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

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 62 44 11 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Hà Nội 2014

Luận án được thực hiện tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS. TS. Đinh Văn Trung

2. GS. TS. Nguyễn Đại Hưng

Người phản biện 1: PGS. TS. Đỗ Quang Hòa

Viện Vật lý

Người phản biện 2: PGS. TS. Lê Hoàng Hải

Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn

Người phản biện 3: TS. Tạ Văn Tuân

Viện Công nghệ laser

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp

tại: Viện Vật lý – 10 Đào Tấn, Hà Nội

Vào hồi … giờ … tháng … năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Thư viện Viện Vật lý

1

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.

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

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

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

3

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

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 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.

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

4

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. 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.

5

2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode

Hình 2.2 là cấu trúc hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao phát

bước sóng 905 nm lần đầu tiên đưa vào khai thác quan trắc son khí trường

gần tại Hà Nội, được xây dựng và tối ưu tại Viện Vật lý.

1.1.2.1. Khối phát

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]. 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 hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập

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.

6

góc mở không gian của telescope là 2 mrad. Đối với laser diode SPL

PL90_3 hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80

W, độ rộng xung ~70 ns, tần số lặp lại của laser ~1,25 kHz.

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

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

7

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.

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.

Giao diện và các tham số đầu vào phù hợp với từng phép đo được thể

hiện trong hình 2.12.

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

Quạt tản nhiệt Bộ làm lạnh cho APD

Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger

Không gian được hút ẩm

8

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.

2.4. Xử lý tín hiệu lidar

2.4.1 đến 2.4.9: Chúng tôi trình bày về về kỹ thuật xử lý tín hiệu lidar

và xác định các thông số trưng của hệ lidar, của lớp son khí trong khí

quyển: Xác định hàm chồng chập, xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

và lớp Mây Ti tầng cao, độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ

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.

9

ngược, tỉ số lidar, tỉ số khử phân cực, đánh giá sai số của các thông số đặc

trưng.

2.5. Kết luận chƣơng II

Trong chương II, chúng tôi trình bày:

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.

2. Chế tạo đầu thu là photo diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 hoạt

động ở chế độ Geiger hạ nhiệt độ -20oC có độ nhạy cao.

3. Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn sử

dụng laser diode công suất cao kết hợp đầu thu là photo diode quang

thác lũ – APD S9251 – 15 cho phép quan trắc lớp son khí bề mặt và có

khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao dưới 10 km.

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) chi phí duy trì thấp đặc biệt phù

hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại

Việt Nam.

5. 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

10

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.

6. 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.

CHƢƠNG III

Quan trắc các đặc trƣng vật lý của lớp son khí tầng thấp

Trong chương 3 chúng tôi trình bày những kết quả nghiên cứu cụ thể

được nhóm áp dụng với đối tượng son khí trường gần trái đất.

3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

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].

3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

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.

11

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

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

12

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

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…

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 )

13

3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học

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%.

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

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

tical

dep

th

Height (Km)

Độ s

âu

qu

an

g h

ọc

Độ cao (km)

Lớp son khí tầng thấp

14

3.4. Đặc trƣng suy hao

Hệ số suy hao tìm ra từ chương trình xử lý số viết bằng ngôn ngữ

Matlab áp dụng với một ngày quan trắc thể hiện trong hình 3.11. Kết quả

này được nhóm tác giả công bố trong công trình [20]…

3.5. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc

Kết quả hệ số tán xạ ngược tương ứng suy ra từ phép đo 20 h ngày

21 tháng 11 năm 2012.

Độ

sâu

qu

ang

họ

c

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)

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)

15

3.6. Đặc trƣng tỉ số lidar

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.

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)

FT

FT

65 ± 16

37 ± 10

Độ

sâu

qu

ang

học

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

16

Vùng nam Á (INDOEX)

Vùng nam Trung Quốc (PRD)

Phía bắc Trung Quốc (Beijing)

FT

PBL

PBL

51 ± 20

47 ± 6

38 ± 7

Hanoi PBL 40 ±11

3.7. Kết luận chƣơng III

Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu quan trắc 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. Chúng tôi rút ra một số kết luận sau:

Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian 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 lidar và hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode 905

nm 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. Trong thời gian tiếp sau

chúng tôi tiếp tục nâng cao hiệu xuất nghi nhận của hệ dial lidar sử dụng

laser diode công suất cao quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí tầng

thấp và phân bố của hơi nước trong miền khí quyển trường gần. Cải tiến hệ

lidar sử dụng laser diode là một đóng góp mới, có nhiều ý nghĩa của nhóm

nghiên cứu và bước đầu đã có kết quả.

17

CHƢƠNG IV

Quan trắc các đặc trƣng vật lý của mây Ti tầng cao

4.1. Đặc trƣng phân bố không gian

4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

Kết luận về sự biến đổi phân bố không gian của lớp mây Ti

1. Độ cao đỉnh của lớp mây Ti có xu thế giảm nhẹ vào các tháng cuối

năm.

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

18

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.

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.

Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi…

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

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

Prestwic

k

Immler

et al.,

2002

OHP(fa

ll)

Goldfar

bet al.,

2001

SLC.

Sassena

nd

Campb

ell,

2001

INDOE

X

Seiferte

t al.,

2007

Hà Nội

(210N,105

0W

)

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)

Độ cao đỉnh

(km)

11.82(0.8

6) 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)

19

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

Lớp mây Ti tầng cao tồn tại ở vị trí ~7 km. Độ dày lớp mây Ti lên tới

~1 km, điều này là một kết quả vượt mong đợi của nhóm nghiên cứu…

4.2. Đặc trƣng độ sâu quang học

Lớp mây Ti phân bố trong khoảng không gian ~2,5 km tương đương

~16 % đóng góp về hấp thụ là ~21,4 %...

4.3. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc

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.z2

(a.u

)

Vị trí đỉnh lớp mây Ti

Vị trí đáy lớp mây Ti

0 2 4 6 8 10 12 14 160

2

4

6

8

Back s

catt

eri

ng

rati

o

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

20

Tại vị trí lớp mây Ti có mật độ các tinh thể băng làm tăng tiết diện

tán xạ ngược lên gấp ~8 lần so với đóng góp của phân tử khí tại đó…

4.4. Đặc trƣng khử phân cực

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].

4.5. Kết luận chƣơng IV

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.

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

21

b. Đặc trưng độ dày của lớp mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội

với độ dầy trung bình ~ 1,7 ± 0,73 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 ~3 km…

2. Đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao:

a. 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%...

b. Đặc trưng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội

~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…

Những kết quả trong chương 4 đã được công bố trong các bài báo

[19] và [37] của nhóm tác giả.

KẾT LUẬN

Với mục đích nghiên cứu các 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.

22

2. Tối ưu hệ lidar Raman phân cực hoạt động đa kênh đồng thời ở chế độ

tương tự hoặc chế độ đếm photon lần đầu tiên ở Việt Nam. Ứng dụng

hệ lidar nhiều bước sóng 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 liên tục

theo thời gian.

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 ~1,5 km, sự biến đổi trong ngày và độ cao

trung bình. Xác định hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp

dưới 5 km đạt giá trị trung bình 40 ± 11. Các kết quả nghiên cứu này

được trình bày trong các bài báo 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 giữa độ cao lớp mây Ti

tầng trên so với lớp đối lưu hạn 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

nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật khảo sát từ xa tại Việt Nam, phát triển

hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao đang 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 thực hiện nghiên cứu trên các hệ lidar, khẳng định một lĩnh vực

23

nghiên cứu, đầu tư và phát triển mới triển vọng về kỹ thuật quan trắc khí

quyển từ xa tại Việt Nam. Với cơ sở thiết bị hiện có chúng ta có khả năng

nghiên cứu sâu hơn các tính chất vật lý của các đối tượng trong khí quyển

trái đất ở độ cao lớn hơn 20 km, phục vụ cho nhiều mục đích khác như:

quan trắc môi trường, khí tượng… có nhiều ý nghĩa đối với nghiên cứu,

đào tạo và ứng dụng.

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. 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, P. 357-

364.

2. 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, P. 67-71.

3. 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, P. 757-761.

4. 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, P. 361-364, ISSN: 1859-4271.

5. 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

24

lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science For Master

And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Proceedings P.

389-392, ISBN: 978-604-913-088-5.

6. 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, 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, Proceedings P. 393-396, ISBN: 978-604-913-

088-5.

7. 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, 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, P. 489-492, ISSN 1859-4271.

8. 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, P. 518-522, ISSN

1859-4271.

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, P. 60-64, ISSN 1859 – 1043.