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