Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

1. BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN Chuyên nghành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội – 2016
2. Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công Nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đinh Văn Trung, Viện Vật lý PGS. TS Nguyễn Thanh Bình, Viện Vật lý Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại Học viện Khoa học và Công Nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Việt Nam - Thư viện học viện Khoa học và Công Nghệ . - Thư viện Viện Vật lý.
3. MỞ ĐẦU Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển là hai thông số then chốt trong nghiên cứu khí quyển do vai trò và ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: Vật lý khí quyển, khí tượng, hóa học khí quyển Nhiệt độ là thông số động lực khí quyển xuất hiện trong các bản tin dự báo thời tiết hàng ngày, liên quan đến các hiện tượng khí hậu, hình thành mây, sự phong phú của ô zôn, cấu trúc và đặc trưng khí quyển Nhiệt độ cũng là tham số cơ bản trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu. Ở Việt nam hiện nay, phân bố nhiệt độ khí quyển được đo bằng kỹ thuật thám không vô tuyến ở một số trạm đo khác nhau trên toàn quốc với hai lần đo trong khoảng 2 giờ đồng hồ vào buổi sáng và buổi chiều. Tuy nhiên, kết quả là phân bố rời rạc của nhiệt độ và không phản ánh đầy đủ thông tin tại nơi khảo sát do độ trôi của bóng thám không. Kết quả độ cao thường chỉ giới hạn ở khoảng 30 km do hạn chế của bóng thám không. Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển ” để xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển bằng kỹ thuật lidar phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng. Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật lidar xác định phân bố mật độ và phân bố nhiệt độ khí quyển có thể đạt đến tầng bình lưu. Mục tiêu đặt ra là xác định được phân bố nhiệt độ có thể bao phủ từ vùng cao tầng đối lưu (5 km) tới vùng cao tầng bình lưu (50 km). Bản luận án bao gồm 132 trang (chưa bao gồm công trình khoa học và tài liệu tham khảo) với cấu trúc như sau: Mở đầu: Trình bày lý do, đối tượng, mục đích và phương pháp nghiên cứu. Chương 1. Nguyên lí lidar xác định mật độ, nhiệt độ khí quyển. Chương 2. Thiết kế và xây dựng các hệ lidar. Trình bày các thiết kế và phát triển các hệ lidar cũng như thông số đặc trưng của các hệ lidar này. Chương 3. Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển. Trình bày các thuật giải, xử lí dữ liệu để rút ra phân bố mật độ và nhiệt độ từ tín hiệu lidar. Chương 4. Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ khí quyển tại Hà nội. Trình bày và thảo luận một số kết quả đo được ở Hà nội Kết luận 1
4. Chương 1 Nguyên lí của lidar xác định mật độ phân tử và nhiệt độ 1.1 Nguyên lí chung của kỹ thuật lidar Lidar (light of detection and ranging) là kỹ thuật viễn thám chủ động sử dụng ánh sáng để xác định tính chất của đối tượng theo khoảng cách. 1.2. Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ 1.2.1. Xác định phân bố nhiệt độ Nhiệt độ khí quyển được xác định bởi phương trình (1.1) sau khi tích phân phương trình thủy tĩnh kết hợp với phương trình khí lí tưởng: 휌( 푖) (( 푖+ 푖+1)/2) (휌( 푖)/휌( 푖+1))−1 T( 푖+1) = ( 푖) + ∆ . (1.1). 휌( 푖+1) 푅 푙푛(휌( 푖)/휌( 푖+1)) Sử dụng các giá trị mật độ phân tử tham khảo ρ(zref) và nhiệt độ tham khảo T(zref), nhiệt độ T(z) rút ra từ tỉ số mật độ phân tử của các khoảng liên tiếp. 1.2.2. Xác định phân bố mật độ từ lidar Rayleigh Biến đổi phương trình lidar Rayleigh sau: A ( ) P(λ, z) = P (λ) T [β (λ, z) + β (λ, z) ] × exp[−2α (λ, z)]. (1.2) L z2 mol aer atm Trong đó λ là bước sóng laser, PL(λ) là số photon phát ra, P(λ,z) là số photon tán xạ ngược từ độ cao z, AT là thừa số chuẩn trực hệ thống, O(z) là hàm chồng chập, βmol(λ, z) là hệ số tán xạ ngược của phân tử khí, βaer(λ, z) là hệ số tán xạ ngược của sol khí. Chúng ta thu được biểu thức mật độ phân tử: 2 −1 ρmol(z) = C × Peff(z) × z × [exp(−2 mol(z))] . (1.3) Với Peff(z) là tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng được xác định sau khi hiệu chỉnh tín hiệu lidar đo được với tán xạ và hấp thụ của sol khí và hấp thụ ozone: −1 −1 Peff(z) = P(z) × [Raer(z) × exp(−2 aer(λ, z))] × [exp(−2 O3(z))] . (1.4) Trong đó Raer(z) là tỉ số tán xạ ngược của sol khí, aer(λ, z) là hệ số dập tắt của sol khí. Hệ số chuẩn hóa C được xác định sau khi dùng một giá trị mật độ tham khảo ở độ cao chuẩn hóa znorm: 2 −1 C = ρmod(znorm) × [Peff(znorm) × znorm] × exp[−2 mol(znorm)](1.5) 2
5. ( ) ( ) ( ) Hệ số suy hao của phân tử : 표푙 휆, = ∫0 𝜎 표푙 휆 × 𝜌 표푙 ′ ′ (1.6) có thể được xác định bằng phương pháp lặp như sau: bước thứ nhất, giá trị 표푙( ) = 0 được giả sử ở tất cả độ cao. Ở bước thứ hai, 𝜌 표푙( ) được tính từ phương trình (1.3) từ giá trị 표푙( ) cuối. Trong bước thứ ba, 𝜌 표푙( ) dẫn ra từ bước cuối được dùng để tính độ suy hao phân tử mới 표푙( ). Lặp lại bước thứ 2 và thứ 3 cả hai 𝜌 표푙( ) và 표푙( ) sẽ hội tụ nhanh sau một vài bước lặp. Hệ số tán xạ ngược βaer(z) và hệ số suy hao 훼 푒 ( ) của sol khí có thể được xác định theo phương pháp của Fernald. z S(z)exp{−2 ∫ [Laer(z′)−Lmol]βmol(z′)dz′} β (z) + β (z) = z0 , (1.7) aer mol S(z0) z ′ −2 ∫ Laer(z′)S(z)Tr(z ,z0)dz′ βaer(z0)+βmol(z0) 0 với ( , 0) = 푒 {−2 ∫ [퐿 푒 ( ′) − 퐿 표푙]훽 표푙( ′) ′} (1.8) 0 Trong đó S(z) là tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách, Laer(z) là tỉ số lidar, Lmol là tỉ số phân tử. Chúng ta cũng có thể tính được hệ số suy hao sol khí từ tỉ số lidar: 훼 푒 ( ) = 퐿 푒 ( ). 훽 푒 ( ) . (1.9) 1.2.3. Xác định phân bố mật độ từ lidar Raman Tái sắp xếp phương trình lidar Raman sau: A P(λ , z) = P(λ ) T β (λ , z). exp(−[α (λ , λ , z) + α (λ , λ , z)]). (1.10) R 0 z2 N R mol 0 R aer 0 R Với 휆0, 휆푅 là bước sóng laser và bước sóng Raman, 훽 (휆푅, ) là hệ số tán xạ ngược Raman của phân tử Ni tơ. Mật độ phân tử Ni tơ được xác định: 2 −1 ρ (z) = C × Peff(z) × z × [exp(− mol(λ0, λR, z))]. (1.11) Tín hiệu lidar Raman hiệu dụng Peff(z) được xác định sau khi hiệu chỉnh suy −1 hao của sol khí: Peff(z) = P(z) × [exp(−αaer(λ0, λR, z))] (1.12) Với hệ số suy hao của sol khí αaer(λ0, z) xác định từ phương pháp Ansmann: d ρ (z) ln N dz S(λR,z) α (λ , z) = γ (1.13) aer 0 λ 1+( 0) λR Với : thành phần Angstron mô tả sự phụ thuộc bước sóng của sol khí. Hằng số chuẩn hóa C được xác định sau khi dùng một giá trị tham khảo như lidar Rayleigh và phương pháp lặp được dùng để xác định ρ (z) và mol(λ0, λR, z) 1.2.4. Xác định phân bố mật độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman 3
6. Kết hợp hai tín hiệu lidar đàn hồi và Raman chúng ta có thể xác định trực tiếp hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của sol khí. 2 n P(λ0, zi+1)zi+1 βaer(Saer, λ0, zi+1) = 2 [βmol(λ0, zi) + βaer(λ0, zi)] P(λ0, zi)zi zi ′ ′ × exp {−2 ∫ αmol(λ0, z )dz } × exp{Saer(zi). [βaer(λ0, zi) + zi+1 βaer(λ0, zi+1). dz]} − βmol(λ0, zi+1) (1.14) Hệ số suy hao của sol khí được xác định theo phương trình (1.9). Còn mật độ được xác định từ tín hiệu lidar đàn hồi. Chương 2. Thiết kế và xây dựng các hệ lidar 2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman 2.1.1. Mô tả hoạt động Hình 2.1. Sơ đồ hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được thiết kế theo cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục mô tả theo sơ đồ ở hình 2.1. Hệ lidar sử dụng nguồn laser xung ở bước sóng 532 nm, tần số lặp tại 10 Hz, độ rộng xung 5ns, phát vào khí quyển bởi một gương lái chùm. Hệ thu sử dụng một kính thiên văn đường kính 25 cm. Tín hiệu lidar được tách làm đôi bởi một gương lưỡng sắc. Chùm 532 nm được giảm đi 1000 lần bởi phin lọc trung tính ND trước khi được lọc phổ bởi phin lọc giao thoa 532 nm với băng thông 3 nm. Chùm tia 607 nm được lọc 4
7. bởi pin lọc 550 nm longpass trước khi được lọc tiếp bởi phin lọc giao thoa 610 nm với băng thông 10 nm. Cả hai tín hiệu được nhận bởi PMT H6780- 20 rồi được lưu trữ trong máy tính thông qua một hệ đếm photon với bộ ADC 8 bit băng thông 250 MHz. Hình 2.2. Phân bố hàm chồng chập lidar đàn hồi-Raman kết hợp. Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục của hệ lidar được xác định bởi hàm chồng chập cho thấy ở hình 2.2. Kết quả chỉ ra tín hiệu chồng chập hoàn toàn ở trên 2 km. 2.1.2 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar Hình 2.3. Tín hiệu lidar thô (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong 10 phút (b). Độ tin cậy của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được đánh giá bằng cách so sánh tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách với mật độ phân tử Ni tơ từ phép đo thám không vô tuyến hoặc từ mô hình. Kết quả từ hình 2.3 cho thấy tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh theo khoảng cách tích phân trong 10 phút tương đối hòa hợp với phân bố mật độ Ni tơ từ mô hình MSISE-90 đã khẳng định độ tin cậy của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Để đánh giá độ ổn 5
8. định của hệ lidar này chúng tôi cho thấy 6 file tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách liên tiếp, tương ứng với 1 giờ tích phân. Kết quả cho thấy ở hình 2.4 với các phân bố là tương đối giống nhau. Hình 2.4. Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách của 6 file liên tiếp. 2.1.3 Đánh giá tỉ số tín hiệu trên nhiễu Tỉ số tín hiệu /nhiễu phản ánh năng lực của hệ lidar. Tỉ số tín hiệu /nhiễu P P được xác định thông qua biểu thức: SNR = sig = sig (2.1) Pnoise √Psig+2.Pbg Trong đó Psig là cường độ tín hiệu lidar, nó bằng cường độ tín hiệu tổng cộng thu được Ptot trừ đi cường độ tín hiệu phông (background) Pbg. Kết quả khảo sát SNR được cho thấy ở trên hình 2.5 và hình 2.6. Hình 2.5. Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải không gian khác nhau. 6
9. Hình 2.6. Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải thời gian khác nhau. 2.2 Hệ lidar Rayleigh-Raman 2.2.1 Phát triển module gated-PMT Để hệ lidar có thể đo được đến tầng bình lưu hoặc hơn, chúng ta cần tăng công suất của laser và tiết diện của kính thiên văn. Tuy nhiên khi đó khoảng động lực tín hiệu tăng nhanh đến 6, 7 bậc. Hệ quả là phá hủy chế độ đếm photon và bão hòa ống nhân quang điện. Để giải quyết vấn đề này chúng ta cần cắt bỏ tín hiệu mạnh ở khoảng cách gần đồng thời thu nhận tín hiệu yếu ở khoảng cách xa. Nhiều kỹ thuật đã ra đời để giải quyết vần đề này. Trong luận án này một module gated-PMT dựa trên việc kiểm soát quá trình nhân electron ở các dynode chẵn phát triển từ đầu thu PMT R7400U đã được ứng dụng cho hệ lidar. Hình 2.7 trình bày sơ đồ khối của module gated-PMT. Hình 2.7. Sơ đồ khối của module gated-PMT. Module gồm hai phần: phần thứ nhất gồm bộ phát xung gate và bộ chia thế được gán vào đầu ống nhân quang điện, phần thứ hai gồm bộ tách sóng 7
10. và làm trễ xung cùng với các bộ nguồn nuôi. Một phần nhỏ của xung laser truyền vào khí quyển được biến đổi thành xung điện bởi một photodiode nhanh. Các xung điện này cũng là các xung trigger cho việc dành tín hiệu lidar bởi bộ đếm ADC (Analog-Digital Converter). Các xung điện phát ra từ photodiode được biến đổi thành xung TTL (Transitor-Transitor Logic) bởi một mạch tách sóng nhanh. Các xung số này được làm trễ đi một thời gian tdelay bởi một mạch làm trễ. Những xung điện sau khi được làm trễ này được khuếch đại bởi mạch phát xung gate để đạt được điện áp cần thiết. Cuối cùng các xung gate được cấp cho các điện cực chẵn của đầu ống nhân quang điện để nó làm việc ở chế độ đếm photon. 2.2.2 Hệ lidar Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ lidar Rayleigh-Raman Hệ lidar Rayleigh-Raman nghiên cứu khí quyển tầng cao có sơ đồ tương tự như hệ lidar đàn hồi-Raman kết hợp nhưng kênh đàn hồi không sử dụng phin lọc trung tính và sử dụng module gated-PMT để nhận tín hiệu với sơ đồ khối cho thấy ở trên hình 2.8. Hình 2.9 cho thấy độ tin cậy của hệ lidar khi chúng ta so sánh giữa mật độ phân tử khí quyển với tín hiệu lidar Rayleigh hiệu chỉnh khoảng cách. Hai phân bố là tương đối hòa hợp. Để đánh giá độ ổn định của hệ lidar, 10 file tín hiệu lidar Rayleigh được so sánh với nhau. Kết quả cho thấy ở hình 2.10 đã khẳng định độ ổn định khi các đường tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách rất giống nhau. Để đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu lên module gated-PMT hay không 8
11. tác giả đo tín hiệu trong trường hợp bị một đám mây dày chắn trên thị trường kính thiên văn. Kết quả được cho thấy ở hình 2.11 với lớp mây tồn tại ở 5 km được chỉ ra bởi tín hiệu lidar Raman suy hao mạnh. Tín hiệu lidar Rayleigh sau đó là nhỏ hơn phông của tín hiệu lidar Raman đã khẳng định module không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu. Hình 2.9. Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT. Hình 2.10. Tín hiệu Rayleigh hiệu chỉnh khoảng cách 10 file liên tiếp. Hình 2.11. Phép đo đánh giá ảnh hưởng nhiễu sinh ra tín hiệu lên module gated-PMT 9
12. 2.3. Kết luận chương 2 Hai hệ lidar đã được phát triển cho nghiên cứu mật độ và nhiệt độ khí quyển. Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman có thể dành được tín hiệu tán xạ ngược Raman của phân tử Ni tơ tới 18 km với tỉ số tín hiệu /nhiễu lớn hơn 1 và độ phân giải thời gian là 10 phút và độ phân giải không gian là 1.2 m. Kênh đàn hồi của hệ lidar này cũng giành được tín hiệu lidar tới 20 km với tỉ số tín hiệu /nhiễu lớn hơn 1 và có cùng độ phân giải thời gian và không gian như trên. Trong khi đó hệ lidar Rayleigh-Raman hai kênh nghiên cứu tầng cao có thể dành tín hiệu tán xạ Rayleigh đạt tới 60 km với tỉ số tín hiệu lớn hơn 9 và độ phân giải không gian là 120 m, độ phân giải thời gian là 1 giờ. Tín hiệu lidar Raman đạt tới 18 km với tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 1 và độ phân giải thời gian là 10 phút và độ phân giải không gian là 1.2 m. Chương 3. Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển 3.1 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh 3.1.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh. 10
13. Hình 3.1 trình bày sơ đồ thuật giải nhiệt độ từ tín hiệu lidar Rayleigh. Tín hiệu lidar được trừ đi tín hiệu phông, sau đó nhân với bình phương khoảng cách để thu được tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách. Tín hiệu phông được xác định bởi tín hiệu thu được ở đoạn xa nhất của phân bố tín hiệu. Độ tin cậy của file được đánh giá để kiểm tra hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu. Các file tín hiệu lidar thô liên tiếp được lấy trung bình không gian và thời gian với nhau để tăng tỉ số tín hiệu /nhiễu rồi được làm trơn bằng phin lọc bình phương tối thiểu theo thang logarit để làm giảm độ méo tín hiệu do sự phân rã nhanh của tín hiệu lidar theo độ cao. File tín hiệu lidar này được hiệu chỉnh bởi ozone 2 bằng cách chia cho hệ số truyền qua một vòng khí quyển của ozone T O3(z) rồi được dùng để xác định hệ số dập tắt và hệ số tán xạ ngược của sol khí theo phương pháp Fernald. Hệ số tán xạ ngược của sol khí βaer(z) được dùng để xác định tỉ số tán xạ ngược tương đối Raer(z). Hệ số dập tắt của sol khí sẽ cho 2 phép xác định hệ số truyền qua khí quyển một vòng của sol khí T aer(z). Thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng Peff(z) được xác định sau khi hiệu chỉnh suy hao do tán xạ và dập tắt của sol khí và suy hao của ozone từ tín hiệu lidar đo được. Mật độ phân tử khí quyển được xác định từ tín hiệu lidar hiệu dụng sau khi sử dụng một giá trị mật độ phân tử khí quyển tham khảo từ mô hình khí quyển tại một độ cao chuẩn hóa. Phân bố nhiệt độ khí quyển được tính từ phân bố mật độ khí quyển sau khi dùng một giá trị nhiệt độ tham khảo ở khoảng biên cao nhất. Cuối cùng các nguồn sai số nhiệt độ khí quyển được xác định. 3.1.2. Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng Peff Hình 3.2. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua của ozone tại Hà nội. 11
14. Hình 3.2 trình bày một phân bố mật độ ô zôn tham khảo tại địa điểm đo. Hệ số suy hao của ô zôn cũng được tính ra và trình bày trong hình. Sử dụng phương pháp Fernald chúng ta tính được hệ số tán xạ ngược của sol khí từ đó tính được tỉ số tán xạ ngược của sol khí Raer. Hệ số dập tắt của sol khí cũng được tính từ tín hiệu lidar này, từ đó tính được hệ số truyền qua của sol khí 2 T aer. Sử dụng các hệ số trên chúng ta xác định được tín hiệu lidar hiệu dụng. 3.1.3. Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển Hình 3.3. Mật độ từ tín hiệu lidar đo được và hiệu dụng. Mật độ phân tử và sai số mật độ được xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh cho thấy ở hình 3.3 sau khi chúng ta sử dụng một giá trị mật độ phân tử tham khảo từ mô hình khí quyển MSISE-90 ở một độ cao tham khảo. 3.1.4. Xác định phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ khí quyển Nhiệt độ khí quyển và sai số nhiệt độ rút ra từ phân bố mật độ ở trên được cho thấy ở hình 3.4. Các nguồn sai số chủ yếu như: hấp thụ và tán xạ của sol khí, hấp thụ của ozone, nhiệt độ tham khảo, nhiễu tín hiệu. Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh tổng cộng nhỏ hơn 4 K. Phân bố nhiệt độ sử dụng tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng cho thấy gần hơn với phân bố nhiệt độ từ mô thình MSISE-90 khẳng định việc hiệu chỉnh suy hao sol khí và ozone sẽ nâng cao độ tin cậy. 12
15. Hình 3.4. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ lidar Rayleigh. 3.2. Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman 3.2.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ Hình 3.5. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Raman 13
16. Hình 3.5 cho thấy sơ đồ thuật giải nhiệt độ của lidar Raman. Tín hiệu lidar đo được được trừ đi tín hiệu phông rồi hiệu chỉnh khoảng cách rồi so sánh với mật độ phân tử Ni tơ từ thám không để kiểm tra hiện tượng ô nhiễm nặng của mây. File tín hiệu được tích phân không gian và thời gian dùng cho việc xác định suy hao của sol khí và ô zôn để xác định tín hiệu hiệu dụng. Tín hiệu hiệu chỉnh dùng để xác định mật độ và nhiệt độ theo phương pháp như lidar Rayleigh. Sai số nhiệt độ Raman được đánh giá sau cùng. 3.2.2. Xác định mật độ phân tử khí quyển Hình 3.6. Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), và hệ số truyền qua khí quyển của phân tử (b). Mật độ phân tử khí quyển rút ra từ tín hiệu lidar Raman và hệ số truyền qua phân tử xác định từ mật độ này cho thấy ở hình 3.6. Kết quả mật độ được xác định từ tín hiệu lidar Raman theo phương pháp lặp và không lặp. Mật độ phân tử được xác định từ tín hiệu lidar Raman hiệu dụng. 3.2.3. Xác định phân bố nhiệt độ và lỗi nhiệt độ khí quyển Sử dụng phân bố mật độ phân tử Ni tơ ở trên, phân bố nhiệt độ khí quyển được rút ra sau khi chúng ta dùng nhiệt độ tham khảo ở độ cao cực đại. Kết quả trình bày ở trên hình 3.7 đối với việc sử dụng và không sử dụng phương pháp lặp để hiệu chỉnh suy hao của phân tử khí quyển. Kết quả nhiệt độ từ phương pháp lặp cho thấy gần với kết quả thám không hơn. Sai số nhiệt độ Raman từ các nguồn: hấp thụ sol khí, hấp thụ ô zôn, nhiệt độ tham khảo, độ 14
17. ồn photon cũng cho thấy trên hình. Kết quả sai số nhiệt độ từ sol khí là lớn nhất và sai số nhiệt độ tổng cộng cực đại là nhỏ hơn 6 K, khoảng 3%. Hình 3.7. Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) và không lặp (đỏ) (a) và sai số nhiệt độ lidar Raman (b). 3.3. Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp Hình 3.8. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ của lidar kết hợp đàn hồi-Raman. 15
18. Sơ đồ thuật giải tổng quát của lidar nhiệt độ kết hợp đàn hồi-Raman cho thấy ở trên hình 3.8. Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách được kiểm tra hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu bằng cách so sánh nó với phân bố mật độ của thám không. Tín hiệu được tích phân không gian và thời gian dùng để xác định tỉ số tán xạ sol khí và hệ số truyền qua sol khí. Hai hệ số này cùng với hệ số truyền qua của ô zôn cho phép xác định tín hiệu lidar hiệu dụng. Từ tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng này chúng ta xác định được mật độ rồi xác định được nhiệt độ. Hình 3.9. Phân bố mật độ phân tử (a) không lặp (đỏ), lặp (xanh), sai số mật độ (b). atmospheric temperature 20 non-iterative 18 iterative radio sonde 16 14 12 10 heigh [km] heigh 8 6 4 (1) (2) (3) 2 180 200 220 240 260 280 300 Temperautre [K] Hình 3.10. Phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và sai số nhiệt độ. 16
19. Kết quả xác định phân bố mật độ phân tử từ lidar kết hợp đàn hồi-Rama được cho thấy ở trên hình 3.9, sai số mật độ cũng được cho trong hình. Kết quả được so sánh với mật độ phân tử từ phép đo thám không cùng ngày. Sử dụng phân bố mật độ phân tử chúng ta xác định được phân bố nhiệt độ. Kết quả phân bố nhiệt độ được cho thấy ở hình 3.10, sai số cũng được cho thấy trong hình. Kết quả cho thấy sai số nhiệt độ do sol khí là lớn nhất và tồn tại ở khoảng dưới 4 km. Sai số nhiệt độ tổng cộng nhỏ hơn 12 K tương ứng với 4,2 %. 3.4.Kết luận chương 3 Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ có thể rút ra từ tín hiệu lidar Rayleigh, Raman, kết hợp đàn hồi và Raman. Kết quả bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố là phương pháp xử lí dữ liệu và giá trị tham khảo. Lidar Rayleigh có thể đo được vùng trên tầng đối lưu (20 km) tới vùng thấp tầng trung lưu (59 km). lidar Raman và lidar kết hợp đo được trên lớp biên mặt đất (2 km) tới vùng thấp tầng bình lưu (20 km). Chương4 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ khí quyển tại Hà nội 4.1. Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu 4.2.1. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu 20 lidar 18 radio 16 14 12 10 height height [km] 8 6 4 2 180 200 220 240 260 280 300 temperature and error [K] Hình 4.1. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. 17
20. 01/12/2011 02/12/2011 11/12/2011 12/12/2011 13/12/2011 20 20 20 20 20 18 18 18 18 18 16 16 16 16 16 14 14 14 14 14 12 12 12 12 12 10 10 10 10 10 8 8 8 8 8 6 6 6 6 6 4 4 4 4 4 (2) (2) (2) (2) (1) (1) (1) (1) (2) (1) 2 2 2 2 2 190 240 290200 250 300200 250 300200 250 300200 250 300 Hình 4.2. Một số phân bố nhiệt độ đo được trong tháng 12 năm 2011 tại Hà nội. 25/04/2012 16/05/2012 31/10/2012 12/12/2012 20 20 20 20 18 18 18 18 16 16 16 16 14 14 14 14 12 12 12 12 10 10 10 10 (1) (2) (1) (2) (1) (2) (2) (1) 8 8 8 8 6 6 6 6 4 4 4 4 2 2 2 2 200 250 300 200 250 300 200 250 300 200 250 300 Hình 4.3. Vị trí tropopause tại một số thời điểm năm 2012 tại Hà nội. 18
21. Hình 4.4. Một số phân bố nhiệt độ và tropopause vào tháng 6 năm 2013 tại Hà nội. Phân bố nhiệt độ tầng đối lưu từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được đo vào 20 giờ 10 phút ngày 2 tháng 12 năm 2011 tại Hà nội cho thấy trên hình 4.1. Kết quả được so sánh với phép đo thám không cùng ngày. Từ phân bố nhiệt độ này chúng ta thấy tồn tại hai đỉnh tầng đối lưu, đây là kết quả từ khả năng phân giải không gian cao của kỹ thuật lidar. Vị trí của lớp đối lưu hạn được tìm thấy là 17,5 km tương ứng với nhiệt độ là 186 ± 3 K. So với kết quả thám không lần lượt là 17,1 km và nhiệt độ là 189 ± 1,2 K. Độ chênh lệch này là do thời gian đo khác nhau. Kết quả một số phân bố nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đo được tại Hà nội và tháng 12 năm 2011 được cho thấy trên hình 4.2. Từ dữ liệu này cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ cao nhất so với nhiệt độ trung bình là 9 K và thấp nhất là 4,7 K. Kết quả một số phân bố nhiệt độ và lớp đối lưu hạn (tropopause) vào các ngày mùa hè và mùa thu ở Hà nội 19
22. trong năm 2012 được cho thấy trên hình 4.3 đã chỉ ra vị trí của tropopause vào mùa thu có xu hướng cao hơn so với mùa hè. Vị trí và nhiệt độ của tropopause biến đổi rất phức tạp, kết quả một số phân bố nhiệt độ và tropopause tại Hà nội vào tháng 6 năm 2013 ở hình 4.4 đã khẳng định điều đó. Vì vậy để nghiên cứu đặc trưng của tropopause chúng ta cần phải quan trắc liên tục. 4.2.2. Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao 20 20 19 19 18 18 17 17 16 16 15 15 14 14 13 13 12 12 11 11 10 10 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 180 200 220 240 260 2809.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 Hình 4.5. Vị trí tương đối của tropopause so với lớp mây Ti tầng cao tại Hà nội. Một trong những khả năng của kỹ thuật lidar là nó cho phép đo đạc cũng như nghiên cứu nhiều đối tượng một cách đồng thời mà kỹ thuật thám không vô tuyến không thực hiện được. Một trong các nghiên cứu đó là nghiên cứu mối quan hệ giữa vùng đối lưu hạn với lớp mây Ti tầng cao bằng kỹ thuật lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Với sự phân bố cường độ tín hiệu lidar đàn hồi hiệu chỉnh theo khoảng cách chúng ta có thể chỉ ra sự tồn tại của lớp mây Ti này do cường độ tăng đột ngột của chúng. Trong khi đó với phân bố nhiệt độ chúng ta có thể chỉ ra sự tồn tại của lớp đối lưu hạn. Kết quả khảo sát bởi lidar kết hợp đàn hồi-Raman ở Hình 4.5 cho thấy tồn tại một lớp mây Ti mỏng sau 20 phút lấy trung bình tín hiệu lidar đàn hồi. Vị trí lớp mây Ti này vào khoảng 20
23. 14,5 km tới 15,5 km. Tương ứng tồn tại một đỉnh của lớp đối lưu hạn trên khoảng độ cao khí quyển này. 4.2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ tầng bình lưu bằng lidar Rayleigh 22h56min-26june2013 60 lidar 55 model 50 45 40 35 height [km]height 30 25 20 15 200 210 220 230 240 250 260 270 280 temperature and error bar [K] Hình 4.6. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ từ lidar Rayleigh tại Hà nội. Kết quả xác định phân bố nhiệt độ từ phân bố mật độ phân tử trong tầng bình lưu từ lidar Rayleigh cho thấy ở trên Hình 4.6, phân bố sai số tổng cộng của lidar Rayleigh cũng được vẽ trên hình. Phân bố nhiệt độ từ mô hình MSISE-90 cùng ngày tại Hà nội cũng được vẽ cùng để so sánh. Phân bố sai số ở dưới 29 km là do sự tồn ại của lớp sol khí tầng cao, trong khi đó sai số nhiệt độ ở phần trên của phân bố là do nhiệt độ tham khảo và nhiễu tín hiệu photon. Phân bố nhiệt độ bắt đầu ở 20 km và kết thúc ở 59 km với thời gian lấy trung bình tín hiệu là 1 giờ và khoảng không gian lấy trung bình là 120 m. Phân bố nhiệt độ thu được từ lidar Rayleigh đã bao phủ hoàn toàn tầng bình lưu và đạt tới vùng thấp tầng trung lưu chứa lớp bình lưu hạn. Các phân bố nhiệt độ từ lidar chỉ ra cấu trúc tầng bình lưu và tiết lộ đặc trưng của lớp bình lưu hạn (stratopause). Một số phân bốn nhiệt độ từ lidar Rayleigh trong tháng 6 năm 2013 được cho thấy trên hình 4.7. Vị trí và nhiệt độ của lớp bình lưu hạn được chỉ ra cho chúng ta thấy cấu trúc giữa hai tầng khí quyển là tầng bình lưu và tầng trung lưu. Ví trí của lớp bình lưu hạn được đánh dấu (*) mầu xanh dương trên phân bố nhiệt độ. Kết quả vị trí của stratopause được tìm thấy lần lượt là (a): 45,7 km, (b): 47,7 km, (c): 50 km, 21
24. (d): 47,3 km. với nhiệt độ tương ứng lần lượt là (a): 268,6 ± 3.0 K, (b): 267,4 ± 2,6 K, (c): 266,1 ± 2,1 K, (d): 265,1 ± 2.0 K. Kết quả cho thấy vị trí của stratopause dao động trong khoảng 4 km với các phân bố nhiệt độ khác nhau trong tháng 6 năm 2013. Điều này cho thấy lớp bình lưu hạn có thể dao động trong một khoảng rất rộng, so sánh với mô hình chúng ta thấy được điều này. Hình 4.7. Một số phân bố nhiệt độ và stratopause vào tháng 6 năm 2013. 4.3. Kết luận chương 4 Từ phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và lidar Raman đo được chúng ta thấy vị trí của tropopause tại Hà nội dao động từ 16 km tới 18 km, nhiệt độ của tropopause dao động từ 186 K và 192 K. Kết quả cũng cho thấy tồn tại lớp mây Ti tầng cao trong lân cận 14,5 km. Từ phân bố nhiệt độ của lidar Rayleigh chúng ta thấy lớp stratopause dao động trong khoảng 4 km từ độ cao 45,7 km tới 50 km và nhiệt độ từ 261,1 K tới 268,6 K trong tháng 6 năm 2013. 22
25. Kết luận Luận án tiến sỹ Vật lý với tiêu đề “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển” đã đạt được những kết quả khoa học sau: . Thiết kế và xây dựng thành công hai hệ lidar bao gồm: hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và hệ lidar Rayleigh-Raman, ứng dụng tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman hoặc kết hợp cả hai để khảo sát phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển. Cả hai hệ lidar sử dụng nguồn laser công suất cao ở bước sóng 532 nm và kính thiên văn có đường kính 25 cm, với tín hiệu tán xạ ngược được ghi nhận ở chế độ đếm photon và dữ liệu được lưu trữ trên máy vi tính. Phân bố nhiệt độ đo được bởi lidar Raman hoặc lidar kết hợp đàn hồi-Raman bắt đầu từ vùng thấp tầng đối lưu đến vùng thấp tầng bình lưu (từ 2 km đến gần 20 km) chứa lớp đối lưu hạn. Phân bố nhiệt độ đo được bởi lidar Rayleigh bắt đầu từ vùng thấp tầng bình lưu đến vùng thấp tầng trung lưu (từ 20 km đến 59 km) chứa lớp bình lưu hạn. . Thiết kế và xây dựng thành công module gated-PMT sử dụng đầu ống nhân quang điện loại R7400U thương mại cho phép loại bỏ tín hiệu mạnh ở trường gần đồng thời ghi nhận tín hiệu yếu ở trường xa trong chế độ đếm photon với khoảng cách loại bỏ có thể điều chỉnh được. Module có thiết kế compact, dễ dàng tích hợp với các hệ lidar hay các hệ ghi nhận tín hiệu quang học yếu. . Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển xác định từ tín hiệu lidar đàn hồi, tín hiệu lidar Raman, kết hợp cả hai đàn hồi- Raman được xác định thông qua các chương trình xử lí số trong môi trường Matlab. Các thuật giải xử lí tín hiệu lidar để xác định nhiệt độ được tối ưu hóa thông qua việc hiệu chỉnh sol khí, ô zôn, hấp thụ phân tử. Ảnh hưởng của các giá trị tham khảo tới kết quả được giảm thiểu bằng sử dụng phương pháp lặp. . Xác định được cấu trúc tầng đối lưu khí quyển tại Hà nội từ dữ liệu phân bố nhiệt độ đo được của lidar Raman và lidar kết hợp đàn hồi- Raman. Đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu được khảo sát thông qua 23
26. các giá trị như nhiệt độ trung bình, sự biến đổi nhiệt độ của lớp đối lưu hạn. Xác định được sự tồn tại hai đỉnh của lớp đối lưu hạn dựa trên khả năng phân giải không gian cao của kỹ thuật lidar. Vị trí theo tháng, theo mùa của lớp đối lưu hạn tại Hà nội cũng được khảo sát từ dữ liệu phân bố nhiệt độ thu được của lidar. . Xác định được đồng thời vị trí lớp đối lưu hạn và vị trí cũng như độ dày của lớp mây Ti tầng cao từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp. Lớp mây Ti tầng cao tồn tại từ độ cao 14,5 km tới 15,5 km. Đây là kết quả mà phép đo thám không vô tuyến không thể thực hiện được. Kết quả này cho phép nghiên cứu mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và lớp mây Ti tầng cao. . Xác định được cấu trúc khí quyển với sự phân tầng khí quyển của tầng bình lưu với tầng trung lưu thông qua dữ liệu lidar Rayleigh đo được tại Hà nội. Vị trí và đặc trưng nhiệt độ của lớp bình lưu hạn được khảo sát từ dữ liệu lidar Rayleigh đo được đã cho thấy lớp bình lưu hạn tồn tại từ độ cao 45,7 km tới 50 km. Với các kết quả nghiên cứu và xây dựng các hệ lidar khảo sát phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển của luận án, chúng ta có thể tiến hành xây dựng các trạm lidar quan trắc khí quyển liên tục tại nhiều địa điểm khác nhau trên cả nước. Dữ liệu lidar quan trắc được có thể phục vụ cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng khác như: Vật lý khí quyển, khí tượng, dự báo khí hậu và kiểm soát môi trường 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh and Bui Van Hai (2010), “Designing and studying characteristics of the sodium lidar”, Proceedings’s Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications VI, Publish House for Science and Technology, pp. 361-364, ISSN: 1859-4271. 2. 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”, Proceedings’s The Second Academic Conference On Natural Science For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, pp 389- 392, ISBN: 978-604-913-088-5. 3. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Dao Duy Thang, Bui Van Hai (2012), “Gated – photomultiplier tube for uses in lidar to study the upper atmosphere”, Proceedings’s The Second Academic Conference On Natural Science For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Publish House for Science and Technology, pp. 393-396, ISSN: 978-604-913-088-5. 4. Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dinh Van Trung (2013), “Monitoring the boundary layser over Hanoi using a compact lidar system with a high power diode laser at 905 nm”, Proceedings’s Advances in Applied and Engingeering Physcics, pp. 521-527, ISBN: 978-604-913-232-2. 5. 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”, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy & Applications VII, Publish House for Science and Technology, pp. 518-522, ISSN 1859-4271. 6. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Bui Van Hai, Dam Trung Thong (2013), “Development of a rayleigh lidar systemn for studying characteristics of tratosphere above hanoi”, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy & Applications VII, 25
28. Publish House for Science and Technology, pp. 489-492, ISSN 1859-4271. 7. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2013), “Development of a Raman lidar system for measuring atmospheric temperature profile in Hanoi”, Proceedings’s Advances in Applied and Engingeering Physcics, pp. 180-185, ISBN: 978-604-913-232-2. 8. 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, Vol. 22, No. 4, pp. 357-364. 9. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2014), “Measurement of the upper troposphereic density and temperature profiles in Hanoi using a Raman Lidar”, Communications in Physics, Vol. 24, No. 3S2, pp. 52-62, DOI:10.15625/0868-3166/24/3S2/0. 10. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2014), “Measurements of the Stratospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi by a Rayleigh Lidar”, Communications in Physics, Vol. 24, No. 3, pp. 247-256, DOI:10.15625/0868-3166/24/3/3690. 11. Tuan Nguyen Xuan, Hai Bui Van, Trung Dinh Van (2014), “Normally off-gated photomultiplier tube module in photon- counting mode for use in lidght detection and ranging measurements”, Applied Remote Sensing, Vol 8, pp. 083536-1- 083536-8, DOI:10.1117/1.JRS.8 .083536. 26