NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Tính mới về khoa học công nghệ  Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí trong khí quyển với nội dung: Kiểm tra và đánh giá các thông số kỹ t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

ÂU DUY TUẤN

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG

LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

ÂU DUY TUẤN

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN HỆ THỐNG

LIDAR QUAN TRẮC SOL KHÍ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 952 02 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN XUÂN ANH

2 PGS.TS THÁI QUANG VINH

HÀ NỘI - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Luận án với tiêu đề “Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống LIDAR quan trắc

sol khí” được thực hiện tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và

Viện Vật lý địa cầu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Xuân Anh và PGS.TS Thái Quang Vinh

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của mình, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào

Nghiên cứu sinh xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận án

Âu Duy Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Xuân Anh, PGS.TS Thái Quang Vinh Các thầy đã hướng dẫn chuyên môn, giúp

đỡ, động viên và khích lệ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án tiến sĩ

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới TS Nguyễn Thế Truyện Thầy

đã động viên, khích lệ nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu sinh tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa từ năm 2013 đến nay

Nghiên cứu sinh cũng xin cảm ơn tới các anh, chị và toàn thể các bạn trong Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa, Phòng hành chính tổng hợp của Viện đã dành cho nghiên cứu sinh những tình cảm chân thành cùng với sự giúp đỡ tốt nhất để nghiên cứu sinh được nghiên cứu, học tập trong thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng anh v

Danh mục các bảng biểu xi

Phần mở đầu 1

Chương I Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí 8

Đặt vấn đề 8

1.1 Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển 11

1.1.1 Phương pháp đo sol khí trực tiếp 12

1.1.2 Phương pháp đo sol khí gián tiếp (đo từ xa) 13

1.1.3 Ứng dụng hệ Lidar trên thế giới và tại Việt Nam 16

1.2 Các nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar đo sol khí 18

1.2.1 Trên thế giới: 18

1.2.2 Ở Việt Nam 24

1.3 Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển bằng số liệu Lidar 27

1.3.1 Trên thế giới 27

1.3.2 Ở Việt Nam 29

Kết luận chương I 30

Chương II Phương pháp quan trắc sol khí bằng Lidar 32

Đặt vấn đề 32

2.1 Nguyên lý hoạt động của Lidar đo đạc các thông số khí quyển 39

2.2 Phương trình Lidar 44

2.2.1 Hệ số K 48

2.2.2 G(R) hàm phụ thuộc vào các yếu tố hình học của hệ 48

2.1.3 β(R) Hệ số tán xạ ngược của sol khí 49

2.1.4 T(R) Môi trường truyền 50

Kết luận chương II 51

Chương III Phương pháp thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí tối ưu 53

3.2 Thiết kế hệ Lidar 54

3.2.1 Lựa chọn một số modul phần cứng 55

3.2.2 Chế tạo một số modul phần cứng 66

3.3 Mô phỏng các thông số hệ Lidar 70

3.4 Hiệu chỉnh hệ Lidar 77

3.5 Xây dựng chương trình phần mềm đo và lưu trữ số liệu 84

Kết luận chương III 87

Chương IV: Xây dựng phần mềm xử lý kết quả đo và phương pháp tính độ cao lớp biên khí quyển tại khu vực Hà Nội 88

Đặt vấn đề 88

4.1 Phần mềm xử lý số liệu đo 89

4.2 Đo đạc thử nghiệm và đánh giá kết quả đo của hệ Lidar tại Hà Nội 93

4.2.1 Dữ liệu đo sol khí tại Hà Nội của các hệ Lidar 93

4.2.1.1 Thông số kỹ thuật và tổ chức ghi số liệu hệ Lidar MPL 93

4.2.1.2 Dữ liệu đo sol khí tại Hà Nội của hệ Lidar nghiên cứu chế tạo 94

4.2.1.3 Số liệu đo sol khí bằng bóng thám không 96

4.2.2 Phân tích kết quả đo 97

4.2.2.1 Kết quả đo tại Hà Nội của của thiết bị MPL 97

4.2.2.2 Kết quả đo tại Hà Nội của của thiết bị Lidar 99

4.3 Tính độ cao lớp biên khí quyển bằng số liệu Lidar 103

Kết luận chương IV 114

KẾT LUẬN 115

Danh mục các công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án 117

Tài liệu tham khảo 118

Tiếng Việt 118

Tiếng Anh 118

PHỤ LỤC 126

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng anh

Ký hiệu Nguyên bản tiếng anh Nghĩa tiếng việt

ABL Atmospheric Boundary Layer Lớp ranh giới khí quyển ADC Analog - to -Digital Converter Chuyển đổi tương tự - số

AERONET Aerosol Robotic Network Mạng lưới quang kế đo

sol khí trong khí quyển AFV Apparent Field of View Trường nhìn biểu kiến AOD Aerosol Optical Depth Độ dày quang học sol khí APD Avalanche Photodiode Đi ốt thác lũ

AVHRR Advanced Very High Resolution

Laser Light Amplification by

Stimulated Emission of Radiation

Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích LBKQ The planetary boundary layer Lớp biên khí quyển

Lidar Light Detection and Ranging Thiết bị phát hiện ánh

sáng và khoảng cách

LRS Lidar and Radiometric Sensing Lidar và cảm biến phóng

MPLNET The NASA Micro-Pulse Lidar

NASA National Aeronautics and Space

Administration

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ

OF Overlap Function Hàm chồng chập

PMT Photomultiplier Tube Modules Ống nhân quang điện

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

lái

WCT Wavelet Covariance Transform Biến đổi Wavelet hiệp

phương sai

α Extinction Coefficient Hệ số suy hao ánh sáng

Danh mục các đồ thị và hình vẽ

Số hiệu

Hình 1.2 Mạng trạm Lidar khu vực Đông Nam Á nghiên cứu khí quyển 10 Hình 1.3 Minh họa các hình thức nghiên cứu khí quyển 11 Hình 1.4 Ảnh minh họa các phương pháp đo sol khí trực tiếp 12

Hình 1.9 Ảnh hệ Lidar tại Viện Vật lý,Viện Hàn lâm KH&CNVN 17 Hình 1.10 Ảnh hệ Lidar LSA-2C,Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 18

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc (a), ảnh hệ Lidar (b) tại trường đại học Địa

vật lý và Hành tinh tại Manoa, Honolulu, Hawai 19 Hình 1.12 Cấu trúc hệ Lidar tại Chung Li, Đài Loan 21

Hình 1.15 Ảnh hệ Lidar của đề tài KC.01.21/06-10 25 Hình 2.1 Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau với bước sóng ánh sáng kích thích 33 Hình 2.2 Kích thước một số loại sol khí phổ biến 34 Hình 2.3 Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện 36 Hình 2.4 Mạch nguyên lý cung cấp điện thế cho PMT 36 Hình 2.5 Ảnh và mạch điện đấu nối bên ngoài cao áp C4900 36 Hình 2.6 Một số loại PMT có cửa sổ nhận ánh sáng khác nhau 37

Hình 2.8 Sơ đồ biểu diễn quá trình đo tín hiệu Lidar trong khí quyển 42 Hình 2.9 Sơ đồ diễn tả quá trình tín hiệu Lidar 43

Hình 2.11 Sơ đồ khối mô tả bản chất vật lý hệ Lidar 45 Hình 2.12 Minh họa ảnh hưởng hàm chồng chập và tín hiệu 49

Hình 3.3 Ảnh khối phát tia laser của laser Briliant 56 Hình 3.4 Ảnh khối phát tia laser của laser Litron Nano 57

Hình 3.7 Ảnh và sơ đồ cấu trúc kính thiên văn loại Celestron 61 Hình 3.8 Bản vẽ hình học và đường truyền qua của thấu kính LUD 50.0

Hình 3.16 Mạch nguyên lý, mạch in cấp nguồn và điều khiển hệ số

Hình 3.17 Ảnh bộ cấp nguồn có điều khiển hệ số khuếch đại PMT 68 Hình 3.18 Ảnh chuẩn trực ánh sáng dùng hai thấu kính 69

Hình 3.24 (a) tín hiệu Rayleigh mô phỏng hiệu chỉnh theo độ cao 76

(b) tín hiệu mật độ phân tử khí theo MSIS-E-90 Hình 3.25 Hình vẽ mô tả hình học giữa laser phát và kính thiên văn 77 Hình 3.26 (a) kính thiên văn thực tế, (b) mô phỏng cách chia các cung phần tư 79 Hình 3.27 Vị trí vít chỉnh trục quang laser song song với trục quang của hệ thu 80

Hình 3.29 (a) mô phỏng các cung 1/4 kính thiên văn, (b) hệ Lidar thực tế 81 Hình 3.30 Ảnh vị trí đo của kính thiên văn theo các hướng 82 Hình 3.31 Tín hiệu Lidar thu được từ các hướng sau khi hiệu chỉnh 83 Hình 3.32 Sơ đồ khối chương trình đo và lưu trữ số liệu 84 Hình 3.33 Giao diện chương trình thu tín hiệu Lidar 86

Hình 4.4 (a) Tín hiệu chạy chương trình mô phỏng

(b) tín hiệu Lidar đo lúc 9 giờ ngày 26/10/2016 92

Hình 4.6 Ảnh tín hiệu đồng bộ ngoài cho dao động ký 95 Hình 4.7 Hệ Lidar được nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp 96 Hình 4.8 Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ (01/9/2012) tại Hà Nội 98 Hình 4.9 Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ (01/9/2012) tại Hà Nội 98 Hình 4.10 Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ (01/10/2012) tại Hà Nội 99 Hình 4.11 Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ (01/10/2012) tại Hà Nội 99 Hình 4.12 Tín hiệu đo Lidar lúc 9 giờ (26/10/2016) 100 Hình 4.13 Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ 48 phút (23/11/2016) 101 Hình 4.14 Tín hiệu Lidar đo lúc 17 giờ 35 phút đến 17 giờ 58 phút 101

Hình 4.16 Tín hiệu Lidar đo lúc 18 giờ 16 phút đến 18 giờ 37 phút

Hình 4.17 Hình dạng của hàm Haar 105 Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán xác định WCT phụ thuộc giãn nở a 107 Hình 4.19 (a) Tín hiệu Lidar thu được hiệu chỉnh theo độ cao

(b) WCT phụ thuộc vào độ giãn nở a (09/3/2018) 108 Hình 4.20 (a) Tín hiệu Lidar thu được hiệu chỉnh theo độ cao

(b) WCT phụ thuộc vào độ giãn nở a (09/4/2018) 108 Hình 4.21 Lưu đồ thuật toán xác định độ cao LBKQ phụ thuộc giãn nở a 109 Hình 4.22 Sự phụ thuộc độ cao LBKQ vào giãn nở a 110 Hình 4.23 Ảnh độ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 31/11/2016 111 Hình 4.24 Ảnh độ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 25/12/2016 (18

Hình 4.25 Ảnh độ cao lớp biên khí quyển và mây ngày 05/02/2017 (18 giờ đến 18 giờ 21 phút) 112 Hình 4.26 Ảnh độ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nội (09/3/2018) 113 Hình 4.27 Ảnh độ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nội (09/4/2018) 113

Danh mục các bảng biểu

Số hiệu

Bảng 2.1 Một số loại sol khí phổ biến và nguồn gốc hình thành 33 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của LOTIS LS – 2137U 55 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản của Laser Briliant 56 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của Laser Litron Nano S120-20 57 Bảng 3.4 Kích thước hình học, trọng lượng Laser LOTIS TII 58 Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bộ nguồn cung cấp 58 Bảng 3.6 Các thông số kỹ thuật cơ bản của kính thiên văn C11 60 Bảng 3.7 Các thông số kỹ thuật của ống nhân quang điện 65 Bảng 4.1 Số liệu thông số khí quyển đo bởi bóng thám không 97

Phần mở đầu

Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn đề nghiêm trọng trên thế giới cũng như ở Việt Nam Ô nhiễm môi trường chủ yếu là ô nhiễm nguồn nước và ô nhiễm không khí, là tác nhân gây ra các bệnh dịch cho con người như ung thư, bạch hầu, v.v Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động đặc biệt là ở các đô thị lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và tại các khu công nghiệp Theo số liệu quan trắc môi trường không khí tại Hà Nội của Trung tâm quan trắc tài nguyên và môi trường công bố Ô nhiễm bụi vào thời gian vừa qua, thủ đô Hà Nội có những biến động, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ bụi PM2.5 Kết quả quan trắc từ các Trạm quan trắc không khí tự động cho thấy trong Quý I năm 2019 nồng độ bụi PM2.5 trung bình 24 giờ của một số ngày đã vượt giới hạn cho phép của QCVN 05:2013/BTNMT [10] Việc quản lý các nguồn chất xả thải gây ra ô nhiễm môi trường ở Việt Nam còn nhiều bất cập nên việc nghiên cứu các thông số môi trường, đánh giá tác nhân gây

ra ô nhiễm nhằm bảo vệ môi trường sống là cần thiết Ô nhiễm không khí chủ yếu do hai nguồn chính một là do các “vụ nổ” ở tầng điện ly, dưới hoạt động của mặt trời tạo ra các hỗn loạn thành phần của tầng khí quyển, hai là do hoạt động tự nhiên của trái đất và của con người gây ra như khói, bụi bốc lên khí quyển

Ở Việt Nam, đã có các chương trình, đề tài nghiên cứu khoa học về lĩnh vực môi trường, biến đổi khí hậu trong đó có một số nghiên cứu về các kỹ thuật đo xa không tiếp xúc Lidar là một trong những thiết bị chuyên dụng đó Việc sử dụng các kỹ thuật quang phổ, điện tử và công nghệ thông tin cho phép ứng dụng Lidar đo đạc các đặc trưng vật lý của khí quyển với độ phân giải cao theo thời gian và không gian [1],[2],[4] Ngày nay, Lidar đã trở thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu biến đổi khí hậu nói chung và vật

lý khí quyển nói riêng Lidar có khả năng đo, đánh giá và phân tích mật độ của bụi, sol khí (aerosol), ozon hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như: Thủy ngân, SO2, NO2, Benzen [12],[26],[48] Hiện nay, ở các nước tiến tiến như Pháp, Mỹ, Đức, Nga, Trung Quốc, Đài Loan, Belarus đều nghiên cứu và chế tạo nhiều hệ thống Lidar để nghiên cứu khí quyển [35],[83],[65] Trong quốc phòng, Lidar được dùng để phát hiện khí độc, máy bay tàng hình và vật thể bay không người lái (UAV) Trong hàng không dân dụng và quân sự, Lidar dùng để phát hiện sự biến đổi của các luồng gió, đo đạc độ cao của trần mây, các tầng mây theo độ cao để bảo đảm cho các hoạt động an toàn bay [14],[28],[69]

Cục Khí quyển và Đại dương cùng với Công ty hàng không Michigan (Mỹ) xây dựng và thử nghiệm hệ thống theo dõi thời tiết bằng Lidar ở cả trên mặt đất và trên máy bay Hệ thống cho phép giám sát những biến động của các hệ thống thời tiết lớn và dự đoán các dòng khí của chúng, từ đó đưa ra những dự báo thời tiết trước với độ chính xác cao

Ở Đài Loan (Trung Quốc) ứng dụng Lidar để đo đạc, nghiên cứu phân

bố nhiệt độ khí quyển, tính chất vật lý của mây tầng cao, sol khí và bụi có nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nông nghiệp Tại Pháp, thành phố Lion và trường Đại học Lyon I đã nhiều năm nghiên cứu về ô nhiễm không khí, sol khí [4],[58]

Ở Việt Nam, trước nhiều nhu cầu ứng dụng kỹ thuật Lidar phục vụ các mục đích quân sự, nghiên cứu môi trường và dự báo khí tượng thủy văn Hệ Lidar đã được nhiều cơ quan nghiên cứu, phát triển và ứng dụng quan tâm Một số cơ quan như Viện Vật lý địa cầu, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,Viện Vật lý Kỹ thuật (Viện KH&CN Quân sự), Viện Vật lý kỹ thuật (Trường đại học Bách khoa Hà Nội) bước đầu đã có

những nghiên cứu và phát triển hệ Lidar chủ yếu ứng dụng cho nghiên cứu sol khí và một vài ứng dụng khác [1],[3],[4],[9]

Lý do lựa chọn đề tài

Ngày nay, Lidar được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Tuy nhiên với giá thành cao, chi phí vận hành lớn cùng với sự phức tạp trong kỹ thuật xây dựng hệ thống và thời gian quan trắc dài vẫn là những trở ngại đối với những nước chưa mạnh về tiềm lực kinh tế và kỹ thuật như Việt Nam [94] Do đó, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp phần cứng; xây dựng phần mềm

đo, thu thập và xử lý số liệu một hệ Lidar dùng cho nghiên cứu khí quyển ở Việt Nam là một nhiệm vụ có ý nghĩa khoa học trong nghiên cứu cơ bản, trong kỹ thuật điện tử, tự động hóa và trong đào tạo phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong các lĩnh vực có liên quan

Mục đích của luận án: 02 mục đích chính:

Tự xây dựng, tích hợp được một hệ Lidar quan trắc sol khí được tối ưu về nhiều mặt như: Các modul phần cứng tích hợp lựa chọn và chế tạo được kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng theo phương trình Lidar; phương pháp hiệu chỉnh hệ thống để đạt được phép đo có độ nhạy cao; phần mềm đo, thu thập và xử lý số liệu;

Nâng cao độ chính xác khi tính độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu đo của hệ Lidar được xây dựng; thí điểm đo kiểm chứng và xử lý số liệu tại khu vực Hà Nội

Đối tượng nghiên cứu Hệ Lidar quan trắc sol khí thông qua việc nghiên cứu

các vấn đề sau:

Mô phỏng thông số kỹ thuật của các phần tử cấu thành hệ Lidar nhằm kiểm chứng các thông số kỹ thuật được lựa chọn khi thiết kế để chế tạo và tích hợp một hệ Lidar Hiệu chỉnh phần cứng của hệ Lidar để tín hiệu tán xạ

phản hồi thu được nằm ở chính giữa (trung tâm) của kính thiên văn Phương

pháp hiệu chỉnh này sẽ tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) và nâng cao độ nhạy của hệ Lidar Tự động chuyển các chế độ đo theo các số thông số môi trường

đo như nhiệt độ, độ ẩm, mây và mưa giúp cho hoạt động của hệ Lidar linh hoạt Kết hợp giữa hệ Lidar với các trạm đo trên mặt đất khác để nghiên cứu sol khí [11],[19] Sử dụng thuật toán để xử lý số liệu Lidar đo được, áp dụng xử lý số liệu Lidar đo sol khí tại Hà Nội

Phạm vi nghiên cứu Kỹ thuật điện tử, quang học và tự động hóa

Nguyên tắc hoạt động Lidar tương tự như radar [12] Lidar sử dụng bức xạ laser, đồng thời sử dụng các kỹ thuật quang phổ và quang học cho phép đo đạc các thông số vật lý đặc trưng của khí quyển theo không gian và thời gian với độ phân giải cao [2],[4] Hầu hết các hệ Lidar đều có nguyên lý cấu tạo gồm bốn bộ phận sau: Bộ phận thứ nhất của hệ Lidar là một thiết bị laser; Bộ phận thứ hai là một khối thu quang học bao gồm kính thiên văn, phin lọc, bộ phân cực ; Bộ phận thứ ba là bộ thu nhận tín hiệu tán xạ và phản xạ Chúng thường được dùng ống nhân quang điện (PMT) có hệ số khuếch đại rất lớn, dòng tối thấp và có nhiễu nhỏ hoặc điốt thác lũ APD (Photodiode Avalanche) dùng với các bước sóng trong miền hồng ngoại [2],[4],[7],[42]; Bộ phận thứ

tư của hệ thống Lidar là một hệ điện tử phức tạp nhằm khuếch đại tín hiệu từ lối ra của ống nhân quang điện (PMT) hoặc điốt thác lũ APD; các phần mềm chuyên dụng thực hiện việc đo, cài đặt thông số kỹ thuật giữa các khối, thu thập và xử lý số liệu

Tính mới về khoa học công nghệ

 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí trong khí quyển với nội dung:

Kiểm tra và đánh giá các thông số kỹ thuật các modul phần cứng tích hợp hệ Lidar từ kết quả chạy chương trình mô phỏng phương trình Lidar trước khi chế tạo;

Quy trình hiệu chỉnh hệ Lidar với các bước hiệu chỉnh cụ thể có tính toán và đo đạc nhằm giảm bớt thời gian hiệu chỉnh thiết bị trong khi chế tạo, thời gian chuẩn bị đo và tăng độ nhạy thiết bị;

Chương trình đo, thu thập số liệu và các chế độ đo phù hợp với thông số đầu vào về môi trường đo (nhiệt độ, độ ẩm, mây và mưa); chế độ đo kết hợp với trạm đo khác để giải quyết các phép đo phức tạp trong khí quyển

 Xây dựng phần mềm đo, thu thập và xử lý số liệu và đề xuất phương pháp tính độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu Lidar với nội dung:

Phần mềm đo, thu thập và xử lý kết quả đo mây và sol khí trong khí quyển theo thời gian thực với độ phân giải cao trong không gian (1-3m); Phương pháp xác định giá trị giãn nở a tối ưu trong tính biến đổi Wavelet hiệp phương sai; thuật toán, chương trình tính độ cao LBKQ bằng biến đổi Wavelet hiệp phương sai (WCT) từ số liệu Lidar thu được Áp dụng xác định độ cao lớp biên khí quyển tại Hà Nội

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ Lidar thiết kế chế tạo dựa trên các giải pháp kỹ thuật như: Phần mềm

mô phỏng thông số kỹ thuật các modul phần cứng, phương pháp hiệu chỉnh hệ Lidar để nâng cao độ nhạy của phép đo, chế độ đo phù hợp với các thông

số môi trường đo và có tính năng kỹ thuật tương đương với một số hệ Lidar của nước ngoài

Cung cấp các dữ liệu đo sol khí đã xử lý như độ cao LBKQ, độ dày quang học (AOD) để sử dụng cho tính toán, hiệu chỉnh ảnh hưởng của sol khí tới ảnh vệ tinh [37],[79] Những dữ liệu này còn dùng để chạy các mô hình vận chuyển sol khí và giải quyết các bài toán khác của vật lý khí quyển [18],[47]

Hệ Lidar có thể nhân rộng và sử dụng cho các địa phương khác nhau tại Việt Nam phục vụ cho công tác dự báo khí tượng, ứng phó với biến đổi khí

hậu, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai

Hệ Lidar nghiên cứu thiết kế và chế tạo trong nước sẽ có ưu điểm là chủ động trong thiết kế, phát triển, bảo trì, bảo dưỡng và sửa chữa Hơn nữa giá thành bằng ½ so với thiết bị nhập ngoại nên phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam

Với mục đích, các tính mới về khoa học công nghệ trên luận án sẽ được cấu trúc gồm các nội dung chính như sau:

Chương I: Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí

Chương này trình bày cấu trúc, thành phần khí, thành phần sol khí cấu thành nên lớp khí quyển bao quanh trái đất Tổng quan về phương pháp và thiết bị quan trắc sol khí trong khí quyển bằng thiết bị Lidar Đề xuất một số vấn đề nghiên cứu mới: Kiểm chứng các thông số kỹ thuật phần cứng hệ Lidar đo sol khí bằng phần mềm mô phỏng theo phương trình Lidar; phương pháp hiệu chỉnh hệ thống Lidar để nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu; cài đặt tự

động các chế độ đo phụ thuộc các thông số đầu vào môi trường đo (nhiệt độ,

độ ẩm, mây, mưa) và chế độ đo kết hợp; thuật toán và chương trình xử lý số

liệu Lidar, tính độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu Lidar

Chương II: Phương pháp quan trắc sol khí bằng Lidar

Chương này trình bày lý thuyết quá trình vật lý tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, tán xạ Mie - Rayleigh xảy ra giữa tương tác giữa photon ánh sáng và các phân tử khí; cấu tạo, chế độ hoạt động và những yếu tố kỹ thuật có ảnh hưởng của ống nhân quang điện (PMT); cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các khối cơ bản cấu thành một hệ Lidar đo sol khí; mô hình toán học của các hiệu

ứng vật lý trong hệ Lidar bẳng phương trình Lidar

Chương III: Phương pháp thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ Lidar quan trắc sol khí tối ưu

Chương này trình bày bài toán xây dựng hệ Lidar thực tế để quan trắc sol

mô phỏng các thông số kỹ thuật để kiểm chứng phần cứng lựa chọn và tự chế tạo của hệ Lidar; chế tạo hệ Lidar quan trắc sol khí theo các thông số kỹ thuật phần cứng được lựa chọn và tự chế tạo; đề xuất quy trình kỹ thuật hiệu chỉnh hệ lidar nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR), nâng cao độ nhạy của hệ Lidar; xây dựng phần mềm đo và thu thập số liệu; các chế độ đo theo các thông số môi trường

Chương IV: Xây dựng phần mềm xử lý kết quả đo và phương pháp tính độ cao lớp biên khí quyển tại khu vực Hà Nội

Chương này trình bày phần mềm xử lý số liệu đo của hệ Lidar nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện tại Viện Vật lý địa cầu - 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội trong các năm 2016, 2017 và 2018 Xác định được độ cao lớp biên khí quyển ở Hà Nội tại một số thời điểm các năm 2016, 2017 và 2018 bằng số liệu đo Lidar thông qua phương pháp biến đổi Wavelet hiệp phương sai với đề xuất giá trị giãn nở a lớn hơn hoặc bằng 24m cho hệ thống Lidar nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

Chương I Tổng quan về hệ thống Lidar quan trắc sol khí

Đặt vấn đề

Khí quyển của Trái đất là lớp khí bao quanh Trái đất được giữ lại do lực hấp dẫn của Trái đất Tầng khí quyển bảo vệ sự sống trên Trái đất nhờ sự hấp thụ các bức xạ cực tím của mặt trời, làm nóng bề mặt Trái đất qua hiệu ứng nhà kính và làm giảm sự khác biệt về nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm Tầng khí quyển được phân thành các lớp riêng biệt Hình 1.1 Tầng khí quyển

có khối lượng khoảng 5.1018 kg, ba phần tư khối lượng này tập trung ở khoảng 11km tính từ mặt đất Lớp khí quyển càng mỏng khi độ cao càng tăng, không có giới hạn rõ ràng giữa tầng khí quyển và không gian bên ngoài Người ta cũng thường coi độ cao 100 km là ranh giới giữa tầng khí quyển và không gian bên ngoài [7]

Hình 1.1 Cấu trúc của tầng khí quyển [7]

Khí phổ biến nhất là khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Khí phổ biến thứ hai là khí Oxy, chiếm khoảng 21% khí quyển Oxy cần cho hô hấp của tất cả các sinh vật sống trên Trái đất, từ con người tới các loài vi khuẩn Khí Argon chiếm dưới 1% khí quyển, nó là một khí quý rất trơ, nó không tham gia bất kỳ phản ứng hóa học nào dưới các điều kiện bình thường Ba loại khí trên chiếm 99,96% khí quyển Phần còn lại 0,04% chứa một số loại rất

(aerosol) là các hạt rắn, lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí như (khói, sương mù, bụi…) có kích thước cỡ từ từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm) Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt các chất thải, nhiên liệu than, dầu trong các khu công nghiệp Sol khí tác động trực tiếp

và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của trái đất và khí hậu [60],[74] Tác động trực tiếp là các sol khí trực tiếp phân tán và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi, ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu trái đất [82] Ngoài ra, sol khí ở tầng thấp của khí quyển có tác động gián tiếp là thay đổi kích cỡ các phần tử mây, tăng số hạt nhân ngưng kết, hình thành hạt nước nhỏ hơn, dẫn đến tăng tán xạ và phản xạ của mây Các hạt nước nhỏ làm hạn chế sự va chạm và liên kết, kéo dài thời gian tồn tại của mây và ngăn cản sự lớn lên của hạt nước trong mây tạo ra các hạt mưa [8], làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ của mặt trời của mây và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của trái đất Sol khí cũng có thể gây ra các phản ứng hóa học Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá hoại ozon ở tầng bình lưu Sol khí được chia ra làm 3 cấp Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là phần tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1 µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đổi các phần tử khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxy hóa và ngưng tụ lại Cấp có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thô (xấp xỉ 1µm) được tạo ra rất cơ học, gió thổi trên khu vực bụi hoặc bốc lên từ bụi nước biển Giữa các phần tử cực nhỏ và phần tử thô là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến 1µm Dạng này được quy cho là dạng tích tụ vì các sol khí ở kích thước này tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng tồn tại lâu dài trong khí quyển

(vài ngày) Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng trái đất và

biến đổi khí hậu bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời Sol khí là một

trong những tác nhân quan trọng gây ra biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường Việc nghiên cứu hệ thống quan trắc sol khí là vấn đề cấp thiết và quan trọng Sử dụng hệ Lidar trong nghiên cứu khí quyển nói chung và nghiên cứu sol khí nói riêng đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng [1],[25],[34],[52],[56]

Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm Sol khí là một trong tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu Từ những tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường Vì những lý do nêu trên việc tiến hành nghiên cứu nâng cao khả năng quan trắc các sol khí là quan trọng trong công tác dự báo khí tượng cũng như phòng chống và giảm nhẹ thiên tai ở Việt Nam Lidar là một trong những thiết bị công nghệ cao được sử dụng trong việc nghiên cứu, quan trắc khí quyển nói chung và sol khí nói riêng rất có hiệu quả

Hình 1.2 Mạng trạm Lidar khu vực Đông Nam Á nghiên cứu khí quyển

Hiện nay Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam có hợp tác nghiên cứu với Liên bang Nga, Mỹ, Đài Loan về sử dụng Lidar trong quan trắc khí quyển [1],[2],[4],[7] Hình 1.2 là mạng trạm Lidar khu vực Đông Nam Á nghiên cứu khí quyển Vì vậy sử dụng Lidar để nâng cao khả năng quan trắc sol khí là một nhiệm vụ có tính khoa học cao và đáp ứng được đòi hỏi của thực tiễn

1.1 Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển

Các phương pháp đo sol khí trong khí quyển Hình 1.3 có thể được chia thành loại đo trực tiếp (tại chỗ) và đo gián tiếp (viễn thám) [38] Cách khác có thể được phân chia theo kiểu thiết bị đo chủ động và thiết bị đo bị động Cũng

có thể phân chia theo phương pháp đo sử dụng nguồn riêng của thiết bị để tạo nguồn bức xạ (radar, Lidar, vv) và loại nguồn bức xạ phụ thuộc vào một nguồn bên ngoài (phổ bức xạ, sunphotometers)

Hình 1.3 Minh họa các hình thức nghiên cứu khí quyển

Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp thu thập số liệu thông qua các thiết bị đo đạc các đặc tính của mẫu bằng cách tiếp xúc trực tiếp với mẫu đo

Ví dụ như tại các đài trạm đo ở mặt đất Kĩ thuật đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, đo độ ẩm bằng ẩm kế, đo mật độ khí, mật độ sol khí bằng các thiết bị lấy mẫu đo

Thực hiện nhiệm vụ lấy mẫu trực tiếp hoặc gắn các thiết bị đo vào hệ như: bóng thám không, trên máy bay, tàu thủy, các đài trạm di động… để ghi nhận

số liệu rồi gửi về trung tâm lưu trữ và xử lý

1.1.1 Phương pháp đo sol khí trực tiếp

Các phép đo trực tiếp có điểm lợi là các tham số về quang học, hóa học

và tính chất vật lý vi mô có thể được xác định chính xác, nhưng có hạn chế là không có độ phân giải số liệu theo độ cao, ngoại trừ thiết bị đo đặt trên máy bay, bóng thám không hoặc kinh khí cầu Dữ liệu đo trực tiếp có các thông số về kích thước và thành phần hóa học của sol khí, Mặc dù đáng tin cậy, nhưng không thể được coi là đại diện cho không gian, thời gian dài Do đó phải có sự tổng hợp kết quả của các thiết bị đo đặt tại mặt đất, máy bay, khí cầu và quan sát bằng vệ tinh mới tạo thành cơ sở cho các mô hình khí quyển nói chung và sol khí nói riêng Hình 1.3 là ảnh minh họa các hình thức nghiên cứu khí quyển trên thế giới Những nghiên cứu này có thể được thực hiện đến toàn bộ bầu khí quyển Trong những nghiên cứu đó có phương pháp nghiên cứu đo sol khí trong khí quyển Chúng được thực hiện ở các thiết bị đặt trên mặt đất, trên kinh khí cầu (Stratostat), trên máy bay (U-2, WB57) Hình 1.4 và bóng bay Hình 1.5

Hình 1.4 Ảnh minh họa các phương pháp đo sol khí trực tiếp

Hình 1.5 là thiết bị đo sử dụng bóng cao su có bơm khí nhẹ để bay trong không khí và được buộc dây ở mặt đất để giữ cố định Thiết bị này mang theo thiết bị đo và có thể đo sol khí trong khoảng thời gian vài giờ [52]

Hình 1.5 Bóng bay mang thiết bị đo sol khí

1.1.2 Phương pháp đo sol khí gián tiếp (đo từ xa)

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 thiết bị đo xa được đặt 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 thiết bị đo đối với các tham số cần quan trắc Các phép đo bức xạ trong không gian (Radiometric NOAA-7) có thể nghiên cứu độ sâu và phân bố kích thước quang học của sol khí Trong khí đó

vệ tinh nhân tạo là thiết bị duy nhất có phạm vi phủ sóng toàn cầu, nhưng nó có nhược điểm là các cảm biến thụ động đặt trên đó Phương pháp này áp dụng đo trên Đại dương trong điều kiện trời trong Độ phân giải thẳng đứng

có thể thu được theo phương pháp hấp thụ Một hạn chế khác là sự trôi vị trí của vệ tinh do đó dữ liệu vệ tinh thường được hiệu chỉnh bởi các phép đo mặt đất Các vệ tinh hiện tại có độ phân giải quang phổ cao hơn như AVHRR

(thiết bị đo bức xạ phân giải cao) nhưng những hạn chế trên vẫn xảy ra Để

đạt được phép đo có độ phân giải về không gian cao thì các phép đo dùng hệ Lidar rất thuận lợi cho việc cung cấp dữ liệu về các lớp khí quyển nói chung và sol khí nói riêng [31] Hệ Lidar tương tự như radar, tuy nhiên có những ưu điểm vượt trội và là một kỹ thuật tiên tiến được áp dụng rộng trên khắp thế giới cho cả mục đích quân sự và dân sự Lidar sử dụng các bức xạ tia cực tím, tia hồng ngoại nhìn thấy và cận hồng ngoại Lidar là viết tắt viết tắt của

“Light Detection And Ranging” Hệ Lidar có các cảm biến chủ động cung cấp

dữ liệu phân giải theo không gian và thời gian Tín hiệu Lidar phản xạ tiêu chuẩn phù hợp trong các khu vực khí quyển sạch, trên tầng đối lưu và tầng bình lưu Sự kết hợp của một số phương pháp đo cho phép xác định rõ ràng các thông số vật lý như phương pháp LRS, tích hợp để xử lý chung các số liệu thu được từ mạng trạm quang kế đo sol khí AERONET [89] và mạng trạm Lidar đo sol khí Châu Âu EARLINET [93]

Hệ Lidar quan trắc sol khí được thiết kế theo hai cấu trúc cơ bản: Đồng trục (mono-static) hoặc không đồng trục (bi-static) Trong cấu trúc không đồng trục, thiết bị phát được bố trí độc lập với thiết bị thu nhận với một khoảng cách tương đối xa và cả hai đều được thiết lập các góc khác nhau để đạt được một độ phân giải nhất định trong không gian Hình 1.6 Nguồn phát ở

đây phải là nguồn sáng liên tục (continuous wave light) Loại cấu trúc này phù

hợp với các phép đo ở các vị trí đo có độ cao thấp Độ nhạy của hệ Lidar bị

hạn chế do nhiễu từ các nguồn ánh sáng bên ngoài Cấu trúc hệ Lidar này phát triển vào những năm 1960 trở về trước [12],[58]

Hình 1.6 Cấu trúc hệ Lidar theo kiểu Bi-static

Hiện nay, cấu trúc hệ Lidar thiết kế Lidar kiểu đồng trục Hình 1.7 là phổ biến Thiết bị phát laser được bố trí ở cùng vị trí với thiết bị thu Kiểu thiết kế này được bố trí theo hai cách khác nhau là một trục hoặc hai trục Với cách bố trí hai trục, trục của laser phát và trục kính thiên văn thu là song song với nhau, nhưng giữa chúng có một khoảng cách nào đó để tia laser đi vào khu vực quan sát kính thiên văn Hình 1.7a Đối với bố trí đồng trục, chùm tia laser hướng tới phía trước của kính thiên văn, xuất hiện song song với kính thiên văn và ở điểm giữa của kính thiên văn Hình 1.7b Cách bố trí giữa khối phát

và khối thu Hình 1.7a quyết định tới tín hiệu ghi nhận ở khoảng cách gần của hệ Lidar Ở những khoảng cách ngắn, kính thiên văn không thể thu nhận toàn bộ tín hiệu tán xạ trở lại mà chỉ một phần của tín hiệu laser tán xạ trở về được ghi nhận Cường độ tín hiệu thu được thay đổi theo khoảng cách và phụ thuộc vào các đặc trưng như kích thước, hình dạng, độ phân kỳ và thông số kỹ thuật của kính thiên văn, trường nhìn khối thu (FOV) và khoảng cách giữa trục quang của khối phát và khối thu Trong hệ đồng trục, chùm laser phát đồng trục với trục quang của kính thiên văn Hình 1.7b Tuy nhiên cách bố trí này

phải có sự đồng bộ tín hiệu rất tốt để có thể loại được nhiễu lớn từ nguồn phát

vì nó được đặt ngay ở chính giữa của kính thiên văn thu

Hình 1.7 Cấu trúc hệ Lidar theo kiểu đồng trục [89]

1.1.3 Ứng dụng hệ Lidar trên thế giới và tại Việt Nam

Trên thế giới

Mạng quan trắc MPLNET (Micro-Pulse Lidar NETwork) là chương trình của NASA từ năm 2000, sử dụng mạng thiết bị Lidar để nghiên cứu phân bố sol khí và mây theo chiều thẳng đứng liên tục ngày đêm, trong thời gian dài, phục vụ nghiên cứu biến đổi khí hậu và kiểm chứng mô hình kết quả

đo từ vệ tinh của NASA Hiện mạng đang hoạt động có 18 trạm Hình 1.8

Sử dụng kỹ thuật đo Lidar cung cấp các kết quả đo độ phân giải cao (phân giải 7,5m) tại vị trí đám mây theo thời gian thực vào mùa hè tại Ấn Độ (Gadanki) Dữ liệu có độ phân giải cao cho phép phân tích, dự báo sự hình thành của những đám mây, đặc biệt là mây dông Xác định độ cao lớp biên khí quyển theo thời gian thực bằng cách sử dụng các số liệu đo sol khí của hệ Lidar [88]

Ở Jakarta (Indonesia) một hệ thống mạng trạm Lidar với chế độ tán xạ Mie đã được thử nghiệm từ năm 1997 Cùng với nó là hệ thống quan trắc bằng Radiosonde cũng được thực hiện trong cùng thời gian Đã cho thấy sự thay đổi của cấu trúc lớp biên và sự lưu thông gió biển - đất liền đã được quan sát rõ ràng trong giai đoạn này Các lớp sol khí được quan sát phía trên lớp ranh giới ở độ cao từ 2 đến 5km [68]

Ở Việt Nam

Lidar sử dụng trong dự báo úng ngập, triều cường do Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh triển khai với dự án ứng dụng công nghệ Lidar xây dựng mô hình 3 chiều phục vụ quản lý đô thị thành phố Khi hoàn tất dự án có thể xác định chính xác cốt nền thành phố, đồng thời đưa ra thông tin cảnh báo, dự báo chính xác nguy cơ bị ngập để người dân chủ động đối phó [4]

Hình 1.9 Ảnh hệ Lidar tại Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CNVN

Nghiên cứu sol khí bằng hệ Lidar đã có một số cơ sở như Viện Điện tử, Viễn thông (Viện KH&CN Quân sự), Viện Vật lý địa cầu, Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam) ở Hình 1.9 và của Viện Vật lý (Trường đại học Bách khoa Hà Nội) ở Hình 1.10 bước đầu đã có những nghiên cứu và phát triển hệ Lidar ứng dụng cho nghiên cứu sol khí và một số ứng dụng khác tiếp cận hệ Lidar [1],[2],[4],[7]

Hình 1.10 Ảnh hệ Lidar LSA-2C, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.2 Các nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar đo sol khí

1.2.1 Trên thế giới:

Năm 1992 - 1995 tại phòng thí nghiệm vật lý Ahmedabad – khoa vật lý ứng dụng thuộc trường đại học MS bang Baroda đã nghiên cứu và phát triển và đưa vào sử dụng hệ đo Lidar Với bước sóng sử dụng là 532nm là hài bậc 2 của bước sóng cơ bản Nd:YAG 1064nm Laser Nd: YAG được phát thẳng lên khí quyển với góc nghiêng 450 Một kính thiên văn dạng Casegrain có đường kính 40cm để thu tín hiệu tán xạ từ độ cao thấp và một kính thiên văn đường kính 90cm dùng để đo nhiệt độ Một bộ lọc nhiễu có bước sóng trung tâm 532nm, băng thông 1nm được sử dụng để giảm nhiễu nền Tín hiệu tán xạ sau khi đi qua bộ lọc sẽ được thu thập ở đầu vào ống nhân quang điện (PMT), tín hiệu ở đầu ra PMT đưa đến bộ xử lý số liệu (Stanford Research Systems)

[12] Ở đây tác giả bài báo không đề cập đến việc thiết kế, chế tạo hệ Lidar từ các modul phần cứng và cũng không đề cập đến các chế độ đo khác nhau Năm 2001-2002 trường đại học Địa vật lý và Hành tinh ở Manoa, Honolulu, Hawai nghiên cứu và phát triển và đưa vào sử dụng hệ Lidar nhỏ

để đo tán xạ sol khí Trong phần thiết kế hệ Lidar, bài báo chỉ đề cập đến sơ

đồ cấu trúc hệ Lidar theo kiểu đồng trục Hình 1.11a và ảnh của hệ thống đã được chế tạo với các modul phần cứng Hình 1.11b

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc (a), ảnh hệ Lidar (b) tại trường đại học Địa

vật lý và Hành tinh tại Manoa, Honolulu, Hawai Hệ Lidar này sử dụng laser phát có buồng cộng hưởng loại Nd:YAG, hoạt động ở chế độ xung với tần số 20Hz, công suất phát 20 mJ tại bước sóng chính 1064 nm, 12 mJ tại bước sóng 532nm và 7 mJ ở bước sóng 355nm Một kính thiên văn có đường kính 12,7cm để thu tín hiệu laser tán xạ về Đường kính chùm tia laser khoảng 3mm và độ phân kỳ 1 mrad ở bước sóng 532nm

và 1,5 mrad ở bước sóng 1064nm Laser được gắn ở phía bên của kính thiên văn và hai lăng kính nhỏ được sử dụng để hướng chùm tia laser vào trung tâm kính thiên văn, cấu trúc hệ Lidar này là một hệ thống đồng trục Tín hiệu phản xạ sau khi đi qua bộ lọc sẽ được thu thập bởi đầu vào ống nhân quang điện PMT loại H6779 đối với thu tín hiệu phản xạ khi dùng laser phát có bước sóng 532nm và dùng loại điốt thác lũ APD C3095 nhận tín hiệu phản xạ khi

dùng laser phát ở bước sóng 1064nm Tín hiệu thu được đưa đến dao động ký Tektronix TDS 3014 loại 8 bít để thu thập và xử lý số liệu Đầu ra của dao động ký Tektronix kết nối với máy tính qua cổng nối tiếp Kết quả xử lý tín hiệu sẽ cho ra các thông số về chiều cao, độ dày của mây và sol khí [54] Tuy nhiên mô phỏng các thông số kỹ thuật modul phần cứng theo phương trình Lidar trong thiết kế trước khi chế tạo hệ Lidar trên đã không được đề cập Các chế độ đo khác nhau phù hợp với các thông số môi trường

đo và chế độ đo kết hợp để chia sẻ số liệu với các trạm đo khí quyển khác ở mặt đất cũng không được đặt ra ở hệ Lidar này, chỉ có chế độ đo trong điều kiện bầu trời trong

Năm 2003 tác giả Hyo Sang Lee và các cộng sự công bố sáng chế tại Mỹ[49] về hệ thống Lidar kỹ thuật số di động với 67 điểm bảo vệ về hệ thống như: Thành phần của hệ thống gồm có laser xung, kính thiên văn, hệ thu tín hiệu phản hồi xử lý kỹ thuật số; trong số các điểm bảo vệ của sáng chế này không có điểm bảo vệ về mô phỏng các thông số phần cứng trong xây dựng hệ thống Lidar

Năm 2010 tác giả Hyo Sang Lee và các cộng sự lại công bố sáng chế tại Mỹ [50] về hệ thống Lidar kỹ thuật số di động nâng cao với 95 điểm bảo vệ Trong đó tác giả sáng chế có đưa thêm các điểm mới về kết nối nguồn phát laser với cáp quang Tuy nhiên cũng như sáng chế năm 2003 các điểm bảo vệ của sáng chế này không có điểm bảo vệ về mô phỏng các thông số phần cứng trong xây dựng hệ thống Lidar dựa trên phương trình Lidar

Năm 2011 tác giả David S Hall, Los Altos Hill công bố sáng chế tại Mỹ [26] về hệ thống Lidar có độ chính xác cao với 25 điểm bảo vệ trong đó có cấu trúc hệ gá có thể lắp đặt được nhiều loại laser và ống nhân quang điện; hệ

có cấu trúc quay khi đo với tốc độ thấp nhất 200 vòng/phút Sáng chế này không có điểm bảo vệ về mô phỏng các thông số phần cứng tích hợp trong chế tạo hệ thống Lidar có độ chính xác cao dựa theo phương trình Lidar Tại Chung Li, Đài Loan đã xây dựng hệ Lidar hai kênh dùng cho nghiên cứu sol khí (mây Ci – Cirrus Cloud) Hình 1.12

Hình 1.12 Cấu trúc hệ Lidar tại Chung Li, Đài Loan

Hệ này hoạt động dựa trên tán xạ Rayleigh; Laser được dùng là Nd:YAG phát thẳng đứng lên khí quyển ở bước sóng 532nm Kính thu (telescope) là dạng Newton có đường kính 45cm Tín hiệu thu sau khi đi qua bộ lọc được tách hai kênh phân cực dọc và phân cực ngang Các tín hiệu này được khuyếch đại bằng hai ống nhân quang điện (PMT) và đi đến thiết bị xử lý tín hiệu đa kênh cho phép phân giải đến 24m [1] Theo nội dung bài báo, cấu trúc hệ Lidar này theo kiểu đồng trục Phần thiết kế hệ lidar từ các modul phần cứng cũng như việc chế tạo và chế độ đo không đề cập

Trung tâm nghiên cứu môi trường của Academia Sinica hiện đang sử dụng hệ Lidar Raman do Hãng Raymetrics - Hy Lạp chế tạo để nghiên cứu đặc trưng vật lý của sol khí và bụi có nguồn gốc sinh học như cháy rừng, canh tác nông nghiệp Hệ Lidar này sử dụng laser YAG Nd có công suất cao, năng lượng xung 200 mili Joule/xung ở bước sóng 532 nm và khoảng 70 mili Joule/xung ở 355 nm Anten thu quang học là một kính thiên văn loại Cassegrain có đường kính 40 cm Hệ điện tử thu tín hiệu Lidar gồm 4 kênh để thu tín hiệu ở 532 nm (phân cực dọc và phân cực ngang), tín hiệu Lidar ở

355nm, tín hiệu tán xạ Raman đo khí Nitơ ở 387 nm Trong điều kiện thời tiết tốt hệ Lidar này có thể thu được tín hiệu do tán xạ Mie/Rayleigh ở 532nm hay 355nm từ khoảng cách 10 km và đo tín hiệu tán xạ Raman từ khí Nitơ đến khoảng cách 5-6 km [4] Hệ Lidar sử dụng ở đây là sản phẩm thương mại nên thiết kế cấu trúc hệ thống, thông số kỹ thuật modul phần cứng để tích hợp là

bí mật công nghệ của công ty nên người sử dụng hệ không được biết

Hệ Lidar Hình1.13a là thiết bị thuộc mạng trạm MPLNET của NASA, hoạt động ở chế độ Rayleigh Bên cạnh các phép đo ranh giới mây thì số liệu MPLNET còn có thể dùng để xác định mặt cắt ngang tán xạ; độ dày quang học của mây; độ cao lớp biên khí quyển; hệ số suy giảm và độ dày quang học sol khí Thiết bị bao gồm một hệ kính thiên văn đồng trục có tác dụng thu tín hiệu tán xạ về, phát tín hiệu là một laser Nd-YLF phát ra xung ánh sáng công suất 6 - 8 mJ với tần số xung 2500Hz ở bước sóng 532 nm Tín hiệu được ghi theo chiều thẳng đứng Hệ Lidar này đã hoạt động tại Hà Nội từ tháng 11/2011 đến tháng 11/2012, thực hiện đo tự động liên tục 24 giờ trong ngày

Số liệu Lidar trong mỗi ngày được lưu dưới dạng file netCDF với độ phân giải theo chiều thẳng đứng 75m và theo thời gian là 1phút Hệ Lidar này đã sử dụng tại Viện Vật lý địa cầu Nhưng từ vận hành, đo đạc và cài đặt các thông

số kỹ thuật đều do các chuyên gia của NASA thực hiện Hệ Lidar này là sản phẩm thương mại của NASA Nên thiết kế cấu trúc hệ thống, thông số kỹ thuật modul phần cứng tích hợp đều là các bí mật công nghệ do NASA sở hữu không chuyển giao Vì vậy các chuyên gia tuyệt đối không trao đổi, thảo luận về các nội dung này

Hình 1.13b là hệ Lidar di động sử dụng laser phát là loại Nd:YAG có các bước sóng phát (1064nm, 532nm và 355nm) tần số xung laser là 20Hz, hoạt động ở chế độ đóng ngắt nhanh (Q - Switching) Hệ quang học thu sử dụng

một kính thiên văn có đường kính 110mm và sử dụng cáp sợi quang cho phần truyền tín hiệu đo được tới ống nhân quang điện (PMT) [54]

a) Hệ Lidar đo cố định b) Hệ Lidar đo di động

Hình 1.13 Ảnh hệ Lidar do NASA chế tạo

Hãng Photonics Technology Obninsk (LB Nga) hiện cung cấp thiết bị Lidar LSA-2C Hình 1.14 với các thông số kỹ thuật: Nguồn phát laser Nd: YAG có năng lượng xung cực đại khoảng 100 mili Joule/xung tại bước sóng

1064 nm và 50 mili Joule/xung tại bước sóng 532 nm Laser có tần số lặp lại

20 Hz và độ rộng xung 5 nano giây Anten thu quang học của hệ Lidar là một kính thiên văn loại Cassegrain có kích thước 25cm Hệ thu quang điện tử gồm hai kênh hoạt động ở chế độ đo tương tự, cho phép thu tín hiệu tán xạ tại hai bước sóng laser ở 1064 nm và 532 nm Thiết bị Lidar LSA-2C này có thể đo được tín hiệu tán xạ trở về từ khoảng cách tối đa 6 km Hệ này cho phép đo phân bố trong không gian của sol khí và xác định một số thông số vật lý như kích thước hạt trung bình Hệ Lidar LSA-2C dùng để phát hiện cháy rừng, nguồn phát tán sol khí [4] Hệ Lidar này đã sử dụng tại Việt Nam (trường đại học Bách Khoa Hà Nội) Nhưng hãng chỉ cung cấp tài liệu vận hành, chương trình đo và xử lý số liệu Về các tài liệu thiết kế cấu trúc hệ thống, thông số kỹ

thuật modul phần cứng để tích hợp đều không có bất cứ thông tin nào từ nhà sản xuất

Hình 1.14 Ảnh (a) và (b) hệ Lidar LSA-2C

Trong một số bài báo quốc tế (2019), nội dung nghiên cứu đã đề cập đến

mô phỏng thông số kỹ thuật phần cứng của hệ Lidar như hàm chồng chập của hệ quang học trong phương trình Lidar, so sánh kết quả chạy chương trình mô phỏng với kết quả đo thực nghiệm [16] Sử dụng phương trình Lidar để mô phỏng tín hiệu Lidar phản hồi về và so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm Tuy nhiên đây chỉ là các mô phỏng đơn lẻ từ một đến hai thông số kỹ thuật modul phần cứng trong tổng thể nhiều thông số kỹ thuật của modul phần cứng tích hợp hệ Lidar, liên quan đến phương trình Lidar

1.2.2 Ở Việt Nam

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar quan trắc sol khí nhằm mục tiêu nghiên cứu, đo đạc và phân tích thông số sol khí từ xa, kết hợp với những bộ

số liệu đo bằng các phương pháp đo khác để đánh giá được sự thay đổi khí hậu, mức độ ô nhiễm của môi trường, phục vụ cho các mục đích an ninh quốc phòng và kinh tế xã hội là một nhiệm vụ của khoa học

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển” mã số KC.01.21/06-10 do PGS.TS Nguyễn Thế Hiếu [4] với thiết kế kỹ thuật: Hệ Lidar làm việc với laser có bước sóng phát 1064 nm

và 532 nm Hệ thu và máy tính phân tích, xử lý, lưu trữ số liệu hoạt động ở hai bước sóng phát của laser YAG-Nd là 1064 nm và 532 nm Đầu thu loại photodiode thác lũ (APD) được dùng cho bước sóng 1064 nm và ống nhân quang điện (PMT) dùng cho bước sóng phát 532 nm Hình 1.15

Hình 1.15 Ảnh hệ Lidar của đề tài KC.01.21/06-10

Trong nội dung thiết kế chế tạo hệ Lidar có nêu các thông số kỹ thuật của hệ Laser YAG-Nd Briliant, cách gá và tinh chỉnh hệ phát và hệ thu của hệ Lidar Về mô phỏng các thông số kỹ thuật phần cứng tích hợp hệ thống theo phương trình Lidar hoàn toàn chưa được đề cập trong báo cáo kết quả Phần nội dung kết quả thử nghiệm hệ thống Lidar có phần điều chỉnh chùm tia laser vào thị trường của kính thiên văn Tuy nhiên phương pháp và quy trình hiệu chỉnh không được trình bày trong báo cáo; nội dung này đề tài chưa đưa ra một quy trình hiệu chỉnh giữa bộ phát tia laser và kính thiên văn để thu tín hiệu tán xạ lớn nhất Về chế độ đo đề tài đã có hai chế độ đo ngày và đo đêm còn ở các chế độ đo khác phụ thuộc vào các yếu tố môi trường đo và chế độ

đo kết hợp với các trạm đo khí quyển mặt đất khác thì chưa được đề cập

Luận án tiến sĩ của tác giả Bùi Văn Hải về “Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của sol khí trong tầng khí quyển” năm 2014 có nghiên cứu xây dựng, phát triển một hệ Lidar nhỏ sử dụng laser diode công suất cao phát bức xạ 905 nm và đầu thu APD quan trắc lớp sol khí tầng thấp dưới 10km [3] Trong nội dung nghiên cứu này, không đề cập đến nội dung

mô phỏng thông số kỹ thuật các modul phần cứng trong phương trình Lidar khi xây dựng, phát triển hệ Lidar Xây dựng chế độ đo phù hợp với các thông

số môi trường và kết hợp với các trạm đo khí quyển khác cũng chưa được nghiên cứu

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Xuân Tuấn về “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển” năm 2016 [9] Trong chương 2 người viết đề cập đến “thiết kế và phát triển các hệ Lidar” với nội dung: Mô tả hoạt động, đánh giá độ tin cậy và ổn định của hệ Lidar Tuy nhiên nội dung mô phỏng các thông số kỹ thuật hệ Lidar khi thiết kế và phát triển các hệ Lidar chưa đề cập Phần tối ưu hoá cấu hình hệ Lidar có đề cập đến phần hiệu chỉnh trục quang của chùm laser và trục quang của kính thiên văn để làm giảm hiệu ứng đa tán xạ trong thu tín hiệu Lidar Tuy nhiên phương pháp và quy trình hiệu chỉnh chưa được nghiên cứu

Từ phân tích các nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ Lidar về giá thành, chi phí vận hành hệ Lidar đo sol khí trong nước và trên thế giới Tác giả nhận thấy rằng chủ động hoàn toàn trong thiết kế, chế tạo và tích hợp phần cứng hệ Lidar là cần thiết Chương trình mô phỏng thông số kỹ thuật các modul phần cứng tích hợp theo phương trình Lidar giúp kiểm chứng các thông số kỹ thuật phần cứng trước khi chế tạo Thiết lập quy trình hiệu chỉnh nâng cao độ nhạy hệ đo; xây dựng chế độ đo phù hợp với các thông số môi trường và kết hợp với các trạm đo khí quyển khác giúp hoạt động của hệ Lidar hiệu quả hơn là những nội dung mới rất cần được nghiên cứu

1.3 Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển bằng số liệu Lidar

Sử dụng hệ Lidar nhằm xác định chiều cao của lớp biên khí quyển đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới [72],[94] Độ cao LBKQ là một biến số quan trọng trong mô hình dự báo khí hậu và ô nhiễm không khí Do đó việc quan trắc độ cao LBKQ với độ phân giải cao theo chiều thẳng đứng

và theo thời gian là cần thiết [66]

1.3.1 Trên thế giới

Trong sử dụng số liệu Lidar để xác định độ cao lớp biên khí quyển [23] Tác giả Vanessa Caicedo và các cộng sự nêu ra ba phương pháp để tính độ cao lớp biên khí quyển: Phương pháp gradient, phương pháp phân tích cụm (cluster analysis) và phương pháp Wavelet_Haar sử dụng số liệu từ thiết bị đo Vaisala CL31 Kết quả cho thấy phương pháp Wavelet_Haar có kết quả tốt Tuy nhiên ở mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm nhất định Trong bài báo phương pháp Wavelet_Haar không xác định chính xác giá trị giãn nở a mà chọn giá trị giãn nở a ngẫu nhiên đó là khó khăn của phương pháp này Ví dụ với tín hiệu đo đêm giá trị giãn nở a được chọn bằng 30m Phương pháp Wavelet để xác định chiều cao lớp ranh giới khí quyển (ABL) từ các tín hiệu Lidar [61],[80] Phương pháp biến đổi Wavelet hiệp phương sai (WCT) được sử dụng xác định sự biến thiên trong các tín hiệu Lidar đo được Sử dụng phương pháp này, chiều cao lớp ranh giới khí quyển

sẽ phụ thuộc vào giá trị giãn nở a Tuy nhiên xác định giá trị giãn nở a cho thuật toán Wavelet không được đề cập đến trong bài báo này

Nghiên cứu sử dụng phép biến đổi Wavelet hiệp phương sai để xác định độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu tán xạ về của hệ Lidar bằng cách tìm giá trị lớn nhất trong phương pháp biến đổi Wavelet hiệp phương sai Kết quả cho thấy sự phụ thuộc đáng kể vào độ giãn nở a trong xác định độ cao lớp biên khí quyển Một cách tiếp cận khác được phát triển bằng cách sử dụng nhiều giá trị