tóm tát luận án sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

CHƯƠNG 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

VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN VẬT LÝ - -

BÙI VĂN HẢI

SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 62 44 11 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Hà Nội 2014

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Đinh Văn Trung

2 GS TS Nguyễn Đại Hưng

Người phản biện 1: PGS TS Đỗ Quang Hòa

Viện Vật lý

Người phản biện 2: PGS TS Lê Hoàng Hải

Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn

Người phản biện 3: TS Tạ Văn Tuân

Viện Công nghệ laser

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Vật lý – 10 Đào Tấn, Hà Nội

Vào hồi … giờ … tháng … năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

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

- Thư viện Viện Vật lý

CHƯƠNG 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

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 TRƯNG KHỐI PHÁT Bước sóng phát 1064 nm 532

Đường kính chùm 6 mm // Xét tại trường gần của chùm tia laser

(1,3)

Độ dịch năng lượng ±3% ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra

-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

Khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope 100 mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm Với mục đích khảo sát đồng thời khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần

Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]

Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64, 65, 67]

Hãng sản xuất Meade - USA

Catadioptric

ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN

Chương trình ghi

tín hiệu

Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng

file txt, có hai chế độ hoạt động: tương

tự và đếm photon Chương trình xử lý

tín hiệu

Matlab Xử lý tín hiệu từ file txt thông qua các

chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các đặc trưng quang học

Trong quá trình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ lidar tại Viện Vật lý chúng tôi gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật cũng như trong quá trình quan trắc khí quyển tại Hà Nội Do đó, chúng tôi định hướng xây dựng các hệ lidar có những tính năng chuyên biệt thu gọn, phù hợp với mục đích cụ thể Với mục đích đo gần, điều chỉnh dễ dàng, có phí duy trì thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và quan trắc ở Việt Nam Với những lý

do đó một hệ lidar di động, nhỏ gọn dễ lắp đặt đã được thiết kế và phát triển tại Viện Vật lý trong năm 2012

2.1.2 Hệ lidar sử dụng laser diode

Hình 2.2 là cấu trúc hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao phát bước sóng 905 nm lần đầu tiên đưa vào khai thác quan trắc son khí trường gần tại Hà Nội, được xây dựng và tối ưu tại Viện Vật lý

1.1.2.1 Khối phát

Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng, hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ [55] Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương ngang là 1,5 mrad Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì góc mở của khối thu phải lớn hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập

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

góc mở không gian của telescope là 2 mrad Đối với laser diode SPL PL90_3 hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80

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

2.1.2.2 Khối thu

Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang học, đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền phần cứng là bộ đếm photon tốc độ cao Những thông sô kỹ thuật của khối thu được liệt kê trong Bảng 2.4

Bảng 2.4 Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser diode [13, 65]

CÁC THÔNG SỐ KHỐI THU

Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm

Bộ nguồn và đầu laser

photon tốc độ cao Picosope 6000 series

2 kênh tốc độ lấy mẫu 1GS/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua

Giao diện và các tham số đầu vào phù hợp với từng phép đo được thể hiện trong hình 2.12

Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20 o C, hút ẩm, khép kín và giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar

4 cổng cáp 50 Ω

Quạt tản nhiệt

Bộ làm lạnh cho APD Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger

Không gian được hút ẩm

2.3 Phương 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⁡ − [𝜎0𝑧 𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧 (2.1)

Trong đó Plaser là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ,

A là tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng của hệ đo, 𝛽𝑎 𝑧 𝑣à 𝛽𝑚 𝑧 lần lượt là hàm đặc trưng cho hệ số tán xạ ngược của son khí và phân tử khí, 𝜎𝑎 𝑧 𝑣à 𝜎𝑚(𝑧) là hệ số suy hao

2.4 Xử lý tín hiệu lidar

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

và xác định các thông số trưng của hệ lidar, của lớp son khí trong khí quyển: Xác định hàm chồng chập, xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

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

Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm

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

2.5 Kết luận chương II

Trong chương II, chúng tôi trình bày:

1 Trình bày nguyên lý, cấu trúc hệ lidar Raman phân cực nhiều bước sóng Nghiên cứu, phát triển, tối ưu hệ lidar Raman phân cực xây dựng lần đầu tiên tại Việt Nam, phục vụ mục đích quan trắc các thành phần son khí trong khí quyển tới độ cao trên 20 km

2 Chế tạo đầu thu là photo diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 hoạt động ở chế độ Geiger hạ nhiệt độ -20oC có độ nhạy cao

3 Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode công suất cao kết hợp đầu thu là photo diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 cho phép quan trắc lớp son khí bề mặt và có khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao dưới 10 km

4 Với tuổi thọ của laser diode có thể lên tới hàng chục nghìn giờ (laser đang sử dụng có tuổi thọ ~14.000 giờ) chi phí duy trì thấp đặc biệt phù hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại Việt Nam

5 Trong thời gian tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển hệ lidar quan sát trường gần theo các mục đích sau:

 Tăng công suất laser diode, tăng độ nhạy của đầu thu nhằm tối ưu

hệ lidar nhỏ gọn và khả năng di động, tăng chất lượng tín hiệu

quan trắc lớp khí quyển tầng thấp

 Sử dụng nhiều loại laser diode công suất cao phát ở các bước sóng khác nhau cho phép xây dựng hệ lidar nhiều bước sóng có khả

năng quan trắc sự phân bố kích thước hạt son khí trong không

gian trường gần biến đổi theo thời gian [43, 44]

 Nghiên cứu xây dựng hệ lidar nhỏ có tính năng quét 3 chiều, tự động xử lý dữ liệu, xác định các thông số vật lý đặc trưng của đối

tượng quan trắc theo thời gian thực

6 Trong chương này, chúng tôi trình bày chi tiết các bước chuẩn hóa tín hiệu, các chương trình số xác định các tham số quang học đặc trưng của son khí viết trên ngôn ngữ Matlab

CHƯƠNG III Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp

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

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

3.1 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

3.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật toán đạo hàm, tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi sẽ được chuẩn hóa theo tọa độ [48]

3.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

Sử dụng chương trình tính toán số viết bằng ngôn ngữ Matlab, phụ lục 2.5, theo phương pháp Gradient xác định độ cao đỉnh của lớp son khí

bề mặt Trong Hình 3.4 chúng ta thấy độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt vào

thời điểm đo tồn tại ở vị trí ~1,45 km

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

-500 0 500

Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi

0 0.5 1 1.5

0 10 20 30 40 50 60

Khoảng cách (km)

Lớp son khí bề mặt

3.2 Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt

3.2.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí đặt hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực Từ tín hiệu lidar đàn hồi chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao theo thời gian, điều đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ

cao và theo thời gian…

3.2.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

3.3 Đặc trưng độ sâu quang học

Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng bức xạ quang bị mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi trường Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ mặt đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương

đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%

Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012

Mây tầng cao

Giờ địa phương

Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày 20h ngày 31/10/2012

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

3.4 Đặc trƣng suy hao

Hệ số suy hao tìm ra từ chương trình xử lý số viết bằng ngôn ngữ Matlab áp dụng với một ngày quan trắc thể hiện trong hình 3.11 Kết quả này được nhóm tác giả công bố trong công trình [20]…

3.6 Đặc trƣng tỉ số lidar

Tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí dưới 3,5 km tại thời điểm phép

đo nhận giá trị 40 ± 11, giá trị trên so sánh với những kết quả của các công

bố khác chúng ta nhận thấy trị số thu được tại Hà Nội xấp xỉ giá trị ghi nhận tại một số thành phố trẻ khác trên thế giới như Bắc Kinh là 38 ± 7, các thành phố nam Ấn Độ là 47 ± 6 nhưng lại thấp hơn so với các trung tâm thành phố đã lâu đời của châu Âu có giá trị 53 ± 11

Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu tại một số nơi trên thế giới và ở Hà Nội [6, 122]

Các khu vực đƣợc nghiên cứu Lớp tỷ số lidar

Vùng nam Á (INDOEX)

Vùng nam Trung Quốc (PRD)

Phía bắc Trung Quốc (Beijing)

FT PBL PBL

51 ± 20

47 ± 6

38 ± 7

3.7 Kết luận chương III

Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu quan trắc trường gần từ

hệ lidar Raman nhiều bước sóng và hệ lidar mini sử dụng laser diode ở bước sóng 905 nm khảo sát các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km Chúng tôi rút ra một số kết luận sau:

 Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian dưới 5 km

 Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary layer) tồn tại ở độ cao ~1,5 km

 Hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị trung bình 40 ± 11, kết quả này là khá phù hợp với điều kiện đô thị Hà Nội và so sánh với một số đô thị khác theo công bố của các nhóm nghiên cứu như tại Bắc Kinh phía bắc Trung Quốc chỉ số đó là: 38 ±

7, tại một số thành phố nhỏ tại châu Âu trị số đó là: 53 ± 11

Đây là những kết quả nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Việt Nam trên hệ đo Raman lidar và hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode 905

nm phát triển tại Viện Vật lý Những kết quả này đã được công bố trong các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả Trong thời gian tiếp sau chúng tôi tiếp tục nâng cao hiệu xuất nghi nhận của hệ dial lidar sử dụng laser diode công suất cao quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí tầng thấp và phân bố của hơi nước trong miền khí quyển trường gần Cải tiến hệ lidar sử dụng laser diode là một đóng góp mới, có nhiều ý nghĩa của nhóm nghiên cứu và bước đầu đã có kết quả

CHƯƠNG IV Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao 4.1 Đặc trưng phân bố không gian

4.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

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

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

Giờ địa phương (07 tháng 6 năm 2011)

Giờ địa phương (23 tháng 9 năm 2011)

Đỉnh lớp mây

Đáy lớp mây

Đỉnh lớp mây

Đáy lớp mây

2 Độ dày trung bình của lớp mây có xu thế giảm dần vào các tháng cuối năm và khá ổn định trong những tháng cuối năm

3 Độ cao lớp phân tầng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có độ cao tăng nhẹ vào cuối năm

Khoảng cách giữa đỉnh lớp mây Ti tầng cao và lớp phân tách giữa

hai tầng khí quyển đạt giá trị ~3 km và tăng nhẹ vào các tháng cuối năm

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

Đặc trƣng mây Ti Giá trị trung bình Khoảng thay đổi

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]

Aires

Punta Arenas Immler

et al.,

2002

Prestwic

k Immler

et al.,

2002

OHP(fa ll) Goldfar bet al.,

2001

SLC

Sassena

nd Campb ell,

2001

INDOE

X Seiferte

t al.,

2007

Hà Nội (21 0 N,105 0 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