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

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 C
3





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 -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.
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.z
2
) 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 (N
2
, O
2
, CO
2
, H
2
O…) 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 0,01m 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 (N
2
)
28
78,08
Thành phần
chủ yếu
Ô xy (O
2
)
32
20,95
Argon (Ar)
40

0,09
Thành phần
thứ yếu
Hơi nước (H
2
O)
18
Biến đổi
CO
2

44
380 ppm
Neon (Ne)
20
18 ppm
Hê li (He)
4
5 ppm
Mê tan (CH
4
)
16
1,57 ppm
Hydro (H
2
)
2
0,5 ppm
Ni tơ oxít(N

2
O)
56
0,3 ppm
Ozone (O
3
)
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