Tiến Sĩ Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NĂM 2014

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
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
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 .
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 .
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 .
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 .
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

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 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 àm. 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:

Mục đích của luận án:
Ø 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.
Ø 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.
Ø 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.
Ø 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.