidar YAG bước sóng 1064 nm khảo sát khí quyển miền
tự do dù công suất phát tại bước sóng đó lớn hơn rất nhiều so với công suất phát
tại bước sóng 532 nm. Tuy nhiên với đầu thu APD phân giải đơn photon đang
mở ra một bài toán thú vị là kết hợp hệ lidar YAG công suất cao phát bước sóng
1064 nm sử dụng đầu đo APD mới để quan trắc các lớp mây tầng cao. Với mục
đích nâng cấp, cải tiến với mong muốn khai thác tối đa hiệu năng của hệ lidar và
cơ sở vật chất hiện có của nhóm cho mục đích quan trắc môi trường từ xa.
Sử dụng chương trình tính toán số viết bằng ngôn ngữ Matlab, phụ lục
2.5, theo phương pháp Gradient xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt.
Trong Hình 3.4 chúng ta thấy độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt vào thời điểm đo
tồn tại ở vị trí ~1,45 km. Tại đó ứng với cực tiểu của đồ thị H 𝑧ℎ =∆𝑋
∆𝑧=
𝑑𝑋
𝑑𝑍
(như trong công thức 2.5) phụ thuộc vào khoảng cách đo.
Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2.
1 2 3 4 5 6 7 8
2
4
6
8
10
Vị trí tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng 1
Khoảng cách
Tỉ
số t
ín h
iệu
trê
n n
hiễ
u
118
3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Kết quả về sự thay đổi độ cao đỉnh của lớp son khí có liên quan trực tiếp
với quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời trong ngày, đã được trình bày trong bài báo
[19] của nhóm tác giả, như hình 3.5. Trong kết quả công bố ở bài báo [19] của
nhóm nghiên cứu chúng tôi đi tới một số kết luận về độ cao của lớp son khí
trung bình trong ngày, sự tăng lên của độ cao đỉnh lớp son khí vào thời gian nửa
đầu ban ngày và giảm vào thời gian nửa chiều, tối và đêm. Quá trình đó được lý
giải bởi quá trình hấp thụ và bức xạ năng lượng của mặt trời. Kết quả về độ cao
của lớp son khí xác định ~1,2 km là khá phù hợp với những kết quả nghiên cứu
khác ở những vị trí địa lý có nhiều điểm tương đồng so với Hà Nội như các công
bố [25, 29, 54].
Trong Hình 3.5 thể hiện độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội vào
ngày 27/5/2011 vào 3 thời điểm khác nhau: 10 giờ sáng, 4 giờ chiều và 20 giờ
tối. Kết quả từ hệ đo lidar thể hiện quy luật nâng cao độ cao đỉnh của lớp son khí
bề mặt vào thời gian buổi sáng đầu thời gian chiều và hạ thấp vào thời gian nửa
cuối ngày vào ban đêm.
Hình 3.4: Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt.
Vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt
Khoảng cách (km)
𝐇 𝒛
𝒉
=𝒅𝑿
𝒅𝒛
119
Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí đặt
hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực. Từ tín hiệu lidar đàn hồi
chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao theo thời gian, điều
đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ cao và theo thời gian. Sự
phân tầng và độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt thay đổi thể hiện sự tồn tại các tầng
son khí nhiễu loạn với mật độ khác nhau trong khoảng miền quan trắc và sự thay
đổi liên tục độ cao đỉnh lớp bề mặt chứng tỏ vai trò của quá trình đối lưu khí
quyển gây ra do năng lượng bức xạ mặt trời. Quy luật tăng độ cao vào buổi sáng
và giảm vào buổi chiều đối xứng tại đỉnh bức xạ của mặt trời vào khoảng 14h
giờ địa phương. Quy luật này là hợp lý bởi bức xạ mặt trời vào ngày nắng sẽ đạt
đỉnh vào giữa trưa, năng lượng hấp thụ sẽ làm tăng nhanh quá trình đối lưu làm
nâng cao khối son khí gần bề mặt. Đến thời gian nửa cuối ngày khi năng lượng
I.Z
2
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].
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
HEIGHT(Km)
GR
AD
IEN
T O
F P
(Z).
Z2
Lidar Signal: 27 MAY 2011 HA NOI
10 Am
4 Pm
8 Pm
1,215m345m
285m
Độ cao (km)
∆𝑿
/∆𝒛
120
lưu dữ trong khối khí giải phóng và hạ nhiệt độ khiến tỉ trọng khối khí tăng và
hạ thấp độ cao.
3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao
Sử dụng phần mềm xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt cho toàn bộ
tín hiệu ghi nhận trong toàn thời gian quan trắc ban đêm của hệ lidar diode ở
bước sóng 905 nm. Chúng ta sẽ nhận được đồ thị như trong Hình 3.7 về sự biến
đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt theo thời gian thực.
Chúng tôi đã sử dụng hệ lidar mini quan trắc liên tục lớp son khí bề mặt
trong thời gian ban đêm tại Hà Nội. Từ số liệu quan trắc chúng tôi đi tìm sự thay
đổi độ cao lớp son khí bề mặt theo thời gian thực. Tín hiệu quan trắc cho thấy sự
phân bố độ cao đỉnh lớp son khí có xu thế giảm theo thời gian ở khoảng đầu
Vị trí đỉnh lớp son khí tầng
thấp
Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian
thưc trong ngày.
Độ c
ao (
km
)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Lớp mây tầng thấp
Thời gian địa phƣơng (Hà Nội, ngày 27/5/2011 )
121
ngày, đạt cực tiểu vào khoảng thời gian 01h đến 03h và tăng nhẹ vào đầu giờ
sáng – bình minh khi có bức xạ nhiệt của mặt trời của ngày mới. Thời điểm thực
hiện phép đo là những ngày trời nắng của mùa thu Hà Nội – ngày 06/10/2012,
khi nhiệt độ ở mặt đất có sự thay đổi mạnh giữa đêm và ngày. Sự thay đổi này
chúng ta có thể lý giải như sau: Vào ban ngày năng lượng bức xạ mặt trời gây ra
hoạt động khuếch tán mạnh trong lớp son khí tồn tại ở bề mặt do đối lưu đưa lên
cao. Về đêm khi nhiệt độ xuống thấp và xảy ra sự bức xạ năng lượng ở chính
các đám son khí (hiện tượng hấp thụ tại bề mặt trái đất) và lớp mặt đệm môi
trường làm chúng hạ nhiệt và đồng thời hạ độ cao, khiến mật độ son khí ở sát
mặt đất tăng thể hiện ở màu sắc cường độ tín hiệu chuyển dần thành đỏ hơn khi
độ cao đỉnh lớp son khí giảm. Lớp son khí sát mặt đất trở nên dày đặc hơn vào
thời điểm nửa đêm về sáng, từ 1h đến 3h. Và đến đầu giờ bình minh (~4 h) thì
lớp son khí có xu thế tăng độ cao do sự đối lưu bởi bức xạ năng lượng mặt trời.
Từ thông số quan trắc lớp son khí tầng cao bằng hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode
cho phép chương trình xử lý số liệu tự động xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề
mặt.
Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày
6/10/2012.
Độ c
ao (
km
)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Mây tầng cao
22 01 04 Giờ địa phƣơng
122
3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode
Trong phần này chúng tôi tiến hành so sánh kết quả dữ liệu đo của hệ
lidar nhỏ với kết quả ghi nhận từ hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd công suất cao
hoạt động ở kênh bước sóng 532 nm đo theo phương thẳng đứng quan trắc đồng
thời tại Viện Vật lý. Trong Hình 3.8 là tín hiệu ghi nhận đối với hệ lidar sử dụng
laser công suất cao YAG: Nd và hệ lidar sử dụng laser diode công suất nhỏ. Hệ
lidar sử dụng laser diode hoạt động tại bước sóng 905 nm được thiết lập đo theo
phương hợp với phương ngang góc 75o. Sau khi tín hiệu đã được chuẩn hóa theo
góc thiên đỉnh và khoảng cách được thể hiện trong Hình 3.8. Trong cả hai tín
hiệu ghi nhận của hai hệ lidar chúng ta đều thấy sự tồn tại của lớp son khí
trường gần với độ cao đỉnh ~1,5 km và sự tồn tại của lớp mây tầng cao ở độ cao
Phép đo thực hiện với hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd 532 nm
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.
Độ c
ao (
km
)
20h 22h 24h
Phép đo thực hiện với hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm
123
~3 km. Kết quả của hai phép đo này là hoàn toàn phù hợp và đáng tin cậy đối
với cả hệ lidar nhiều bước sóng sử dụng laser YAG: Nd công suất lớn và hệ
lidar sử dụng laser diode năng lương nhỏ.
Sự khác biệt xảy ra giữa hai tín hiệu là do vị trí đặt của hai hệ khác nhau,
đối tượng quan sát là khác nhau. Hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd được đặt tại
tầng 9 của tòa nhà 2H và quan trắc theo phương đứng. Hệ lidar sử dụng laser
diode được đặt tại tầng 7 và quan sát theo phương hợp với phương ngang một
góc 75o. Trong thời gian tới chúng tôi tiếp tục cải tiến với mục đích thiết kế một
hệ lidar quét 3 chiều tự động và nhỏ gọn phục vụ nghiên cứu và đạo tạo dựa trên
cơ sở hệ lidar sử dụng laser diode này.
3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học
Tôi lựa chọn tín hiệu lidar quan trắc vào hồi 20h ngày 21 tháng 11 năm
2012, ngày đó có sự tồn tại son khí với mật độ thấp, không có sự đứt gẫy đột
ngột về mật độ trong khoảng cách dưới 5 km, như trên hình 3.9. Trong đồ thị
chúng ta thấy rõ sự phù hợp tốt giữa 3 đường tín hiệu trong miền không gian
trên 5 km, điều đó thể hiện chất lượng tín hiệu của hệ đo ghi nhận là đáng tin
cậy. Ở khoảng cách dưới 5 km khi có sự xuất hiện của son khí trong lớp bề mặt
Độ cao (km)
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].
Tín hiệu tán xạ đàn hồi
Tín hiệu tán xạ Raman
Tín hiệu radiosonde
Log (
I.z2
) (a
.u)
124
ta thấy cường độ tín hiệu đàn hồi tăng mạnh ngược lại cường độ tín hiệu Raman
lại suy giảm do đóng góp hấp thụ ở bước Raman 607 nm của lớp son khí này.
Độ sâu quang học OD – Optical Depth được xác định bằng biểu thức 2.6
trong chương 2 của luận án. Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng
bức xạ quang bị mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian
truyền qua của bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây
ra bởi môi trường. Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ
mặt đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương
đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%. Thông số độ
sâu quang học cho phép xác định tỉ lệ phần trăm năng lượng bị hấp thụ tại bước
sóng khảo sát. Qua đó chúng ta có thể đánh giá vai trò của lớp son khí tầng thấp
trong quá trình hấp thụ năng lượng mặt trời và là thông số quan trọng được quan
tâm trong các mô hình theo dõi và dự báo sự biến đổi khí quyển [24, 28, 89, 97,
100].
3.4. Đặc trƣng suy hao
Sử dụng chương trình xử lý số liệu, trực tiếp từ tín hiệu Raman chúng ta
tìm được hệ số suy hao của son khí trong lớp tầng thấp. Đây là một ngày điển
hình về sự đóng góp với mật độ lớn của lớp son khí dưới 5 km. Đỉnh của lớp son
Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào
ngày 20h ngày 31/10/2012.
2 4 6 8 10 12 140
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Op
tic
al
de
pth
Height (Km)
Độ s
âu
qu
an
g h
ọc
Khoảng cách (km)
Lớp son khí tầng thấp
125
khí bề mặt ở độ cao dưới 1 km và trên đó trong khoảng từ 2 km tới 3,5 km tồn
tại một lớp son khí có mật độ thấp hơn phân bố khá đối xứng theo dạng Gauss
đạt đỉnh suy hao ở độ cao ~2,7 km với hệ số suy hao ~0,16 km-1
, như trong Hình
3.11. Phép đo thực hiện vào lúc 20h ngày 21 tháng 11 năm 2012 tại Hà Nội trên
kênh tín hiệu Raman, kết quả này được nhóm tác giả công bố trong công trình
[20], kết quả này là khá phù hợp với một số kết quả của các nhóm nghiên cứu
khác trên thế giới trong các công bố [74] và [78].
3.5. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc
Sử dụng chương trình số xây dựng trên thuật toán độc lập sử dụng tín hiệu
tán xạ ngược đàn hồi từ hệ lidar nhiều bước sóng chúng tôi xác định hệ số tán xạ
ngược của lớp son khí tầng thấp trong khí quyển. Trong Hình 3.12 là ví dụ về sự
thay đổi của hệ số tán xạ ngược đối với lớp son khí tầng thấp theo độ cao. Kết
quả được rút ra từ tín hiệu tán xạ đàn hồi thu nhận trên hệ lidar nhiều bước sóng
đối với kênh tán xạ đàn hồi theo phương phân cực song song tại bước sóng 532
nm, kết quả này là hoàn toàn phù hợp với những kết quả công bố của một vài
nhóm tác giả trong các bài báo như [74, 82…].
Độ
sâu
qu
ang
học
Khoảng cách (km)
Hình 3.11: Hệ số suy hao của son khí tầng thấp tại Hà Nội lúc 20 h ngày 21
tháng 11 năm 2012.
1 1.5 2 2.5 3 3.50.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Khoảng cách (km)
Hệ
số s
uy h
ao (
km
-1)
126
3.6. Đặc trƣng tỉ số lidar
Từ giá trị của hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược chúng ta xác định tỉ số
lidar đặc trưng của son khí tầng thấp trong phép đo lúc 20h ngày 21 tháng 11
năm 2012, thực hiện tại Hà Nội. Chúng ta có thể đánh giá đó là ngày trời khá
trong (với hệ số truyền qua khoảng 50%), các thông số quang đặc trưng của lớp
son khí tầng thấp nhỏ hơn giá trị trung bình đối với đối tượng son khí phổ biến ở
đô thị, thông thường giá trị tỉ số lidar xấp xỉ 50 như một số công bố sau đây: [74,
78, 82, 93, 106].
Độ
sâu
qu
ang
họ
c
Khoảng cách (km)
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.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
25
30
35
40
45
50
55
Khoảng cách (km)
Tỉ
số l
idar
Độ
sâu
qu
ang
học
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.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
2
3
4
5
x 10-3
Khoảng cách (km)
Hệ
số t
án
xạ n
gƣ
ợc
(km
-1)
127
Tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí dưới 3,5 km tại thời điểm phép đo
nhận giá trị 40 ± 11, giá trị trên so sánh với những kết quả của các công bố khác
chúng ta nhận thấy trị số thu được tại Hà Nội xấp xỉ giá trị ghi nhận tại một số
thành phố trẻ khác trên thế giới như Bắc Kinh là 38 ± 7, các thành phố nam Ấn
Độ là 47 ± 6 nhưng lại thấp hơn so với các trung tâm thành phố đã lâu đời của
châu Âu có giá trị 53 ± 11.
Chúng ta có thể đánh giá gì về tham số tỉ số lidar? Tỉ số lidar được hiểu là
tỉ số giữa năng lương quang được tán xạ ngược so với năng lượng quang bị suy
hao do môi trường gây ra. Tỉ số lidar càng nhỏ thể hiện đóng góp của hạt son khí
làm suy giảm năng lượng quang truyền qua càng lớn hay nói cách khác mức độ
mù của son khí và khả năng làm giảm tầm nhìn càng tăng hoặc chúng ta có thể
hiểu điều đó tương ứng với mức độ ô nhiễm của khí quyển càng cao. Để thảo
luận chính xác và thuyết phục hơn chúng ta cần chỉ ra được mật độ son khí là
bao nhiêu, thành phần gồm những loại hạt gì, phân bố kích thước và phân bố
chiết suất của lớp son khí trong miền quan trắc… Đây là những kết quả bước
đầu đáng ghi nhận của nhóm chúng tôi khi khai thác dữ liệu từ hệ lidar Raman
nhiều bước sóng được xây dựng tại Hà Nội từ năm 2011.
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].
Các khu vực đƣợc nghiên cứu Lớp tỷ số lidar
Bụi đô thị
Trung tâm châu Âu (EARLINET)
Thành phố đông Á (ACE 2)
Vùng bắc Mỹ (AERLINET)
PBL
FT
FT
53 ± 11
45 ± 9
39 ± 10
Son khí vùng đông/nam Á
Vùng bắc Ấn (INDOEX)
Vùng nam Ấn (INDOEX)
Vùng nam Á (INDOEX)
Vùng nam Trung Quốc (PRD)
FT
FT
FT
PBL
65 ± 16
37 ± 10
51 ± 20
47 ± 6
128
Phía bắc Trung Quốc (Beijing) PBL 38 ± 7
Hanoi PBL 40 ±11
Planetary boundary layer (PBL): lớp khí bề mặt trái đất; free troposphere (FT) : lớp
son khí tự do phía trên (độ cao trên 1,5 km tới 5 km)
3.7. Kết luận chƣơng III
Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu trường gần từ hệ lidar
Raman nhiều bước sóng và hệ lidar mini sử dụng laser diode ở bước sóng 905
nm khảo sát các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km. Từ các
chương trình số xác định đặc trưng phân bố không gian biến đổi theo thời gian
của các tham số vật lý đặc trưng như: độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt, độ sâu
quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar.
Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian thường dưới 5
km.
Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary layer) tồn tại ở độ cao ~1,5 km.
Hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị trung
bình 40 ± 11, kết quả này là khá phù hợp với điều kiện đô thị Hà Nội và so
sánh với một số đô thị khác theo công bố của các nhóm nghiên cứu như tại
Bắc Kinh phía bắc Trung Quốc chỉ số đó là: 38 ± 7, tại một số thành phố
nhỏ tại châu Âu trị số đó là: 53 ± 11.
Đây là những kết quả nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam
trên hệ đo Raman phát triển tại Viện Vật lý. Những kết quả này đã được công bố
trong các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả.
129
CHƢƠNG IV
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của mây Ti tầng cao
Lớp mây Ti tầng cao là lớp son khí tầng trên chúng là một mắt xích trong
chu trình tuần hoàn nước của khí quyển. Tuy nhiên do đặc điểm phân bố trải
rộng lên tới trên 30% diện tích phủ bề mặt trái đất và thường trong khoảng độ
cao từ 6 km tới 20 km, chúng giữ một vai trò đặc biệt quan trọng như lớp áo bảo
vệ trái đất trước bức xạ trực tiếp của mặt trời, chúng là lớp son khí dày đặc phía
ngoài cùng trong lớp khí quyển trái đất. Với ý nghĩa đó, lớp mây Ti tầng cao
được chúng tôi lựa chọn là đối tượng quan trắc, nghiên cứu trong chương này
bằng kỹ thuật lidar. Từ đó chúng tôi tiến hành xác định các thông số quang đặc
trưng cơ bản của lớp mây Ti như: đặc trưng phân bố không gian của lớp mây,
đặc trưng độ dày, độ sâu quang học, đặc trưng khử phân cực… và sự thay đổi
các tham số đó theo thời gian trong năm 2011.
4.1. Đặc trƣng phân bố không gian
4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 4.1 chúng ta có thể thấy rõ sự phân bố độ cao đỉnh của lớp mây Ti là
khá ổn định và đó chính là vị trí gần với mức phân tầng giữa tầng đối lưu và
tầng bình lưu của khí quyển quanh trái đất. Trong Hình 4.2 chúng ta cũng có thể
thấy tùy vào điều kiện hình thành và thời điểm quan trắc mây, như đối với ngày
23/9/2011, mây Ti là các dải mỏng có hình dạng biến đổi như lông đuôi ngựa
hoặc có khi rất dày và phân bố đều trong một lớp không gian lớn trong khí
quyển như trong ngày 7/6/2011 và dày tới 5 km. Để rõ hơn chúng ta sẽ đi khảo
sát kết quả về sự thay đổi độ cao của lớp mây theo các ngày đo khác nhau và
phân bố nhiệt độ của lớp khí quyển tại khu vực tìm thấy mây Ti.
130
Để xác định sự phân bố của lớp mây Ti tầng cao và mối liên hệ độ cao
của đỉnh lớp mây so với lớp phân tầng tropopause trước tiên chúng ta xét tới kỹ
thuật xác định độ cao của mây Ti, kỹ thuật này tôi đã trình bày chi tiết trong bài
báo [19], ở đây tôi xin đưa ra hình ảnh mô tả nguyên lý của thuật toán xác định
độ cao đỉnh và đáy của lớp mây trong Hình 4.2.
11
13 15
17
1
3 1
4 15
17
Height of top
Height of base
Height of top
Height of base
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].
Độ c
ao (
km
)
Giờ địa phƣơng (07 tháng 6 năm 2011)
Giờ địa phƣơng (23 tháng 9 năm 2011)
Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây
Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây
131
Bằng chương trình số viết trên ngôn ngữ Matlab tôi xác định độ cao trung
bình của đỉnh lớp mây Ti tầng cao, độ cao lớp phân tầng khí quyển theo tổng số
lần quan trắc mây Ti thực hiện trong năm 2011 và số liệu radiosonde cung cấp
bởi Trung tâm Viễn thám Quốc gia. Kết quả này được liệt kê trong Bảng 4.1 sẽ
được phân tích và so sánh với một số địa điểm khác trong các công bố của
những nhóm nghiên cứu khác trên thế giới sẽ được đưa ra thảo luận trong Bảng
4.2.
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].
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].
Nhiệt độ (oC)
Log
(I.
Z.Z
) Độ cao đỉnh lớp mây Ti tầng cao: 15,8 Km
Độ cao đáy lớp mây Ti tầng cao: 14 Km
Tầng đối lƣu hạn 16,7 Km
Độ cao (km)
Độ c
ao (
km
) L
og(I
.z2)
(a.u
) a
)
b
)
132
Đặc trƣng mây Ti Giá trị trung bình Khoảng thay đổi
Độ cao đỉnh lớp mây Ti 14.3 km 11,8 tới 16,5 km
Độ cao trung bình lớp mây Ti 13,4 km 12,5 tới 14,3 km
Độ dày lớp mây Ti 1,7 km 0,3 tới 3,8 km
Nhiệt độ tại đỉnh lớp mây Ti -65oC -79,3
o tới -46
oC
Kết quả thống kê trên đây được rút ra trong tổng số 165 ngày đo, rải rác
trong 12 tháng trong năm 2011, chiếm 45% trong tổng số ngày của năm. Tổng
số ngày đo có tín hiệu xa trên 15 km, tức là có thể phát hiện mây Ti, là 25 ngày
chiếm 15%. Trong đó số ngày phát hiện mây Ti là 14 ngày chiếm 56%. Ta thấy
khí quyển của Hà Nội rất nhiều ngày có mưa và mù điều đó đã ngăn cản phép đo
xa, bởi tín hiệu lidar bị lớp son khí ở tầng thấp hấp thụ mạnh tín hiệu chùm laser
gửi đi cũng như những tín hiệu tán xạ ngược trở về của các đối tượng tầng cao.
Những kết quả nghiên cứu ở đây chỉ cho phép chúng ta đưa ra những đặc trưng
cơ bản của mây Ti tại vị trí quan sát tại Hà Nội và so sánh với những nghiên cứu
khác mà không thể để đưa ra những kết luận mang tính thống kê, cũng như kết
luận mang tính quy luật về đối tượng mây Ti tồn tại trong khí quyển trên bầu
trời Hà Nội.
5 6 7 8 9 10 1110
12
14
16
18
20
He
igh
t (k
m)
Months in 2011
Lidar data
Averaged center altitude
Cirrus center altitude
Độ c
ao (
km
)
Các tháng trong năm 2011
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.
Độ cao trung bình tâm lớp
mây Ti
Độ cao tâm lớp mây Ti
Số liệu lidar
133
Từ hình 4.3 và 4.4 chúng ta có thể có một vài nhận xét như sau:
1. Độ cao đỉnh của lớp mây Ti có xu thế giảm nhẹ vào các tháng cuối năm.
2. Độ dày trung bình của lớp mây có xu thế giảm dần vào các tháng cuối
năm và khá ổn định trong những tháng cuối năm.
3. Độ cao lớp phân tầng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có độ cao tăng
nhẹ vào cuối năm.
4. Khoảng cách giữa đỉnh lớp mây Ti tầng cao và lớp phân tách giữa hai
tầng khí quyển đạt giá trị ~3 km và tăng nhẹ vào các tháng cuối năm.
Để giải thích cho những nhận xét trên đây chúng ta có thể suy đoán
nguyên nhân là do đặc thù thời tiết ở bắc bộ nói chung và Hà Nội nói riêng vào
thời gian mùa hè, từ tháng 4 tới tháng 9, có nền nhiệt độ cao nên hoạt động đối
lưu xảy ra mạnh mẽ dẫn tới chu trình tuần hoàn của nước diễn ra nhanh hơn,
thời gian tạo thành mây nhanh quá trình tạo mây và nâng cao tạo độ mây nhanh,
độ dày trung bình của lớp mây biến động, thường là nhỏ và độ cao phân bố có
xu thế giảm nhẹ so với thời gian cuối năm. Mùa hè có nền nhiệt cao nên nhìn
chung sự đối lưu mạnh sẽ làm lớp khí quyển được đẩy lên cao hơn, điều này
chúng ta cũng sẽ thấy phù hợp với những số liệu đo trực tiếp bằng bóng thám
5 6 7 8 9 10 1116
16.5
17
17.5
18
18.5
Months in 2011
Heig
ht
(km
)
Height of Troposphere
Averaged line
Các tháng trong năm 2011
Độ c
ao (
km
)
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].
Độ cao trung bình
lớp đối lƣu hạn
Độ cao
lớp đối lƣu hạn
134
không của trung tâm viễn thám Quốc Gia, vào mùa hè độ cao của lớp đối lưu
hạn bị đẩy lên cao hơn so với các thời điểm khác của năm. Do vậy khoảng cách
giữa lớp đỉnh của mây Ti tầng cao và phân tầng lớp đối lưu hạn giảm nhẹ vào
mùa hè và tăng nhẹ vào mùa lạnh cuối năm.
Vào các tháng cuối năm, nền nhiệt trung bình thấp, quá trình đối lưu xảy
ra chậm hơn. Thời gian luân chuyển của hơi nước và quá trình tạo mây lâu hơn.
Thời gian tồn tại của các hạt son khí trong khí quyển dài hơn. Do đó trời mù và
rất khó quan sát thấy mây Ti, còn khi quan sát thì các đám mây thường có độ
dày rất lớn phân bố ở độ cao lớn hơn.
Kết hợp Hình 4.3 và Hình 4.4 ta thấy có sự khác biệt về quy luật biến đổi
độ cao của lớp mây Ti và đỉnh tầng đối lưu theo thời gian trong năm. Độ cao
đỉnh của tầng đối lưu được hiểu là vị trí điểm uốn của đường nhiệt độ khí quyển
thay đổi theo độ cao. Từ mặt đất lên cao nhiệt độ giảm dần trong tầng đối lưu và
tăng trong tầng bình lưu. Đối với vị trí của Hà Nội (21°01′42″ Bắc, 105°51′12″
Đông), nằm trong miền nhiệt đới của trái đất, vị trí trung bình của tầng đối lưu
thường dao động quanh vị trí 17 km, cao hơn so với những vùng vĩ tuyến ôn đới
và hàn đới. Ví dụ như vùng Hefei của Trung Quốc (31.90o Bắc, 117.16
o Đông)
có độ cao tầng đối lưu hạn trung bình năm là 14 km [122].
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 400
5
10
15
20
25
Temperature (C)
He
igh
t (k
m)
Height of Tropopause
Top height of Cirrus clouds
Radiosonde data for 24 September 2011
Nhiệt độ (oC)
Độ c
ao (
km
)
Hình 4.5: Sự biến đổi nhiệt độ trong tầng đối lưu và bình lưu từ tín hiệu
radiosonde [19].
Độ cao lớp phân tầng
số liệu Radiosonde
Độ cao đỉnh
lớp mây Ti
Tín hiệu
Radiosonde
135
Từ đồ thị Hình 4.6 và Hình 4.7 chúng ta thấy có sự tương đồng về quy
luật phân bố độ cao tương ứng với nhiệt độ của lớp mây Ti và của đỉnh tầng đối
lưu theo nhiệt độ trên bầu khí quyển. Cả hai đều có xu thế giảm độ cao khi nhiệt
độ của chúng tăng.
Xu thế nâng độ cao của đỉnh lớp mây Ti và giảm độ cao của lớp phân tầng
khí quyển theo thời gian trong năm tại Hà Nội được thể hiện trong Hình 4.8. Và
khoảng cách trung bình giữa 2 đối tượng là cách nhau ~3 km (Hình 4.9). Để
thấy rõ hơn sự biến đổi khoảng độ cao và dẫn tới sự thay đổi khoảng cách giữa
5 6 7 8 9 10 11-90
-80
-70
-60
-50
-40
Months in 2011
Tem
pera
ture
(C
)
Meteorological and lidar data
Tropopause
Cirrus
Trend of Tropopause: -82 C
Trend of Cirrus: -65 C
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -4511
12
13
14
15
16
17
Temperature of cirrus
He
igh
t (k
m)
Top height of Cirrus
Averaged Height
Nhiệt độ (oC)
Độ c
ao (
km
)
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].
Độ cao trung bình
đỉnh lớp mây Ti
Độ cao đỉnh lớp mây Ti
theo tín hiệu Lidar
-85 -84 -83 -82 -81 -80 -79 -78 -77 -76 -7515
16
17
18
19
Temperature (C)
He
igh
t (k
m)
Meteorological data
Height of Troposphere
Averaged data
Số liệu Radiosonde
Độ cao trung bình lớp
đối lƣu hạn
Độ cao lớp đối lƣu hạn
theo tín hiệu Radiosonde
Nhiệt độ (oC)
Độ c
ao (
kn
)
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.
136
lớp tropopause và đỉnh của mây Ti chúng ta theo dõi Hình 4.9. Chúng ta thấy
một quy luật tăng khoảng cách tương đối giữa hai lớp vào thời gian cuối năm.
Để đưa ra một quy luật và đi tìm lời giải thích chính xác cho sự biến động này
chúng ta cần có thời gian quan trắc cũng như cần sự khảo sát trong thời gian dài
hơn nữa những đặc trưng liên quan của đối tượng. Trong thời gian làm luận án
với cơ sở dữ liệu còn hạn chế tôi chưa đưa ra thêm những kết luận có tính quy
luật về sự biến đổi độ cao đỉnh lớp mây Ti tầng cao, độ cao lớp phân tầng đối
lưu và mối liên hệ khoảng cách giữa chúng. Đi tìm quy luật bất biến cho mối
quan hệ này thực sự là vấn đề nghiên cứu thú vị hấp dẫn với nhóm nghiên cứu
chúng tôi.
5 6 7 8 9 10 1110
12
14
16
18
20
He
igh
t (k
m)
Months in 2011
Meteorolory and lidar data
Average data of cirrus: 15 Km
Top height of cirrus
Average data of tropopause: 17 Km
Height of tropopause
Các tháng trong năm 2011
Độ c
ao (
km
)
Hình 4.8: Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn và đỉnh lớp mây Ti theo thời
gian trong năm 2011.
Độ cao lớp đối lƣu hạn và đỉnh
lớp mây Ti tầng cao
Kết hợp dữ liệu Radiosonde và số liệu lidar
5 6 7 8 9 10 110
1
2
3
4
5
6
Dif
fere
nc
e o
f h
eig
ht
(km
)
Months in 2011
Distance between tropopose and cirrus
Slope of distance
Average of distance = 2 [Km]
Hình 4.9: Sự thay đổi khoảng cách giữa đỉnh lớp mây và lớp đối lưu hạn.
Các tháng trong năm 2011
Kh
oản
g c
ách
(k
m)
Khoảng cách trung bình giữa lớp đối lƣu
hạn và đỉnh mây Ti tầng cao
Xu thế thay đổi
khoảng cách
137
Ở đây chúng tôi cũng khảo sát đặc trưng về độ dày của lớp mây Ti như
Hình 4.10. Độ dày lớp mây giảm khi nhiệt độ của lớp mây tăng, mà nhiệt độ lớp
mây tăng đồng nghĩa với độ cao lớp mây sẽ giảm tương đối tức là độ dày lớp
mây sẽ tăng khi độ cao giảm. Như nhận định trên về xu thế giảm nhiệt độ của
lớp mây theo thời gian trong năm vậy chúng ta có thể dễ nhận ra một quy luật là
độ dày lớp mây sẽ giảm theo các tháng trong năm. Điều này chúng ta có thể có
sự giải thích cơ bản là: do quá trình đối lưu diễn ra mãnh liệt trong thời gian đầu
năm (khoảng tháng 4) rơi vào mùa mưa ở Hà Nội và sự hình thành mây Ti diễn
ra nhanh hơn và cùng với sự hình thành là quá trình bốc lên cao của mây. Do đó
sự hình thành mây nhanh hơn và độ cao lớp mây sẽ thấp hơn, tốc độ hình thành
và giải phóng mây diễn ra nhanh hơn. Ngược lại với thời gian cuối năm khi tổng
nền nhiệt của khí quyển thấp do bức xạ của mặt trời vào mùa đông mà quá trình
hình thành và giải phóng mây lâu hơn chính vì đó thời gian tạo mây lâu và độ
cao lớp mây duy trì cũng sẽ cao hơn.
Ở đây tôi đưa ra đồ thị cột tổng kết số trường hợp phát hiện mây Ti trong
năm 2011. Tỷ trọng xuất hiện của mây Ti tại bầu trời Hà Nội là khoảng 56% là
cao hơn so với những tổng kết của nhiều nghiên cứu về mây Ti, thời gian xuất
hiện và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của bề mặt trái đất là khoảng 30% [36].
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -450
1
2
3
4
Th
ick
ne
ss (
km
)
Temperature (C)
Lidar data
Thickness of Cirrus clouds
Trend of cirrus thickness (Average: 1.7 Km)
Hình 4.10: Sự thay đổi độ dày hình học của lớp mây Ti trong năm 2011 theo
nhiệt độ.
Nhiệt độ (oC)
Độ d
ày (
km
)
Độ dày lớp mây Ti
Xu thế thay đổi độ dày của mây Ti
138
Mà thực tế thời gian và khả năng cho phép đo xa tại Hà Nội là rất hạn chế bởi
điều kiện trời thường xuyên có mù và mưa. Do đó, kết luận về tần xuất phát hiện
mây Ti chỉ là tham khảo.
Để kết luận cho kết quả khảo sát của nhóm về các đặc trưng vĩ mô của
mây Ti chúng tôi xin tổng kết các kết quả và có so sánh với những kết quả của
những nhóm nghiên cứu khác về cùng đối tượng thực hiện tại nhiều nơi khác
nhau trên thế giới để thấy sự giống và khác nhau. Trong đó nổi trội hơn hẳn là
sự phù hợp giữa các thông số về mây Ti ở Hà Nội và Indoex. Những kết quả này
là khá tương đồng tuy có sự khác biệt và sự khác biệt đó có thể đưa tới với nhiều
nguyên nhân khác nhau, phức tạp và cần thêm nhiều thời gian và công sức
nghiên cứu để có thể so sánh và đánh giá cụ thể hơn.
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].
Địa điểm Buenos Aires Punta Arenas
Immler et
al., 2002
Prestwick
Immler et al.,
2002
OHP(fall)
Goldfarbet
al., 2001
SLC.
Sassenand
Campbell,
2001
INDOEX
Seifertet al.,
2007
Hà Nội
(210N,1050W)
2011
Tọa độ địa lý 34.1°S
58.5°W
53.1°S
71°W
55.5°N
4.1°W
44°N
6°E
41°N
112°W
4.1°N
73.3°E
21°01′42″N
105°51′12″E
Độ cao đáy (km) 9.63(0.92) 8.8(7.9) 8.3(8.5) 9.3 8.5 11.9(1.6) 12.5(0.95)
11 12 13 14 15 16 170
1
2
3
4
Nu
mb
er
of
cases
Height (km)
Hình 4.11: Số trường hợp phát hiện mây Ti trong năm 2011 tại Hà Nội [19].
Độ cao (km)
Số t
rƣờ
ng h
ợp
139
Độ cao đỉnh (km) 11.82(0.86) 9.5 9.6 10.7 11.1 13.7(1.4) 14.3(0.99)
Độ dầy lớp mây (km) 2.41(0.95) 1.4 1.2 1.4 1.9 1.8(1.0) 1.7(0.73)
Khoảng cách giữa đỉnh
lớp mây và lớp đối lưu
hạn (km)
0.38(0.25) 1.7 1.0 0.8(0.2) 0.4 _ 2.8(0.85)
Nhiệt độ đỉnh lớp mây -64.5(3.6) -49 -48 -56 -65(11) -65(7)
Nhiệt độ lớp đối lưu hạn - 60.6(4.2) _ _ _ _ -81(4) -82(1.1)
4.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode
Vào những ngày trời trong, mật độ son khí tầng thấp nhỏ, cho phép ghi
nhận tín hiệu tán xạ ở khoảng cách xa hơn. Đặc biệt khi có sự xuất hiện của lớp
son khí mật độ cao (lớp mây Ti tầng cao) cho phép hệ đo lidar dễ dàng phát hiện
được lớp mây Ti ở độ cao trên 6 km, thuộc loại mây Ti tầng cao.
Chuẩn hóa tín hiệu theo độ cao chúng ta thấy rõ hơn rất nhiều tín hiệu tán
xạ ngược của hệ đo tại vị trí lớp mây Ti tầng cao tồn tại ở vị trí ~7 km. Độ dày
lớp mây Ti lên tới ~1 km hệ đo vẫn có thể phát hiện được, điều này là một kết
quả vượt mong đợi của nhóm nghiên cứu khi năng lượng xung laser diode là rất
nhỏ ~ 8mJ/xung, công suất trung bình 9,7 mW. Điều này có thể được lý giải bởi
đầu thu APD của chúng tôi hoạt động rất tốt tại bước sóng 905 nm và tỉ số tín
hiệu trên nhiễu của toàn hệ đo là khá tốt khi đầu đo được làm lạnh sâu.
Độ cao (km)
Hình 4.12. Tín hiệu đếm photon trên hệ lidar sử dụng laser diode khảo sát mây
Ti tầng cao.
Cƣ
ờn
g đ
ộ t
ín h
iệu
(a.u
)
Mây Ti tầng cao
Lớp son khí tầng cao
140
Để thấy rõ hơn hình ảnh lớp mây Ti, trong Hình 4.13 là đồ thị cường độ
tín hiệu ghi nhận của hệ lidar sử dụng laser diode sau khi đã được chuẩn hóa
theo khoảng cách.
Trong Hình 4.14 là đồ thị cho phép xác định phân bố không gian của lớp
mây Ti theo độ cao bằng chương trình tính toán số được viết bằng ngôn ngữ
Matlab, phụ lục 2.5, sử dụng phương pháp Gradient. Tại thời điểm quan trắc lớp
mây Ti phân bố ở độ cao từ 6,42 km – 7,15 km, độ dày ~0,73 km. Ở độ cao này
lớp mây được gọi là mây Ti tầng cao vì có độ cao trên 6 km [71]. Lớp mây tồn
tại ở độ cao này thường khó phát hiện hơn vị trí phía trên ở khoảng 12 km, bởi ở
vị trí giữa tức là chúng đang trong quá trình hình thành và sẽ di chuyển lên độ
cao ổn định phía trên gần lớp phân tầng đối lưu hạn ~12 km.
Hình 4.14: Xác định độ cao lớp mây Ti.
1 2 3 4 5 6 7-20
-10
0
10
20
dx/d
z
Độ cao (km)
Đỉnh lớp mây Ti
Đáy của lớp mây Ti
Lớp mây Ti phân tầng định xứ ở độ cao 7 km
Hình 4.13: Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách.
Độ cao lớp mây Ti
I.z
2 (
a.u
)
Vị trí đỉnh lớp mây Ti
Vị trí đáy lớp mây Ti
141
Từ đồ thị Hình 4.13 chúng ta thấy lớp mây Ti phân thành hai lớp rõ rệt, lớp
dưới dầy hơn và có mật độ cao hơn so với lớp phía trên, tồn tại ở độ cao trung
bình ~7 km. Với hệ lidar sử dụng laser diode cho phép quan trắc lớp mây Ti
tầng cao dưới 10 km là hoàn toàn khả dĩ. Đây là kết quả vượt mong đợi của
nhóm thiết kế hệ lidar sử dụng laser diode và cũng là một kết quả có thể so sánh
với những hệ lidar loại nhỏ trên thế giới sử dụng laser diode [125].
4.2. Đặc trƣng độ sâu quang học
Trong đồ thị 4.15 chúng ta dễ nhận ra sự tăng độ sâu quang học của
khoảng không gian có đóng góp của lớp son khí phía sát bề mặt (0 km – 2,7 km)
và tại vị trí của lớp mây Ti (12,7 km – 14,8 km). So sánh giữa tốc độ biến đổi
của độ sâu quang học tại hai vị trí son khí tầng thấp và lớp mây Ti chúng ta có
thể đánh giá được mật độ hạt tại hai khu vực này là rất lớn so với những vị trí
không có đóng góp của son khí và tinh thể băng của mây.
0 2 4 6 8 10 12 14 160
100
200
300
400
500
600
Ran
ge c
orr
ecte
d s
ign
al
Height (km)
0 2 4 6 8 10 12 14 160
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Op
tic
al
de
pth
Height (Km)
Do sau quang hoc may cirrus
Độ s
âu
qu
an
g h
ọc
I.z2
Độ cao (km)
Hình 4.15: Độ sâu quang học theo khoảng cách đo trong đó có lớp mây Ti.
Độ sâu quang học
của lớp mây Ti
142
Theo như Hình 4.15 chúng ta thấy độ sâu quang học của lớp son khí
trường gần dưới 3 km là yếu tố hấp thụ mạnh nhất – với tốc độ tăng độ sâu
quang học lớn nhất trên toàn miền và độ sâu quang học tăng nhanh tại khoảng
đo này. Tiếp đến là đóng góp của lớp mây Ti, trong phép đo lớp mây Ti tồn tại
từ khoảng cách 12,4 km tới 14,9 km. Trong đoạn từ 3 km tới 12,4 km đóng góp
của son khí là không đáng kể và hầu như chủ yếu là sự tồn tại của các phân tử
khí do vậy đóng góp của lớp khí này vào hấp thụ bức xạ là không đáng kể. Với
phân bố không gian ~27% của lớp son khí phân bố ở lớp bề mặt và lớp mây Ti
tầng cao (4,1 km trên toàn khoảng đo là 15 km) đóng góp vào sự hấp thụ bức xạ
tia laser lên tới 83%. Riêng lớp mây Ti phân bố trong khoảng không gian ~2,5
km tương đương ~16 % đóng góp về hấp thụ là ~21,4 %. Điều này là rất có ý
nghĩa và giải thích vì sao chúng ta cần nghiên cứu đóng góp tác dụng hấp thụ
năng lượng bức xạ của son khí với khí quyển với hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí
hậu và là nhân tố dự báo sự thay đổi thời tiết. Mà đặc biệt là vai trò của lớp mây
Ti tầng cao, chúng đóng vai trò là lớp áo son khí ngoài cùng bảo vệ trái đất.
Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số đặc trưng vật lý khác của son khí
thuộc lớp mây Ti như đặc trưng: tiết diện tán xạ ngược, đặc trưng tiết diện suy
hao , hệ số truyền qua… Trong thuật toán này tôi lấy hằng số lidar trung bình là
50.
4.3. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc
Trong trường hợp này chúng ta hiểu tỉ số tán xạ ngược được xác định theo
biểu thức: 𝑅 =𝛽𝑐 𝑧 +𝛽𝑟(𝑧)
𝛽𝑟(𝑧) trong đó 𝛽𝑐 𝑧 là hệ số suy hao của mây Ti, 𝛽𝑟 𝑧 là
hệ số suy hao gây ra bởi phân tử khí do tán xạ Rayleigh mang lại. Tại nơi không
có son khí: 𝛽𝑐 𝑧 = 0 khi đó R = 1, chúng ta thấy rõ điều đó trên Hình 4.17
trong khoảng từ ~3 km tới ~12 km. Theo Hình 4.16 và Hình 4.17 chúng ta thấy
đóng góp của son khí trong tín hiệu tán xạ ngược là rất lớn. Tại vị trí của đám
mây do mật độ tinh thể băng lớn nên tín hiệu tán xạ ngược của son khí lớn gấp
~8 lần so với đóng góp của các phân tử khí. Điều này là hoàn toàn phù hợp với
143
lý thuyết tán xạ mie. Trong Hình 4.16 chúng tôi đưa ra tham số tiết diện tán xạ
ngược của lớp mây Ti tầng cao, kết quả này hoàn toàn phù hợp với những kết
quả công bố của các nhóm tác giả khác trong các bài báo [36, 46, 83, 122, 130].
Trong Hình 4. 16 đường màu xanh lá cây phía dưới tương ứng với hệ số
tán xạ ngược của son khí. Trong khoảng phía trên lớp son khí tầng thấp (~ 3 km)
và dưới lớp mây Ti tầng cao (~ 12,5 km) không có son khí thì hệ số tán xạ
ngược của son khí bằng 0. Tại vị trí lớp mây Ti có mật độ các tinh thể băng lớn
làm tăng đáng kể tiết diện tán xạ ngược, lên gấp ~8 lần so với đóng góp của
phân tử khí tại vị trí đó, như trong Hình 4. 17.
0 2 4 6 8 10 12 14 160
2
4
6
8
Ba
ck s
catt
eri
ng
ra
tio
Height (km)
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].
Độ cao (km)
Tỉ
số t
án
xạ n
gƣ
ợc
0 2 4 6 8 10 12 14 16-2
-1
0
1
2
3x 10
-6
Backscatt
eri
ng
cro
ss s
ecti
on
Height (km)
Back scat Sum
Back scat Aer
Back Mole
- Tiết diện tán xạ ngƣợc tổng hợp
- Thành phần khí
- Thành phần son khí
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].
Độ cao (km)
Tiế
t d
iện
tán
xạ n
gƣ
ợc
144
4.4. Đặc trƣng khử phân cực
Chúng ta thấy tín hiệu kênh đo theo phương phân cực vuông góc có
cường độ tín hiệu nhỏ hơn so với tín hiệu của kênh có phương phân cực song
song tại miền không có son khí, tại đây các phân tử khí là dạng cầu và không có
hiệu ứng khử phân cực. Vùng tín hiệu tại lớp mây Ti có hiệu ứng khử phân cực,
tín hiệu tại kênh phân cực theo phương vuông góc tăng lên đáng kể. Tại lớp mây
Ti sự khử phân cực là rất rõ ràng chúng ta thấy tín hiệu ứng với phương phân
cực vuông góc, như trong Hình 4.18, có cường độ lớn tương đương với tín hiệu
tại kênh theo phương phân cực song song. Điều này là hoàn toàn hợp lý bởi cấu
tạo của lớp mây Ti chủ yếu là từ các tinh thể băng, có hình dạng bất đối xứng,
do đó tính khử phân cực lúc này có thể đạt xấp xỉ 80%. Đối với vùng tín hiệu
không có đóng góp của mây ta thấy sự phù hợp của tín hiệu phép đo và tín hiệu
radioson, điều đó đánh giá mức độ tin cậy của phép đo tín hiệu tán xạ đàn hồi
thực hiện trên hệ lidar khử phân cực là rất tốt [116].
Đối với mây Ti ở khoảng cách ~15 km thì nhiệt độ của lớp mây là ~-
65oC, do thành phần chính của đám mây là các tinh thể băng với kích thước và
hình dạng khác nhau (~1 mm), chúng rất bất đối xứng [122]. Chính vì lý do đó
10 20 30 40 50 60
5
10
15
20
25
Particle depolarization
4 6 8 10 12 14 16 18 20-10
-5
0
5
10
Height (Km)
log
(I*Z
*Z
)
Parallel Signal
Perpendicular Signal
Radiosol Signal
Kênh phân cực
song song
Kênh phân cực
vuông góc
Tín hiệu
radiosonde
Log (
I.z2
)
Độ cao (km)
Hình 4.18: Tín hiệu hai kênh phân cực khi được lấy log(I.z2) vẽ theo khoảng
cách.
145
mà tính khử phân cực của mây Ti là một đặc trưng cơ bản và quan trọng trong
các nghiên cứu về mây.
Trong Hình 4.19, với phép đo vào ngày 21/11/2011 của mây Ti với mật
độ tinh thể băng khá cao, tính phân cực rất lớn lên tới 62%, đám mây có độ dày
lên tới ~5 km. Mật độ tinh thể băng, nhiệt độ đám mây, độ cao tồn tại của mây,
kích thước tinh thể băng và khả năng khử phân cực của chúng có liên hệ với
nhau. Thông tin về tính khử phân cực của mây Ti cho phép chúng ta có thêm cơ
sở dữ liệu kết luận về đặc trưng của mây Ti nhìn thấy trên bầu trời Hà Nội [130].
Xu thế tăng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti theo độ cao là một kết quả
phù hợp với nhiều nghiên cứu khác. Điều này là hợp lý bởi ở độ cao của mây
càng lớn thì thường nhiệt độ của lớp mây có xu hướng giảm trong mọi thời điểm
của bầu khí quyển và như vậy thành phần chủ yếu là các tinh thể băng với kích
thước lớn sẽ càng chiếm ưu thế và đó là nguyên nhân của sự bất đối xứng do các
hạt gây ra tăng lên cũng như tính khử phân cực gây ra cho tín hiệu tán xạ ngược
là mạnh mẽ hơn. Ngược lại sự giảm tỉ số khử phân cực của mây khi nhiệt độ
tăng là một kết luận phù hợp với các nghiên cứu đã công bố khác [36, 119]…
Quy luật giảm tỉ số khử phân cực khi nhiệt độ tăng được thể hiện trong hình
4.20.
16 16.5 17 17.5 18 18.50
20
40
60
80
100
Height of cirrus (km)
Dep
oli
zati
on
rati
o
De Ratio of cirrus
Fitted line
Độ cao mây Ti (km)
Tỉ
số k
hử
ph
ân
cự
c (%
)
Hình 4.19: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo độ cao của lớp mây.
Tỉ số khử phân cực
Xu thế thay đổi
146
4.5. Kết luận chƣơng IV
Trong chương IV, chúng tôi khảo sát các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp
mây Ti tầng cao bằng kỹ thuật lidar phân cực, ứng dụng quan trắc tại Hà Nội.
Trong đó chúng tôi đưa ra một số những kết luận bước đầu về đối tượng nghiên
cứu từ ngân hàng dữ liệu của hệ lidar phân cực quan trắc trong năm 2011. Các
đặc trưng cơ bản chúng tôi tập trung khai thác là:
1. Đặc trưng vĩ mô của mây Ti
a. Đặc trưng phân bố độ cao của mây Ti tại Hà Nội trong năm 2011 thay
đổi từ độ cao 12,5 km tới 14,3 km.
b. Đặc trưng độ dày của lớp mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội với độ
dầy trung bình ~ 1,7 km.
c. Sự tương quan về độ cao của đỉnh lớp mây Ti và lớp phân tầng đối lưu
hạn của khí quyển Hà Nội thay đổi theo mùa trong năm 2011 trung
bình ~3 km. Từ sự tương quan đó cho chúng ta một công cụ xác định
vị trí tầng đối lưu hạn thông qua việc quan trắc đỉnh lớp mây Ti tầng
cao bằng kỹ thuật lidar đàn hồi.
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -450
20
40
60
80
100
Temperature (C)
De
po
liza
tio
n r
ati
o
De Ratio of cirrus
Fitted line
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.
Nhiệt độ (oC)
Tỉ
số k
hử
ph
ân
cự
c (%
) Tỉ số khử phân cực
Xu thế thay đổi theo nhiệt độ
147
d. Mối liên hệ về độ cao, nhiệt độ của lớp mây biến đổi theo mùa trong
năm 2011. Các đặc trưng này là cơ sở dữ liệu quan trọng của khí tượng
học trong các mô hình về khí quyển ở từng khu vực trên trái đất.
2. Đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao:
a. Đặc trưng độ sâu quang học, hệ số truyền qua, hệ số suy hao, hệ số tán
xạ ngược của lớp mây Ti tầng cao. Từ các tham số vi mô cho phép
đánh giá đóng góp của lớp mây Ti vào quá trình tuần hoàn nước, vào
hiệu ứng nhà kính và vai trò bảo vệ trái đất trước năng lượng bức xạ
của mặt trời. Kết quả nghiên cứu cho chúng ta thấy đóng góp về tần
suất phân bố của mây Ti trên bầu trời Hà Nội ~ 56%, đóng góp lưu trữ
năng lượng bức xạ tại bước sóng 532 nm ~21,4% xét trên tổng miền
không gian lớp đối lưu của khí quyển trái đất.
b. Đặc trưng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội nhận
giá trị trung bình ~45% với những trường hợp đặc biệt có thể lên trên
80%.
c. Trong nghiên cứu chúng tôi cũng có những kết luận về quy luật tăng tỉ
số khử phân cực khi tăng độ cao hoặc giảm nhiệt độ của lớp mây Ti.
Các kết luận về tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội
khá phù hợp với các kết luận của các nhóm nghiên cứu khác đối với
các miền quan trắc ở những vị trí có vĩ tuyến tương đương trên thế
giới.
Những kết quả trong chương 4 đã được công bố trong các bài báo [19] và
[37] của nhóm tác giả. Những kết quả của chương IV đã khẳng định chất lượng
và khả năng quan trắc tầng cao trên 20 km của hệ lidar phân cực lần đầu tiên
được xây dựng tại Việt Nam. Trong thời gian tiếp theo chúng tôi tiếp tục tối ưu
hệ đo, nâng cao khả năng quan trắc xa và xác định các tham số vật lý đặc trưng
phức tạp hơn của lớp mây Ti như: phân bố hình dạng tinh thể băng, phân bố
kích thước hạt theo độ cao, theo nhiệt độ và theo mùa trong năm…
148
KẾT LUẬN
Với mục đích nghiên cứu đặc trưng vật lý của lớp son khí trong khí quyển
bằng kỹ thuật lidar. Trong luận án chúng tôi đã thu được một số kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm cụ thể như sau:
1. Tìm hiểu lý thuyết tương tác giữa photon ánh sáng với các phân tử khí,
với các hạt son khí có kích thước khác nhau trong khí quyển. Xây
dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Matlab, xác định các
đặc trưng vật lý: phân bố không gian theo thời gian, độ sâu quang học,
hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar, hệ số khử phân cực của
lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao. Đánh giá chất lượng tín
hiệu thu nhận và sai số của các thông số quang học được xác định.
2. Tối ưu hệ lidar Raman phân cực hoạt động đa kênh đồng thời ở chế
độ đếm photon đầu tiên ở Việt Nam đưa vào quan trắc tầng khí quyển
tới độ cao trên 20 km, sử dụng chương trình kết nối máy tính viết bằng
ngôn ngữ Labview qua cổng USB cho phép tự động ghi nhận tín hiệu
tán xạ ngược.
3. Nghiên cứu sự phân bố của lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội cho thấy
sự phân bố chủ yếu tập trung dưới độ cao 5 km. Xác định độ cao đỉnh
lớp son khí bề mặt tại Hà Nội, sự biến đổi trong ngày và độ cao trung
bình. Kết quả nghiên cứu này được trình bày trong các bài báo đã công
bố của nhóm nghiên cứu [16, 20, 21, 37, 97].
4. Nghiên cứu sự phân bố theo độ cao, các đặc trưng độ sâu quang học,
hệ số tán xạ ngược, tỉ số phân cực và mối liên hệ độ cao lớp mây Ti
tầng trên so với lớp đối lưu hạn [3] (tropopause) của khí quyển tại Hà
Nội. Kết quả nghiên cứu này được công bố trong bài báo 19 của nhóm
tác giả.
5. Xây dựng, phát triển thành công một hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode
công suất cao phát bức xạ 905 nm và đầu thu APD hoạt động ở chế độ
Geiger được làm lạnh sâu nhằm mục đích quan trắc lớp son khí tầng
thấp dưới 10 km. Với nhiều ưu điểm và đặc biệt phù hợp với điều kiện
149
nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật khảo sát từ xa tại Việt Nam. Mở ra một
hướng phát triển thiết bị khoa học có nhiều ứng dụng thực tiễn.
Với những kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời gian tác
giả làm nghiên cứu sinh thực hiện trên hệ lidar, khẳng định một lĩnh vực đầu tư
và phát triển mới triển vọng về kỹ thuật quan trắc khí quyển từ xa đầu tiên tại
Việt Nam. Với cơ sở thiết bị hiện có chúng ta có khả năng nghiên cứu sâu hơn
các tính chất vật lý đối với các đối tượng trong khí quyển trái đất ở độ cao lớn
hơn, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như: quan trắc môi trường, khí
tượng… có nhiều ý nghĩa đối với nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng.
150
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. D.V. Trung, N.T. Binh, N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, V.T. Bich, N.D.
Hung (2008), a lidar system for studying aerosol in the atmosphere, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung,
V.A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications V,
Publish House for Science and Technology, 67-71.
2. N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, D.V. Trung and N.T. Binh (2008), the
compact sun photometer for atmospheric optical depth measurements, Eds.
Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai
Hung, V.A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications
V, Publish House for Science and Technology, 757-761.
3. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh and Bui Van Hai
(2010), Designing and studying characteristics of the sodium lidar, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung, V.
A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications VI,
Publish House for Science and Technology, ISSN: 1859-4271, 361-364.
4. Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and Nguyen
Thanh Binh (2011), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact
lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science For Master
And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, ISBN: 978-604-
913-088-5, 389-392.
5. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Dao Duy Thang, Bui Van Hai (2011),
Gated – photomultiplier tube for uses in lidar to study the upper atmosphere, Eds.
Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai
Hung, V.A. Orlovich, The Second Academic Conference On Natural Science For
Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Publish
House for Science and Technology, ISBN: 978-604-913-088-5, 393-396.
6. Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen
Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi
using a compact lidar system, Communication in Physics, 22(4), 357-364.
151
7. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Bui Van Hai, Dam Trung Thong (2012),
development of a rayleigh lidar systemn for studying characteristics of tratosphere
above hanoi, Eds. Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, In Won Lee, Nguyen Van
Hieu, Nguyen Dai Hung, Valenti A. Orlovich, Proceeding’s Advances in optics
Photonics Spectroscopy & Applications VII, Publish House for Science and
Technology, ISSN 1859-4271, 489-492.
8. Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dam
Trung Thong and Nguyen Thanh Binh (2012), determination of atmospheric
aerosol extintion profiles with a raman lidar system over Hanoi, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, In Won Lee, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung,
Valenti A. Orlovich, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy &
Applications VII, Publish House for Science and Technology, ISSN 1859-4271,
518-522,.
9. Đinh Văn Trung, Bùi Văn Hải, Đàm Trung Thông, Nguyễn Văn Thương (8 -
2013), Nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu phát laser diode xung ngắn, công suất cao
cho đo xa laser, Nghiên cứu khoa học và công nghệ Quân Sự, Viện Khoa học và
Công nghệ Quân sự, Đặc san VLKT’ 13/ 08 – 2013, ISSN 1859 – 1043, 60-64.
152
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đặng Kim Chi (2008), Hóa học Môi trường, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
[2] Đoàn Tùng Anh (2009), Mô phỏng quá trình truyền tín hiệu lidar trong môi
trường có mật độ quang học lớn, Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường đại học
Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
[3] Nguyễn Sỹ Kiêm (2003), Khí tượng – Thuỷ văn Hàng hải, Nhà xuất bản Xây
dựng.
[4] Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ (1991), Cơ sở khí tượng học, Nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật, 1.
[5] Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ (1991), Cơ sở khí tượng học, Nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật, 2.
Tiếng Anh
[6] A. Ansmann, M. Riebesell, et al (1992), Combined Raman Elastic-Backscatter
lidar for vertical profiling of moisture, Aerosol extinction, backscatter, and lidar
ratio, Applied Physics B, B 55, 18-28.
[7] A. Nemuc et al (2009), Dynamic of the lower tropospherere from
multiwavelength lidar measurements, Romanian Reports in Physics, 61(2), 313-
323.
[8] Adam C. Povey (2012), Estimation of a lidar’s overlap function and its
calibration by nonlinear regression, Applied Optics, 51(21), 5130-5143.
[9] Alexander D. Achey (2002), Design of an upgraded electronics control system
for an advanced lidar atmospheric profiling system, A master of Science thesis
in Electrical Engineering, The Pennsylvania State University.
[10] Alexander Smirnov (2002), Optical Properties of Atmospheric Aerosol in
Maritime Environments, J. Atmos. Sci., 59, 501–523.
[11] Andreas Behrendt, et al (2011), A novel approach for the characterization of
transport and optical properties of aerosol particles near sources e Part I:
Measurement of particle backscatter coefficient maps with a scanning UV lidar,
153
Atmospheric Environment, 45, 2795-2802.
[12] Andrewt. Young, Russell M. Genet and Louis J. Boyd (1991), Precise
automatic differential stellar photometry, The Astronomical Society of the
Pacific, 103, 221-242.
[13] APD S9251, Hamamatsu data sheets.
[14] Application note: Operating the pulsed laser diode SPL LLxx, Opto
semiconductors, Osram.
[15] B. Heese, H. Flentje, D. Althausen, A. Ansmann, and S. Frey (2010),
Ceilometer lidar comparison: backscatter coefficient retrieval and signal-to-
noise ratio determination, Atmos. Meas. Tech, 3, 1763–1770.
[16] Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and
Nguyen Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a
compact lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science
For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam,
ISBN: 978-604-913-088-5, Proceedings pp. 389-392.
[17] Benjamin David Todt (2010), Use of a two color lidar system to study
atmospheric aerosols, Master of Science in Physics Thesis.
[18] Bernd Heinold, Ina Tegen, et al (2012), Simulations of the 2010
Eyjafjallajokull volcanic ash dispersal over Europe using Cosmo-Muscat,
Atmospheric Enviroment, 48, 195-204.
[19] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and
Nguyen Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height
over hanoi using a compact lidar system, Communication in Physics, 22(4),
357-364.
[20] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dam
Trung Thong and Nguyen Thanh Binh (2013), determination of atmospheric
aerosol extintion profiles with a raman lidar system over Hanoi, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, In Won Lee, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung,
Valenti A. Orlovich, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy
& Applications VII, Publish House for Science and Technology, ISSN 1859-
4271, pp. 518-522.
[21] Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and
154
Nguyen Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a
compact lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science
For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam,
ISBN: 978-604-913-088-5, Proceedings pp. 389-392.
[22] Byron H. Chen (1990), Characteristics of atmospheric waves inferred from lidar
measurements, A master of Science thesis in Electrical Engineering, The
Pennsylvania State University.
[23] C. F. Bohren and Donald R. Huffmann (1983), Absorption and Scattering of
Light by Small Particles, Wiley - Interscience Publication.
[24] C. Kittaka, D. M. Winker, M. A. Vaughan, A. Omar, and L. A. Remer (2011),
Intercomparison of colum aerosol optical depths from CALIPSO and MODIS-
Aqua, Atmospheric Measurement Techniques, 4, 131-141.
[25] C. Munke (2006), Boundary layer and air quality monitoring with a commercial
lidar ceilometers, Spie, doi: 10.1117/2.1200612.0512.
[26] C. N. Long, J. M. Sabburg, J. Calbo, D. Pages (2006), Retrieving cloud
characteristics from ground-based daytime color all-sky images, Journal of
Atmospheric and Ocenic Technology, 23, 633-652.
[27] Celilia Soriano et al (2001), Barcelona atmospheric monitoring with lidar: first
measurement with the UPC’s scanning portable lidar, Remote Sensing of
Clouds and the Atmospherere V, Spie Proceedings, 4168.
[28] Chiara Levoni, Marco Cervino, Rodolfo Guzzi, and Francesca Torricella
(1997), Atmospheric aerosol optical properties:a database of radiative
characteristics for different components and classes, Applied Optics, 36(30),
8031 – 8041.
[29] Christoph Munkel (2006), Boundary layer and air quality monitoring with a
commercial lidar ceilometers, The International Society for Optical
Engineering , 10, 1117-1124.
[30] Christoph Münkel, Noora Eresmaa, Janne Räsänen, Ari Karppinen (2007),
Retrieval of mixing height and dust concentration with lidar ceilometers,
Boundary-Layer Meteorol, Doi: 10.1007/s10546-006-9103-3.
[31] ClausWeitkamp (2005), Lidar Range – Resolved Optical Remote Sensing of the
Atmosphere, Springer.
155
[32] Colis, R. T. H, and P. B. Russell (1976), Lidar Measurements of particles and
gases by elastic backscattering and differential absorption, Laser monitoring.
[33] Condon , E. U., and H. Odishaw, Eds. (1967), Handbook of Physics, McGraw-
Hill, Newyork.
[34] D. D. Atanaska (2008), Raman-elastic-backscatter lidar for observations of
tropospheric aersol, Spie, doi. 70270Y-1, 7027.
[35] D. Perez-Ramirez, J. Aceituno, B. Ruiz, F. J. Olmo, L. Alados-Arboledas
(2008), Development and calibration of a star photometer to measure the
aerosol oftical depth: Smoke observations at a hight mountain site, Atmospheric
Environment, 42, 2733-2738.
[36] D. R. Dowling and Lawrence, F. Randke (1990), A summary of the physical
properties of Cirrus clouds, Journal of Applied Meteorology, 29, 970-978.
[37] D.V. Trung, N.T. Binh, N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, V.T. Bich, N.D.
Hung (2008), a lidar system for studying aerosol in the atmosphere, Eds.
Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen
Dai Hung, V.A. Orlovich, Advances Opticals, Photonics, Spectroscopy and
Applications V, Publish House for Science and Technology, 67-71.
[38] David N. Whiteman (May 2003), Examination of the traditional Raman lidar
technique, Applied Optics, 42(15), 2571-2592.
[39] Derek A.Long (2002), The Raman Effect A Unified Treatment of the Theory of
Raman Scattering by Molecules, JohnWiley & Sons Ltd.
[40] Dieter Renker (2002), Properties of avalanche photodiodes for applications in
high energy physics, astrophysics and medical imaging, Nuclear Instruments
and Methods in Physics Research, A 486, 164–169.
[41] Dukyheon Kim and Hyungki Cha (2007), Rotational Raman Lidar: Design and
Performance Test of Meteorological Parameters (Aerosol Backscattering
Coefficients and Temperature), Journal of the Korean Physical Society, 51(1),
352∼357.
[42] E. Andrews, J. A. Ogren, P. Bonasoni, A. Marinoni (2011), Climatology of
aerosol radiative properties in the free troposphere, Atmospheric Research, 102,
365-393.
156
[43] Edward J. Novitsky (2002), Multistatic lidar profile measurements of lower
tropospheric aerosol and particulate matter, A Doctor of Philosophy thesis in
Electrical Engineering, The Pennsylvania State University.
[44] Edwin W. Eloranta (1998), Practical model for the calculation of multiply
scattered LIDAR returns, Appl Opt, 37(12), 2464-2472.
[45] Eleonora Zege, Iosif Katsev, Alexander Prikhach and Alexey Malinka (2004),
Elastic and Raman lidar sounding of coastal waters. Theory, computer
simulation, inversion possibilities, Ear Sele Proceedings, 3, 248-260.
[46] F. Immler, O. Schrems (2002), Lidar system measurements of cirrus clouds in
the northern and southern midlatitudes during Inca (55°N, 53° S): a
comparative study, Geophys. Res. Lett, doi:10.1029/2002GL015077.
[47] F. Navas – Guzman (2009), Retrieval of the lidar overlap function using Raman
signals V, Workshop Lidarmeasurements in Latin America.
[48] Flamant, C. Pelon, J. Flamangt, P. and P. Durand (1997), Lidar determination
of the entrainment zone thickness at the top of the unstable marine atmosphere
mixing layer, Bound-Lay Meteorol, 83, 247-284.
[49] Franziska Schnell, Matthias Wiegner, Volker Freudenthaler (2009),
Comparison of CALIPSO aerosol data with ground based lidar measurements,
Proceedings of the 8th International Symopsium on Tropospheric Profilling,
ISBN 978-90-6960-233-2.
[50] Frederick G. Fernald et al (1971), Detrmination of Aerosol Height distribution
by lidar, Journal of Applied Meteorology, 11, 482-489.
[51] Frederick G. Fernald et al (1984), Analysis of atmospheric lidar observations:
some comments, Applied Optics, 23(5), 652-653.
[52] G. Balakrishnaiah, K. Raghavendra kumar, el at (2011), Analysis of optical
properties of atmospheric aerosols inferred from spectral AODs and Angstrom
wavelength exponent, Atmospheric Enviroment, 45, 1275-1285.
[53] G. Karasinski, A. E. Kardas, el at (2007), Lidar investigation of properties of
atmospheric aerosol, The Eropean Physical Journal Special Topics, 144, 129-
138.
[54] Genelita B. Tubal, Mariano Estoque, John Holdsworth, and Jose Villarin
(2002), Effect of the diurnal variation of the convective boundary layer height
157
over Metro Manila on pollutant concentration, Science Diliman, 14, 28-37.
[55] Ginnipal S. Chadha (2001), Optical design for advanced lidar detectors, A
master of Science thesis in Electrical Engineering, The Pennsylvania State
University.
[56] Guangkun LI (2004), Atmospheric aerosol and particle properties using lidar, A
Doctor of Philosophy thesis in Electrical Engineering, The Pennsylvania State
University.
[57] H. Baars, A. Ansmann, R. Engelmann, and D. Althausen (2008), Continuous
monitoring of the boundary-layer top with lidar, Atmos. Chem. Phys. Discuss,
8, 10749-10790.
[58] H. C. Van de Hulst (1957), Light scattering by small particles, Wiley Newyork.
[59] Henri Dautet, Pierre Deschamps, et al (1993), Photon counting techniques
with silicon avalanche photodiodes, Applied Optics, 32(21), 3894 – 3900.
[60] High power laser diodes, osram opto semiconductors.
[61] http://abyss.uoregon.edu/~js/ast122/lectures/lec07.html
[62] http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap000303.html
[63] http://lidar.ssec.wisc.edu/papers/akp_thes/node6.htm#section
[64] http://www.quantel-laser.com/products/item/brilliant-360-mj--136.html
[65] http://meade.com/software-manuals/telescope-manuals/lx-series
[66] http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/msis_vitmo.html
[67] http://www.lambdaphoto.co.uk/products/100.200.120
[68] http://www.metoffice.gov.uk/research/weather/observations-research
[69] http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/clouds
[70] http://www.wmo.int/pages/index_en.html
[71] Huizheng Che, Zhifeng Yang, et al (2009), Study on the aerosol optical
properties and their relationship with aerosol chemical compositions over three
regional background stations in China, Atmospheric Enviroment, 43, 1093-
1099.
[72] I. Brook (2003), Finding Boundary Layer Top: Application of a wavelet
convariance transform to lidar backscatter frofiles, Journal of Atmospheric
Ocean Technology, 20, 1092-1105.
[73] I. M. Brooks and A. M. Fowler (2007), A new measure of entrainment zone
158
structure, Geophysical research letters, 34, 1018-1029.
[74] I. Mattis, D. Muller (2008), Ten years of multiwavelength Raman lidar
observations of free-tropospheric aerosol layers over central Europe:
Geometrical properties and annual cycle, Journal of Geophysical Research,
113, doi:10.1029/2007jd009636.
[75] I. Veselovskii et al (2009), Demonstration of Aerosol properties by
multiwavelenth lidar under varying relative humidity conditions, American
Meteorological Society, doi: 10.1175.
[76] Jaime Compton, Ruben Delgado, Raymond Hoff (2010), Determination of
planetary boundary layer heights for air quality forecasting, Atmosheric lidar
group university of Maryland, Baltimore County, Nasa-GSFC.
[77] James D. Klett (1981), Stable analytical inversion solution for processing
lidar returns, Applied Optics, 20(2), 211-220.
[78] James D. Klett (1985), Lidar inversion with variable backscatter/extinction
ratios, Applied Optics, 24(11), 1638-1643.
[79] Japan Analytical Instrument Manufacturers’ Association (1986), Guide to
Analytical Instruments, 3rd
Edition.
[80] Jin Hyen Park (May 2008), Multiple scattering measurements using multistatic
lidar, A Doctor of Philosophy thesis in Electrical Engineering, The
Pennsylvania State University.
[81] K. M. Markowicz et al (2008), Ceilometer Retrieval of the Boundary Layer
Vertical Aerosol Extinction Structure, American Meteorological Society, doi:
10.1175/2007jtecha1016.1.
[82] Kathleen France, Albert Asmann, Detlef Muller, Dietrich Althausen (2003),
Optical properties of the Indo-Asian haze layer over the tropical Indian Ocean,
Journal of Geophysical Research, 108(D2), P. 4059-4068.
[83] L. Goldfarb, P. Keckhut, M. L. Chanin, and A. Hauchecorne (2001), Cirrus
Climatological rerults from lidar measurements at OPH (440 N, 6
0 E), Geophys.
Res. Lett, 28(9), 1687-1690.
[84] L. R Bissonnette and D. L. Hutt (1990), Multiple scattering lidar, Appl. Opt, 29,
5045-5048.
159
[85] M. Andreare, H. Annegarn, et al (2009), Aerosol their direct and indirect
effects, Chapter 5, 291-236.
[86] M. Kerker (1969), The scattering of light, Academic Press, Newyork.
[87] M. Majeed Hayat et al (2002), Gain-Bandwidth Characteristics of Thin
Avalanche Photodiodes, Transactions on Electron Devices, 49(5).
[88] M. Quante (2004), The Role of clouds in the Climate system, Journal of
Physics, 121, 68-86.
[89] M. Wendisch, O. Hellmuth, A. Ansmann, J. Heintzenberg, R. Engelmann, D.
Althausen, H. Eichler, D. Muller, M. Hu, Y. Zhang, J. Mao (2008), Radiative
and dynamic effects of absorbing aerosol particles over the Pearl River Delta,
China, Atmospheric Environment, 42, 6405-6416.
[90] Mariana Adam (2005), Development of lidar techniques to estimate
atmospheric optical properties, Doctor of Philosophy thesis, Johns Hopkins
University.
[91] Mariana Adam (2011), Application of the Kano – Multiangle inversion method
in clear atmospheres, Journal of Atmospheric and Ocenic Technology.
[92] Mario Stipcevic et al (2009), Active quenching circuit for single-photon
detection with Geiger mode avalanche photodiodes, Applied Optics, 48(9),
1705-1714.
[93] Massimo Del Guasta (2002), Daily cycles in urban aerosols observed in
Lorence (Italy) by means of an automatic 532–1064 nm lidar, Atmospheric
Environment, 36, 2853–2865.
[94] Mian Chin, NASA Goddard Space Flight Center (2009), Atmospheric Aerosol
Properties and Climate Impacts U.S. Climate Change, Science Program
Synthesis and Assessment Product 2.3.
[95] Michael Krainak (2012), Wide-Bandwidth Near-Infrared Avalanche
Photodiode Photoreceiver, Boeing Spectrolab Sylmar, pp. 1-32.
[96] Mondiale (1969), Atlas international des nuages, Organisation
meteorologique mondiale.
[97] N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, D.V. Trung and N.T. Binh (2008), the
compact sun photometer for atmospheric optical depth measurements, Eds.
160
Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen
Dai Hung, V.A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and
Applications V, Publish House for Science and Technology, 757-761.
[98] Norderney (1989), One of the first aerosol Raman lidar observations, Germany.
[99] P. Formenti, H. Winkler (2002), Aerosol optical depth over a remote semi-
aridregion of South Africa from spectral measurements of the daytime solar
extinction and the nighttime stellar extinction, Atmospheric Research, 62, 11–
32.
[100] P. W. Chan (2009), Comparison of Aerosol optical depth derived from ground-
based Lidar and Modis, The Open Atmospheric Science Journal, 3, 131-137.
[101] Paul A. T. Haris (1995), Pure rotational Raman lidar for temperature
measurements in the lower troposphere, A Doctor of Philosophy Thesis in
Electrical Engineering, The Pennsylvania State University.
[102] Paul Schmid and Dev Niyogi (2011) A method for estimating planetary
boundary layer height and its application over the ARM southern great plains
site, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 29, 316-322.
[103] Philip B. Russell, Thomas J. Swissler, and M. Patrick McCormick (1979),
Methodology for error analysis and simulation of lidar aerosol measurements,
Applied Optics, 18(22), 3783-3797.
[104] Philip Laven (2005), Atmospheric glories: simulations and observations, Appl.
Opt, 44, 5667-5674.
[105] Photon Counting using PMT (2012), Hamamatsu.
[106] Q. S. He, C. C. Li, J. T. Mao, and A. K. H. Lau (2006), A study on aerosol
extinction-to-backscattering ratio with combination of micro-pulse lidar and
MODIS over HongKong, Atmospheric Chimistry and Physics Discussions, 6,
3099-3133.
[107] R. B. Stull (1988), An introduction to boundary layer meteorology, Kluwer
Academic Publishers, Dordrecht.
[108] R. D. Rudder, and D. R. Bach (1968), Rayleigh scattering of Ruby – Laser light
by neutral gases, J. Opt. Soc. Am, 58, 1260-1266.
[109] R. M. Measures (1984), laser remote sensing fundamentals and application, A
Wiley – Interscience Publication.
161
[110] Robert G. W. Brown, Robin Jones, John G. Rarity, and Kevin D. Ridley
(1987), Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon
correlation measurements. Active quenching, Applied Optics, 26(12), 2383 –
2389.
[111] Robert Tardif (2002), Boundary layer aerosol backscattering and its relationship
to relative humidity from a combined Raman-Elastic backscatter lidar, Program
in Atmospheric and Oceanic Science University of Colorado at Boulder.
[112] Ronald Eixmann et al (2002), Tropospheric aerosol layers after a cold front
passage in January 2000 as observed at several stations of the German Lidar
Network, Atmospheric Research, 39-58.
[113] S. Emeis, K.Schafer, C. Munkel (2008), Long-term observations of the urban
mixing-layer height with ceilometers, Spie, doi:10.1088/1755-1307/1/1/012027.
[114] S. Pal, A. Behrendt, and V. Wulfmeyer (2010), Elastic-backscatter-lidar-based
characterization of the convective boundary layer and investigation of related
statistics, Ann. Geophys, 28, 825–847.
[115] Sachin John Verghese (2008), Investigation of aerosol and cloud properties
using multiwavelength Raman lidar measurements, A Doctor of Philosophy
thesis in Electrical Engineering, The Pennsylvania State University.
[116] Shardanand and A. D. Prasad Rao (1977), Absolute Rayleigh scattering cross
sections of gases and freons of stratospheric interest in the visible and
ultraviolet regions, NASA TN, O-8442.
[117] Twoney and Howell (1984), Measures - Laser Remote Sensing, Wiley & Sons,
New York.
[118] Ulla Wandinger (2006), Electromagnetic wave scattering on non-spherical
Particles, Springer Berlin.
[119] Vaibhav Sarma (2009), Urban surface characterization using lidar and aerial
imagegy, A master of science thesis, University of North Texas, December.
[120] W. Heller, and M. Nakagaki (1974), Light scattering of spheroids. III,
Depolarization of the scattered light, J. Chemical Physics, 61, 3619-3621.
[121] W. J. Wiscombe (1980), Improved Mie scattering algorithms, Appl. Opt, 19,
1505–1509.
[122] W. N. Chen, C. W. Chiang, and J. B. Nee (2002), The lidar ratio and
162
depolarization ratio for cirrus couds, Applied Optics, 41, Issue 30, 6470-6397
[123] W. P. Hooper, and E. W. Eloranta (1986), Lidar measurements of wind in the
planetary boundary layer: the method, accuracy, and results from foint
measurements with radiosonde and kytoon, J. Clim. Appl. Meteorol, 25, 990-
1001.
[124] W.N. Chen, C.C. Tsao, J.B. Nee (2004), Rayleigh lidar temperature
measurement in the upper troposhere and lower stratosphere, Journal of
Atmosphereric & Solar-Terrestrial Physics, 66, 39-49.
[125] Wandinger, Ansmann (2002), Optical aerosol parameters: Raman lidar and high
spectral resolution lidar, Applied Optics, 34, Issue 36, 8315-8329.
[126] WANG Qing, TIAN Xiao-jian, WU Ge, LUO Ming-yuan (2009), Design of
high-peak current and narrow pulse driver of laser diode, The Journal of China
Universities of Posts and Telecommunications, 16, 82–85.
[127] Wegrzecka (2004), “Design and properties of silicon avalanche photodiodes”,
Opto-Electronics Review, 12, 95-104.
[128] William J. Lentz (1976), Generating Bessel Functions In Mie Scattering
Calculations Using Continued Fractions, Appl. Opt, 15, 668-671.
[129] Xiaoli Sun and Frederic M. Davidson (1990), Avalanche Photodiode Photon
Counting Receivers for Space-borne Lidars, Optical Communication with
Semiconductor Laser Diode.
[130] Zhenzhu Wang, Ruli Chi, Bo Liu, and Jun Zhou (2008), Depolarization
properties of cirrus clouds from polarization lidar measurements over Hefei in
spring, Chinese Optics Letters, 6(4), 235-237.
[131] Zhiting Wang, Lei Zhang, Xianjie Cao, Jianping Huang, Wu Zhang (2012),
Analysis of Dust Aerosol by Using Dual-Wavelength Lidar, Aerosol and Air
Quality Research, 12, 608–614.
163
i
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Chương trình kết nối máy tính viết trên ngôn ngữ Labview của
hệ lidar Raman đa kênh
1. 1. Khối kết nối thiết bị
1.2. Khối thu hoạt động ở chế độ đo tương tự
ii
1.3. Khối thu hoạt động ở chế độ đếm photon
Phụ lục 2: Chương trình chuẩn hóa tín hiệu
2.1. Hàm gọi tín hiệu radiosonde lấy làm chuẩn để so sánh
function [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb)
h = b(:,1);%km
mdkhi = b(:,2)+b(:,3);% mat do khi that cua nasa
bm = mdkhi;%phantu/m3
lmdkhi = log(bm);
a = polyfit(h,mdkhi,30);
bmol = polyval(a,z);
bb = log(bmol); …VV
2.2. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu của hệ đo ở chế độ tương tự
%load file
clc; clear all; close all;
filename = 'e:\lidar\photon counting\gate_tuan\gate121.txt';
kenh = 3;
a = load(filename);
t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)
z0 = t/2*c*1e-12;% z - km
iii
% lam tron tin hieu lan 1
p0 = smooth(a(:,kenh),100);
n = length(t);k = 0;…VV
for i=d:tr
if p(i+1)>lan*p(i)& p(i+2)>p(i+1)&p(i+3)>p(i+2)&p(i+4)>p(i+3)...
p(i+5)>p(i+4)&p(i+6)>p(i+5) …VV
2.3. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu đối với phép đo của hệ ở chế độ đếm
photon
%1. chon diem triger
%2. chon diem so sanh
%3. chon bin can thiet
clc; clear all; close all;
filename = 'e:\lidar\photon counting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt';
a = load(filename);
kenh = 2;
t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)
z0 = t/2*c*1e-12;% z - km
p0 = smooth(a(:,kenh),100);
n = length(t);
%ve den dau
xa = 25;% km
hss = 10;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data
tb = 10;% so diem lay trung binh gia tri so sanh 2 duong tin hieu …VV
2.4. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu trường gần tính tới hàm chồng chập
của hệ lidar
%chuan tin hieu tinh toi ham overlap
function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] =
ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong);
% tin hieu kenh raman
[z,p,pzz,p4] = ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb);
iv
%z,p,pzz,log(pzz): tuong ung
for i = 1:length(z)….
end …VV
2.5. Chương trình xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
FileNameArray='E:\LIDAR\Analoge\2011\May\27mayy21h02.1.txt';
A=load(FileNameArray);
[Zt,Pt,P1t,Rt,topt,hat]=ham_B_R_Mixinglayer(A,kenh);
%lay du lieu nasa_mat do phan tu khi quyen
kh = 'atmos.txt';
B = load(kh);
h = B(:,1);%km
mdkhi = B(:,2)+B(:,3);
bmol = mdkhi;%Phantu/m3
bb = log10(bmol);
%tim gia tri max
t=round(length(P1t)/2);
T = P1t(t)
%vi tri diem cuc dai
for i =round(length(P1t)/10):length(P1t)
if P1t(i) == T …VV
2.6. Chương trình xác định hệ số suy hao, tán xạ ngược bằng thuật toán
Fernald khi giả thuyết hàng số lidar biết trước.
% ham: chuan tin hieu tinh ca ham overlap()
clc; clear all; close all;
filename1 = 'e:\lidar\photon counting\2012\31oct2012_thu vi_xem them\31oct15.txt';
a = load(filename1);
kh = 'atmos.txt';
b = load(kh);
kenhe = 2;% kenh tin hieu dan hoi
kenhr = 3;% kenh tin hieu raman
v
sm = 5;% so diem smooth
xa = 20;% km: khoang do
hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol khi
tb = 20;% so diem lay trung binh gia tri so sanh 2 duong tin hieu
duoi = 4;% km:diem tren va diem duoi fit do thi tuyen tinh overlapfunction
tren = 14;
khackhong = .2;% km: vi tri ham overlap khac khong
%su dung ham nhung
[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] = ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong);
% mat do khi tu tin hieu radiosonde:z,mdokhi,logmdkhi
[z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb);
%chuan tin hieu theo tin hieu radiosonde
z;% khoang cach do
ov;% ham overlap …VV
2.7. Chương trình xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu Raman
%extintion coefficient of aerosol
clear all;close all;clc
% goi ham ov dac trung cua he:
filename = 'd:\lay so lieu tu do thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\raman_signal.txt';
a = load(filename);
kh = 'atmos.txt';
b = load(kh);
h = b(:,1).*1000;%km - m
mdkhi = b(:,2)+b(:,3);
for i = 1:1000
if h(i)>= max(a(:,1));% 10km khong con sol khi
x = linspace(min(a(:,1)),max(a(:,1)),t);
xx = linspace(min(a(:,1)),max(a(:,1)),length(a(:,1)));
y = spline(x,mdkhi(1:t),xx);% matran so mat do khi theo khoang chia 1000 buoc
smoll = mdkhi*5.45*(550/(532)).^4.*1e-28;% s_mol(l): hat.m2/sr-1
vi
smolr = mdkhi*5.45*(550/(607)).^4.*1e-28;% s_mol(r)
bt = (smoll + smolr);%he so tan xa nguoc phan tu khi theo 2 buoc song
s = bt.*(8.*pi)./3;%he so suy hao theo 2 buoc song voi phan tu khi
yy = log(y./(rot90(a(:,2))));
dz = max(a(:,1))./(length(a(:,1))-1);
for i=1:length(a(:,1))-1
dh(i) = (yy(i)-yy(i+1))./dz;
end
q = (dh-rot90(bt(1:length(dh))))./(1+532/607); …VV
2.8. Chương trình xác định hệ số tán xạ ngược sử dụng tín hiệu đàn hồi
%backscattering coefficient of aerosol
clear all;close all;clc
% chuan ham
filename = 'd:\lay so lieu tu do thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\raman_signal.txt';
a = load(filename);
kenh = 2;
km = 5;
sm = 10;% so diem lay smooth
xa = 6;% ve toi dau km
hm = 6;% km : khoang cach xa khong con sol khiedeeeed4444
%z,signal,xr=izz,lxr=logizz,molr=bmol,lpr=logbmol-nasa,h=z(khithuc),lmdk=log(mkthuc)
%[z,p, pp1,lp, bmol,bb,hc,mmtk,cc,zr,over,diem]=ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm)
[zr,pr,xr,lxr,molr,lpr,mmtk,lmdk,zo,ov,diem] = ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm);
n = length(zr);
figure(3) …VV
2.9. Chương trình xác định tỉ số lidar
clc; clear all; close all;
filename1 = 'E:\LIDAR\Photon counting\2012\31oct2012_Thu vi_xem them\31oct15.txt';
A = load(filename1);
kh = 'atmos.txt';
vii
B = load(kh);
kenhe = 2;% Kenh tin hieu dan hoi…
xa = 20;% Km: khoang do
hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol khi
tb = 20;% So diem lay trung binh gia tri so sanh 2 duong tin hieu
duoi = 4;% km:Diem tren va diem duoi fit do thi tuyen tinh overlapfunction
tren = 14; …VV
2.10. Chương trình xác định tỉ số khử phân cực
clear all;close all;clc
filename = 'e:\lidar\analoge\2011\april\180411_h1_10.txt';
a = load(filename);
s = 2; % kenh song song
v = 3; % kenh vuong goc…
sm = 1;% smooth tin hieu - tot hon tuy chat luong tin hieu
hs = 10;% he so khuech dai cua kenh vuong goc
[z5,p5l,p5r,p6l,p6r,pl,pr,d] = ham_depolirationratio(a,s,v,sm,hs);
%height,re idensity,izz,log(izz),d: depolization ratio …VV
2.11. Chương trình xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu
% Tinh sai so cua tin hieu counting
noi = 0;nn = length(Z);
for i = round(7*nn/10):1:(10*nn/10);
noi = noi + p0(i);
end
noi = noi/(3*nn/10+1);
snr = (P2 - noi)./sqrt(P2-noi + 2*noi); …VV
2.12. Chương trình xác định sai số của tỉ số lidar của son khí trường gần
%load file
clc; clear all; close all;
filename = 'E:\LIDAR\Photon counting\Gate_Tuan\gate121.txt';
viii
kenh = 3;
A = load(filename);
t = A(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(Km)
z0 = t/2*c*1e-12;% Z - km
% LAM TRON TIN HIEU LAN 1
p0 = smooth(A(:,kenh),100);
n = length(t);k = 0;
%Nen cuong do - ofsetans
nen = 0;
for i = round(9*n/10):1:round(10*n/10);
nen = nen + p0(i);
k = k + 1;
end
nen = nen/(k+1);
%Tru nen nhieu
p1= p0 - nen; …VV
2.13. Chương trình xác định các thông số đặc trưng của mây Ci
%Ve tin hieu mua trung tam tham khong quoc gia
clc; close all; clear all;
filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_8_9_2011.txt';
filename2 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_11_5_2011.txt';
A9 = load(filename9);z9 = A9(:,3)*1e-3;t9 = A9(:,5);A10 = load(filename10);z10 = A10(:,3)*1e-3;t10 =
A10(:,5);
z=[z1(:) z2(:) z3(:) z4(:) z5(:) z6(:) z7(:) z8(:) z9(:) z10(:) z11(:) z12(:) z13(:) z14(:) z15(:)];
t=[t1(:) t2(:) t3(:) t4(:) t5(:) t6(:) t7(:) t8(:) t9(:) t10(:) t11(:) t12(:) t13(:) t14(:) t15(:)];…
%Do cao may Cirrus
file = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt';
A = load(file);tg = A(:,5);
h = A(:,2);%Do cao dinh cua may cirrus
%Tim nhiet do tuong ung voi vi tri may Cirrus…
ix
for i = 1:length(h)
tci(i) = t(vt,i);%nhiet do vi tri dinh lop may cirrus
atc = polyfit(tci(:),h,1);ytc = polyval(atc,tci(:));
figure(4)%ve theo do cao dinh lop may cirrus
plot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^--b','LineWidth',3);grid on;
legend('Top height of Cirrus','Averaged Height')
ylabel('Height (km)');
xlabel('Temperature of cirrus'); …VV
Phụ lục 3: Dữ liệu lidar quan trắc năm 2011 sử dụng hệ lidar Raman phân
cực đa kênh thực hiện tại phòng 901, nhà 2H, Viện Vật lý
3.1. Cơ sở dữ liệu ghi nhận của hệ lidar phân cực đa kênh hoạt động ở chế
độ tương tự
Ngày đo, giờ đo, số file đo tối
đa
Nhiệt độ
Độ ẩm
Sáng Chiều Tối 1064 or 2
kênh pc 532
Boundar
y layer
Số file và số lần có mây
Cirrus cloud
Tháng 4
01Apr100.txt 8h 14h 20h 1064 100 file
08april2011-15395.txt 3 kênh 10 file
10april-22143.txt 1064, k1 3 file
12april-17245.txt 1064, k2 5
13april-10403.txt 1064, k2 3
18Apr1734_10.txt 3 20
19april-1040_4.txt 1064,532 4
19Apr20h55_9.txt 3 9
180411_H1_10.txt 3 10
180411_H_4_10.txt 3 10
Tháng 5
7may11h30.5.txt 1064, 532
09may-0957_20.txt 1064, 532
09may-1049_16.txt 1064, 532
09may14h17.20.txt 1064, 532
09may-1015_20.txt 1064, 532
09may-1049_16.txt 1064, 532
10may10h.20.txt 1064, 532
10may1409_20.txt 3
10may18h32_20.txt 3
10may1444_18.txt 3
10may1712_20.txt 3
11may10h00.20 3 Cirrus
12may16h38.20.txt 3
13may-response1_5.txt 3
13may-response_5.txt 3
17may11h.3.txt 2 kênh 532
17may1022.50.txt 2 kênh 532
17may17h51.100.txt 2 kênh 532
18may11h18_532_2.100 2 kênh 532 4 17h/28/May/2012
18may16h.532.2145 2 kênh 532
18may20h40.532.3.100 3
19may16h46.50 Pc,b
21may10h20.9 Pc,b
21may10h4125 pc
21may11h.50 532
21may11h10.50 532
21may11h20.300 532
22may16h20.3236 Pc,b
x
22may18h20.10 Pc,b
23may10h42.549 Pc,b
23may11h34.110 Pc,b
24may9h49.100 Pc,b
25may15h.200 Pc,b
26may15h27.50 Pc,b
26may15h55.250 Pc,b
27may10h23.12 Pc,b
27may17h41.73 Pc,b
27mayy21h02.100 Pc,b Cirrus
28may16h58.250.110 1064,532,b
28may17h53.500.56 Pc,b
28may21h15.500.52 Pc,b
30may10h42.500.70 Pc,b
30may14h51.500.200 532,b
Tháng 6
01jane9h32.500.137 Pc,b
1june14h08.500.230 Pc,b
02june9h50.65 Pc,b
03june.9h43.20.22 Pc,b
3june.9h47.20.851 Pc,b
04june9h25.300.212 Pc,b
04june13h46.300.520 Pc,b
6june9h44.30d.60%.300.200 Pc,b
7june.10h00.1064.532.300133 1064,pc
07June15h37_18 Pc,b
8june.20h49.30d50%.30020 Pc,b
8june.saumua.14h48.34d.50%.10 Pc,b Cirrus
8june.saumua.15h.00.34d505.30
0.435
Pc,b Cirrus
9june.15h49.34d48%.300.434 Pc,b
9june.16h00.300.85 Pc,b
Tháng 7
7july15h38.1064.532.300.25 1064,pc
7july16h27.1064.532.300.19 1064,pc
Tháng 8
25Aug15h35_300.235 Pc,b
26Aug.18h27.pc.b.300.135 Pc,b
26Aug17h51.b.pc.300.60 Pc,b
29Aug16h00.pc.b.300.185 Pc,b
31Aug.10h.17.pc.b.300.36 Pc,b
31Aug15h00.pcb.300.69 Pc,b
31Aug16h30.pcb300.23 Pc,b
Tháng 9
1Sep9h00pcb.300.100 x 1,2 3
1Sep15h13pcb300.240 x 1,2 3
1Sep20h55pcb.300.46 x 1,2 3
7sep9h12.pcb300.7.txt x 1,2 3 700m – Cloud,mây đen
7Sep15h00pcb300.266.txt x 1,2 3 Cirrus
7Sep21h12b.300.57.txt x
8Sep9h57pcb300.132.txt x 1,2 3 Cirrus, ngay sau kết thúc
đo thì mưa
8sep13h30pcb300 x 1,2 3 Sau khi trời tạnh mưa lại
rất trong
22Sep16h50pcb300.60.txt x 1,2 3
23Sep13h11pcb300.113.txt x 1,2 3 Cirrus
23Sep20h30pcb300.19.txt x 1,2 3 Cirrus
24Sep10h25pcb300.358.txt x 1,2 3 Cirrus
Tháng 10/2011
21oct9h40.b.300.13 x x
21Oct10h00b300.10 x x
22Oct9h58.b.300.88 x x
24Oct.9h44.b.300.103 x x
24Oto16h36pcb30086 x x x
26Oct9h00pcb300.20 x x x
31Otoh40b300.100 x
31Otoh40b600.10 x
Tháng 11/2011
2Nov22h40.b.300.10 x X2
2Nov22h53.b.300.5 x X2
3Nov10h36b300.61 x X2
3Nov14h19b300.79 x X2 Dùng telescope vừa
5Nov10h30.vb300.100 x 532v X2
xi
9Nov10h50lb300.151 x X2
10Nov9h17vb300.73 x 532v X3 Khá đẹp
10Nov14h00vb300.143 x 532v X3 Khá đẹp
10Nov15h59vb300.53 x 532v X3 Khá đẹp
10Nov17h16vb300.54 x 532v X3 Khá đẹp
10Nov22h00vb300.18 x 532v X3 Khá đẹp
11nov8h30vb3009 x 532v X3 Khá đẹp
11Nov9h00vb300.74 x 532v X3 Khá đẹp
11Nov15h34vb300.59 x
11Nov17h44bv13.300.16 x 4 X2 Rất đẹp
13Nov15h18vbt.300.10 x 2k532 X2
13Nov15h28vbt.300.10 2vt x
13Nov15h35vbt.300.10
14Nov8h44vbt300.20
14Nov8h59vbt300.50
15Nov21h41vb300.10 x X2532 X3 Khá đẹp
15Novtestvb.470mv.1 X2 X3 Đẹp
17Nov20h50v300.20 X2 Cirrus – không đẹp
17Nov21h00v300.5 X2 X3 Cirrus – không đẹp
17Nov21h17v300.10 X2 X3 Cir – hai lớp rất đặc biệt
17Nov21h26v300.10 X2 X3 Cir – hai lớp rất đặc biệt
17Nov21h35vb360dl300.1 X2 X3 Cir – hai lớp rất đặc biệt
10Nov9h17vb300.73 X2 X3 Cir – hai lớp rất đặc biệt
19test9h6780.360.2 X23 Cir – hai lớp rất đặc biệt
20test3.360.1 X2 X3
24Nov16h28.vn300.10 X2 X3 Cir – 6km
24Nov16h42.vn300.10 X2 X3
25Nov15hvb370dl400300.10 X2 X3 Mây 3km
25test8.10 X2
Tháng 12/2012
16Apr10hbpcap23.300.20 30,74% x X x
16Apr15htest.1 X2
16Apr15htest.1.1 X2
16Apr15h35.pc.be.bc.10 X2
18Apr10h03.pc.be.300.20Ms.10 X2
20Apr9h5bepcpmt.300.79 X2
20Apr15h45bepc300.5r.161 X2
20Apr15h45bepc300.5r.161 X2
23AprtestABTr.9h11.500.150om X23
23AprtestABTr.9h19.300.65 X2
23Apr17.v.b-pc.300.19
Đến: 23Apr17.v.b-pc.300.25
X2
24Apr17h45b.pctr.ABC.300.5 X2
24Apr18h00.t.300.10 X2
24Apr18h05.t.300.100 X2
24Apr18h15.t.1000.250.4 X2
25Apr16h32.to.1000.1 X2
25Apr16h32.to.1000.khuech X2
3.2. Dữ liệu đếm photon của kênh tán xạ Raman trong năm 2012
Ngày đo, giờ đo, số file đo tối đa Nhiệt độ
Độ ẩm
2 kênh pc Boundary
layer,
Cirrus
Xa tới đâu,Cirrus cloud
Tháng 9/12
raman_N2_sep16_22h27.5 23 Raman,17km,532,19km,k
raman_N2_sep24_21h50 23 Raman,16km,532,20km,15km
Tháng 10/12
31Otoh40b300.100 23 Raman,17km,532,19km,k
31Otoh40b600.10 23 Raman,16km,532,20km,15km
Tháng 11/12
4nov2011-03 23 7km, k
11Nov19h29testf3mm2 23 10km, k
15Nov22h15.532.3 23 12, k
18raman-06 23 Raman, 532, 17km, 14km
19test1h6780.360.5 3 532,18km,13km
19test2h6780.360.2 3 532,17,13
19test3.350.5 3 532,20,13
19test3h6780.360.2 3 532,20,13
19test9h6780.360.2 3 532,22,13
19test9h6780.360.2 23 532,22,13
xii
25nov-raman-02 Đểu
1064counting02 3 1064,10,k
raman_N2_sep16_22h27.5 2 Raman,15km,
rr10nov2011-10 23 Raman, 18km,532,25km,k?
Tháng 12/12
2dec2011-06 (Trời trong) 23 k Raman,18km ,23km,K
2dec2011-07 23 Raman,17km,532,20km,15km
11dec2011-01 23 Raman,18km,532,20km,k
12dec2011-01 23 Raman,18km,532,22km,15km
3.2. Dữ liệu đếm photon của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm một số
ngày trong năm 2012.
Tiến hành đo cả đêm từ 20h tới 4h ngày hôm sau
Ngày đo, giờ đo, số file đo tối đa Nhiệt độ
Độ ẩm
Boundary
layer,
Cirrus
Xa tới đâu,Cirrus cloud
8June20h33.dung.11000.5mm X
7June22 X
4July.21h28. X
4July.20h33.181HV.11000.may_4Km_Bou
ndary layer
X 4 km
4July20h.181HV.10000_may_7km X 7 km
5July.21h48.163HV.10000 X
26Sep22h2.143v.12000.may X
28Sep23h55may90.000.143 X
29Sep20h25.143V.ngang.60.000 X
30Sep21h00.ngang.kmay.145V.30.000 X
26Aug24h.-13T X
03Oct18h20.20 X
03Oct18h39.200050 X
05Oct18h10.3000.45o.50 X
05Oct21h33.3000.45o.441 X
06Oct18h25.144.3000.313 X
06Oct22h43.144.3000.1023 X
10Oct18h09.3000.146V.ngang.nha.1 X
10Oct18h40.3000.146V.243 X
13nov03 X
03Oct18h20.nha.1 X
19h10.5Nov.dung.30000.1 X