Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện tử nghiên cứu hoàn thiện hệ thống lidar quan trắc sol khí

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

U DUY TU N

SOL

Ĩ

- 2021


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

U DUY TU N

1
2.

- 2021


I CA

Đ AN

s

u n nv
t
n tl
n

n

v

n usn xn m o n yl
n trìn n
n
kết quả n
n u
trìn b y tron lu n n l trun t
từn ể bảo v ở bất kỳ
v n o
n

t u
nt
u–

nn
n u
n nl m
o
uy n u n n và

usn xn
lu n n ã
m ơn,
ỉ rõ n uồn ố

m o n rằn m

t n t n trí

LIDAR
nt , n
,
n
v
n n
t m
u n
n
u
,k

v

mìn ,
h quan

s
úp ỡ o v t
n tron lu n n n y u

, n y ... tháng .... năm 2021
ả lu n n

D

i

T

n


IC
r

t n,

n

ỡ,

usn xn

u n

Anh,
n v nv k í

N

n

l n

l

ảm ơn ến TS.

t y ã
n

n

n

uy n

u n

uy n m n,

u s n tron suốt qu trìn t

úp

n lu n

n t ến sĩ.
n
ã

usn xnb yt l

n v n, k í
usn t

l n

nn

n

n
u

ảm ơn t

uy n

.

u s n tron suốt t
nt ,Tn

,T

ế ruy n

nt
n

y

nn

từ năm

n
ến

nay.

tron

n

u sn

nn

n

p
v
t

n ã
s

n x n ảm ơn t
u

n

nt ,Tn

,T

on

n

usn n

úp ỡ tốt n ất ể n

n

u sn

n ,
n

v to n t ể
,

n h n

n tìn

ảm

n

n

b n

ín t n

nt n
u,

n

t p tron

n qu
n

nt n

ảm ơn!

, n y … tháng … năm 2021
ả lu n n

D

ii

T


C

C

Danh mụ
k
u,
viết tắt v t ến n .......................................... v
n mụ
bản b ểu .............................................................................. xi
n mở u .................................................................................................. 1
C ơn
n qu n v
t ốn
r qu n trắ sol k í ............................ 8
t vấn ...................................................................................................... 8
1.1
p ơn p p o sol k í tron k í quyển .................................... 11
1.1.1

ơn p p o sol k í tr c tiếp .................................................... 12

1.1.2

ơn p p o sol k í
n

1.1.3

ụn

n t ếp (

r tr n t ế

v t

) ................................... 13
t

m ........................... 16

r o sol k í .......................... 18

1.2 Các nghiên c u thiết kế, chế t o h

1.2.1 Trên thế gi i: ...................................................................................... 18
1.2.2 Ở

t

m ....................................................................................... 24

ơn p p x

n

cao l p biên khí quyển bằng số li u Lidar. . 27

1.3.1 Trên thế gi i ....................................................................................... 27
1.3.2 Ở Vi t Nam ....................................................................................... 29
ết lu n
ơn ........................................................................................ 30
ơn

ơn p p qu n trắ sol k í bằn
r ............................... 32
t vấn .................................................................................................... 32
2.1 Nguyên lý ho t ng c
r o c các thơng số khí quyển ......... 39
2.2
ơn trìn Lidar .............................................................................. 44
2.2.1

số K............................................................................................ 48

2.2.2

G(R) hàm phụ thu c vào các yếu tố hình h c c a h . ................... 48

2.1.3

β( )

2.1.4

( )

số tán x n
tr

sol k í ............................................... 49

ng truy n ................................................................ 50

ết lu n
ơn
...................................................................................... 51
ơn
ơn p p t ết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắc
sol khí tố u ................................................................................................ 53
3.1 Bài toán xây d ng h Lidar ................................................................... 53
iii


3.2 Thiết kế h Lidar ................................................................................... 54
3.2.1 L a ch n m t số modul ph n c ng. ................................................... 55
3.2.2 Chế t o m t số modul ph n c ng....................................................... 66
3.3
p n
t n số
r......................................................... 70
3.4
u ỉn
r............................................................................. 77
3.5 Xây d n
ơn trìn p n m m o v l u tr số l u .................... 84
ết lu n
ơn
..................................................................................... 87
ơn
y ng ph n m m x l kết quả o v p ơn p p tín
o l p b n k í quyển t k u v
................................................ 88
t vấn .................................................................................................... 88

4.1
n m m x l số l u o ................................................................. 89
o
t n
mv
n
kết quả o
rt
.... 93
l u o sol k í t

Lidar .................................. 93

n số k t u t v t
số l u
r
................ 93
l u o sol k í t
rn
n u ế t o ..... 94
ố l u o sol k í bằn b n t m k n ...................................... 96
4.2.2

n tí

kết quả o ....................................................................... 97

ết quả o t
t ết b
................................... 97

ết quả o t
t ết b
r .................................. 99
4.3 ín
o l p b n k í quyển bằn số l u
r .......................... 103
ết lu n
ơn
................................................................................... 114
K T LU N ............................................................................................... 115
n mụ
n trìn k o
t
ả l n qu n ến lu n n ..... 117
l u t m k ảo ..................................................................................... 118
Tiếng Vi t .................................................................................................. 118
Tiếng Anh .................................................................................................. 118
.................................................................................................. 126

iv


D

,
N

N

ABL

Atmospheric Boundary Layer

pr n

k í quyển

ADC

Analog - to -Digital Converter

uyển

t ơn t - số

AERONET

Aerosol Robotic Network

AFV

Apparent Field of View

AOD

Aerosol Optical Depth

APD

Avalanche Photodiode

AVHRR

Advanced Very High Resolution
Radiometer

n l
qu n kế o
sol k í tron k í quyển
r

n n ìn b ểu k ến
y qu n
ốt t

EARLINET European Aerosol Lidar Network
Field of View

Laser

Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation

LBKQ

The planetary boundary layer

Lidar

Light Detection and Ranging

LRS

Lidar and Radiometric Sensing

MODIS

Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer

MPLNET

The NASA Micro-Pulse Lidar
Network

NASA

National Aeronautics and Space
Administration

v

l

ết b o b
ả o

x p n

n

r qu n trắ
k í Châu Âu
r

FOV

sol k í

n n ìn

k uế
n s n
bằn p t x kí t í
p b n k í quyển
ết b p t n n
s n v k oản
rv

ảm b ến p n

x
ết b o qu n p
ìn ản
n

r

ơ qu n n k n v
trụ o ỳ

ol


m

ồn

p

OF

Overlap Function

PMT

Photomultiplier Tube Modules

QE

Quantum Efficiency

u suất l

n t

S

Radiant Sensitivity

n yb

x

SNR

Signal-to-Noise Ratio

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

WCT

Wavelet Covariance Transform

B ến
Wavelet h p
p ơn s

α

Extinction Coefficient

H số suy

β

Scatter Coefficient

H số t n x n

n n n qu n

ỷ số tín

vi

n

u tr n n

tt ể b yk n n
l

o n s n

u


D
Số hi u
hình v

Tên hình v

Trang

ìn

Cấu trúc c a t ng khí quyển

ìn

M ng tr m Lidar khu v

ìn

Minh h a các hình th c nghiên c u khí quyển

11

Ảnh minh h

12

ìn

4

ìn

p

8
n

m

n

n

u khí quyển

ơn p p o sol k í tr c tiếp

n b y m n t ết b

o sol k í

10

13

ìn 1.6

ấu trú

r t o k ểu

-static

15

ìn 1.7

ấu trú

r t o k ểu ồn trụ

16

ìn

8

ìn

9

Ảnh h Lidar t i Vi n V t lý,Vi n Hàn lâm KH&CNVN

17

ìn

10

Ảnh h Lidar LSA-

18

tr m

16
, r

n

i h c Bách Khoa Hà N i

ơ ồ cấu trúc (a), ảnh h Lidar (b) t tr n
ih
v t lý và Hành tinh t i Manoa, Honolulu, Hawai

ìn
ìn

trí

12

un

Cấu trúc h Lidar t

,

a

19

o n

21

ìn 1.13

Ảnh h Lidar do NASA chế t o

23

ìn

14

Ảnh (a) và (b) h Lidar LSA-2C

24

ìn

5

Ản

25

ìn 2.1

idar c

tài KC.01.21/06-10

nx
n ồ tr n
s n n s n kí t í

ìn

í

ìn

ấu trú v n uy n l k uế

ìn
ìn

M
5

ìn

t

t

kí

t

n uv

b

c m t số lo i sol khí ph biến
n uy n l

Ảnh và m

un

ấp

nt ế

33
34

ống n n qu n

n

o

36
36

n ấu nối bên ngoài cao áp C4900

36

s n n n s n k

37

t số lo

ìn

ơ ồ khối h Lidar

ìn 2.8

ơ ồ biểu di n qu trìn

ìn 2.9

ơ ồ di n tả q trình tín hi u Lidar

ìn 2.10

k

n u

39
o tín

u Lidar trong khí quyển

Minh ho hình h c h Lidar

42
43
44

vii

ìn 2.11
ìn 2.12
ìn 3.1

ơ ồ khối mô tả bản chất v t lý h Lidar
Minh h a ản

45

ởng hàm chồng ch p và tín hi u

49

ơ ồ khối h Lidar

54

Hình 3.2

Ảnh khối phát tia laser c a laser LOTIS

55

ìn 3.3

Ảnh khối phát tia laser c a laser Briliant

56

ìn 3.4

Ảnh khối phát tia laser c a laser Litron Nano

57

ìn 3.5

Ản

59

ìn 3.6

up tl s r

l s r

ơ ồ ấu trú k ối thu

60

ìn 3.7

Ản v sơ ồ cấu trú kín t

ìn 3.8

Bản vẽ hình h v
-43.9-UV-355-532

ng truy n qua c a thấu kính LUD 50.0

ìn 3.9

Bản vẽ hình h
16 x 15

v

ng truy n qua c a thấu kính DCX UV

ìn 3.10

Ảnh kính l c F03-532.0-4-1.00

ìn 3.11

Ản v
ng truy n t s n k
PBSH- 450-1300-100

ìn 3.12

Cấu trúc hình h
PMT

v

ồ th

n văn lo i Celestron

61
61
62
63

qu k ối tách chùm

nh y b c x t o b

c sóng

63
64

ìn 3.13

ơ ồ khối m ch cấp nguồn h Lidar

66

ìn 3.14

ơ ồ m ch nguyên lý cấp nguồn h Lidar

67

Hình 3.15

M ch in và m ch cấp nguồn có linh ki n

Hình 3.16

M ch ngun lý, m ch in cấp nguồn v
khuế
i PMT

Hình 3.17

Ảnh b cấp nguồn

Hình 3.18

Ảnh chuẩn tr c ánh sáng dùng hai thấu kính

69

Hình 3.19

Bản vẽ ơ k í b gá lắp hai thấu kính

69

Hình 3.20

Ảnh 3D c a b gá hai thấu kính

70

Hình 3.21

Ảnh các b ph n quang h c thu

70

Hình 3.22

Mơ hình t ng qt mơ ph ng h Lidar

72

Hình 3.23
Hình 3.24

67
u khiển h số

u khiển h số khuế

i PMT

u ồ thu t tốn m p n

68
68

75

(a) tín hi u Rayleigh mơ ph ng hi u chỉn t o
viii

cao

76


(b) tín hi u m t
Hình 3.25

phân t khí theo MSIS-E-90

ìn vẽ m tả ìn

ìn

26

( ) kín t
p nt

ìn

27

trí vít
t u

ìn

28

ìn

29

( )m p

ìn

30

Ản v trí o

ìn

31

ín

ìn

32

ơ ồk ố

ìn

33

n văn t

tế, (b) m p

un

kín t

kín t
rt u

un

79

trụ qu n

80
81

n văn, (b)

n văn t o
từ

ơn trìn

n

77

ỉn v trí l s r p t

n

u

n văn

n

ỉn trụ qu n l s r son son v

núm t n

o

l s r p t v kín t

rt

n

n s uk
u

81
82

u

ỉn

o v l u tr số l u

ơn trìn t u tín

tế

83
84

r

86

ìn 4.1

ơ ồ k ố hiển th kết quả o

90

ìn 4.2

ơ ồ

90

ìn 4.3

ơ ồ khố t u v ản

ơn trìn x l số li u
Lidar

91

ìn 4.4

(a) ín u ch y
ơn trìn mơ ph ng
(b) tín hi u
r o lú
n y

92

ìn 4.5

Thiết b quan trắc MPLNET ở Hà N i

93

ìn 4.6

Ản tín

ìn 4.7

u ồn b n o
r

n

n

o

o

n k

95

u t ết kế, chế t o và tích h p

96

ìn 4.8

ín

u

r o lú

(

)t

i

98

ìn 4.9

ín

u

r o lú

(

)t

i

98

ìn 4.10

ín

u

r o lú

(01/10/2012) t Hà N i

99

ìn

1

ín

u

r o lú

(

99

ìn

2

ín

u o

ìn

3

ín

u

r o lú

48 p út (23/11/2016)

101

ìn

4

ín

u

r o lú

35 p út ến 17

101

ìn

5

ín

u

r on y

ìn

6

r lú

ín u
r o lú
(24/11/2016)

8

)t

i

(26/10/2016)

100
58 phút

102
16 p út ến 18 gi 37 phút

ix

103

ìn

7

ìn

8

ìn

9

ìn

ìn

n

a hàm Haar

u ồ t u t to n x

( ) ín
(b)

u
rt u
p ụt u v o

u ỉn t o
ãn nở (

p ụt u

ìn

ãn nở

u ỉn t o
ãn nở (

ìn

24

p ụt u

u
rt u
p ụt u v o

u ồ t u t to n x

ìn

n

( ) ín

(b)

ìn
ìn

105

n

o

o LBKQ v o

o

108

)
o

108

)

p ụt u

ãn nở

ãn nở

109
110

Ản

o l p b n k í quyển v m y n y

Ản

o l p b n k í quyển v m y n y
phút ến
phút)

Ản

107

o l p b n k í quyển v m y n y
ến 18
p út)

111
(
(

111
112

ìn

Ản

o l p b n k í quyển t

(09/3/2018)

113

ìn

Ản

o l p b n k í quyển t

(09/4/2018)

113

x


D

Số hi u
b ng

Tên b ng

Trang

Bảng 2.1 M t số lo i sol khí ph biến và nguồn gốc hình thành

33

Bảng 3.1 Thông số k thu t ơ bản c a LOTIS LS – 2137U

55

Bảng 3.2 Thông số k thu t ơ bản c a Laser Briliant

56

Bảng 3.3 Thông số k thu t ơ bản c a Laser Litron Nano S120-20

57

Bảng 3.4

í

t

ìn

, tr n l

n

s r

58

Bảng 3.5

t n số k thu t ơ bản

b n uồn un

Bảng 3.6

t n số k thu t ơ bản

kín t

Bảng 3.7 Các thơng số k thu t c a ốn n n qu n
Bảng 4.1

ấp

58

n văn C11

60

n

ố l u t n số k í quyển o bở b n t m k

xi

65
n

97


Ph
Đ
n n y,

n

mm

n

ở

t

n

mm

n

mk

n k í, l t

n n

t

m

tr

,b

u, v v Ở

b tl ở

t

n n

t

n l vấn
tr

n

n

yếu l

yr

p. Theo số li u quan trắ m

Trung tâm quan trắ t n uy n v m

tr

n

tr

tr

n

m n uồn n

v

o on n

,t n p ố

gian vừa qua, th

n

b n

m ô nhi m m

l nn

m tr n tr n t ế

n ởm
ồ

í

n
b o

n

n v t

k u

ng khơng khí t i Hà N i c a

ng cơng bố. Ơ nhi m bụi vào th i

i có nh ng biến

ng,

tăn nồng

c bi t là s

bụi PM2.5. Kết quả quan trắc từ các Tr m quan trắc không khí t
u

n y ãv

t gi i h n cho phép c a QCVN 05:2013/BTNMT [10]. V

n uồn

bất
r

ất xả t ả

p nên vi
n

nồn

ng cho

thấy tron
l

năm

n

u

m n ằm bảo v m

yếu o

n uồn

m t tr
n t n

n

tr

ín m t l

t or

bụi PM2.5 trung bình 24 gi c a m t số

yr

n

n

mm

tr

n ở

t n số m

tr

n ,

ất v

t

o

vụ n

ởt n

m

n

t

ng sốn là c n thiết. Ô n

n lo n t n p n
tr

un

nn

u

n n

y

mk n k í

n ly,

o t

t n k í quyển, h l

on n

yr n

quản

k

n

o o t

, bụ bố l n k í

quyển
Ở
v

m

t
tr

m, ã
n , b ến

ơn trìn ,
k í

u tron

t

n

n

uk o

m t số nghiên

t u t o x k n t ếp xú . Lidar là m t trong nh ng t ết b

Vi c s dụn

k thu t quang ph ,

phép ng dụng Lidar o

v lĩn
uv

uy n ụn

k
.

n t v công ngh thông tin cho

tr n v t lý c a khí quyển v

phân

giải cao theo th i gian và không gian [1],[2],[4].

y nay, Lidar ã trở thành

m t công cụ không thể thiếu ể nghiên c u b ến

k í

1

un

un v v t


lý khí quyển n

r n . Lidar có khả năn

o,

n g

v p n tí

c a bụi, sol khí (aerosol), ozon... hay các lo i khí thả
n

m t

c h i gây ô nhi m

Th y ngân, SO2, NO2, Benzen... [12],[26],[48]. Hi n nay, ở

tiến tiến n
n

n

Pháp, M ,

u v chế t o nhi u h thống Lidar

[35],[83],[65]

o n,

c, Nga, Trung Quốc,

ron quố p n , Lidar

bay tàng hình v v t t ể b y k
n

dụng và quân s , Lidar

l

l rus

c
u

ể nghiên c u khí quyển

n

n n

n

ể phát hi n k í

(

c, máy

). Trong hàng khơng dân

ể phát hi n s biến

cao c a tr n mây, các t n m y t o

i c a các luồng gió, o

o ể bảo ảm cho các ho t

ng an toàn bay [14],[28],[69].
Cục Khí quyển v

ơn

n v i Cơng ty hàng khơng Michigan

(M ) xây d ng và th nghi m h thống theo dõi th i tiết bằng Lidar ở cả trên
m t ất và trên máy bay. H thống cho phép giám sát nh ng b ến
o n các dòng khí c a chúng, từ

các h thống th i tiết l n và d
nh ng d báo th i tiết tr

Ở

khí quyển, tín

nguồn gốc sinh h
on v tr

phố

cv

n

n

r

chính xác cao.

o n (Trung Quốc) ng dụng Lidar ể o

bố nhi t

ng c a

c, nghiên c u phân

ất v t lý c a mây t ng cao, sol khí và bụi có

cháy rừng, canh tác nông nghi p. T i Pháp, thành

i h c Lyon

ãn

u năm n

n

u v ơ nhi m

khơng khí, sol khí [4],[58].
Ở
mụ

t

í

m, tr

qu n s , nghiên c u m

Lidar ã

s ),

tr

ng và d b o k í t

c nhi u ơ qu n nghiên c u, p t tr ển v

M t số ơ qu n n
o

c nhi u nhu c u ng dụng k thu t Lidar phục vụ các

v

n n

nV tl
t

nV tl k t u t( r

ng th y văn
n

H

ụn quan tâm.

u, Vi n V t lý t u

n

nl m

m,Vi n V t lý K thu t (Vi n KH&CN Quân

n

B

2

k o

)b

u ã


nh ng nghiên c u và phát triển h Lidar ch yếu ng dụng cho nghiên c u sol
khí và m t v

ng dụng khác [1],[3],[4],[9].
.

y nay, Lidar

c s dụng khá ph biến trên thế gi i. Tuy nhiên v

giá thành cao, chi phí v n hành l n cùng v i s ph c t p trong k thu t xây
d ng h t ốn và th i gian quan trắc dài v n là nh ng trở ng
n

m n v ti m l c kinh tế và k thu t n

vi

n

n

u t ết kế,

ế t o và tích h p p n

o, t u t p v x l số l u m t h Lidar

n

Vi t Nam là m t nhi m vụ

n ĩ k o

tron k t u t

v tron

chất l

nt ,t

n
lĩn v

ng cao trong

í

T xây d ng, tích h p
v nhi u m t n

m [94]

o

,

n ; xây d ng p n m m
on

n

u khí quyển ở

c trong nghiên c u ơ bản,
o t o phát triển n uồn nhân l c

l n qu n

mụ

:

t

ối v i nh ng

ín :

c m t h Lidar quan trắc sol khí

c tố

u

mo ul p n c ng tích h p l a ch n và chế t o

:

kiểm ch ng bằng ph n m m mô ph n t o p
ể

hi u chỉnh h thốn

t

p ép o

ơn trìn

r; p

c

ơn p p

nh y cao; p n m m o, t u

t p v x l số l u;
n

o

c a h Lidar

chính xác k

tín

c xây d ng; t í

cao l p biên khí quyển từ số li u o

ểm o k ểm

n v x lý số li u t

k u

v
Đố

r qu n trắ sol k í thơng qua v

.H
vấn

tí

n

u

s u

M p n t n số k t u t
k ểm

n

n
pm t

p ản ồ t u

p nt

t n số k t u t
r. H u
nằm ở

l

ỉn p n
ín

n

(trung tâm)

3

ấu t n

r n ằm

n khi t ết kế ể

ết ov

r ể tín

ut nx

kín t

n văn P

ơn


p p

u

ỉn n y sẽ tăn tỷ số tín

r. T

on

n

t

o t. Kết

p

n
,

uyển

ế

sol k í [11],[19]. S

x l s r, ồn t
p n

o t

n

s

ụn

t

o o t

ả

n t , qu n

tr

n

n

rln
ển

r o

o [2],[4].

n

u

, p ụn

n

u ết

.

r [12].

rs

v qu n
r

n ất

n ốn n n qu n

o p ép o
nv t

u

n uy n l

b o ồm kín t
n(

ốn n n qu n

chuyên ụn t

nv

nt p
n(

) o

o,

tt

l

(

rất l n,

oto o

Avalanche)

t p n ằm k uế
ốt t

ún

số k uế

s n tron m n ồn n o i [2],[4],[7],[42];

lố r

ốt t

)

n v

t ốn Lidar l m t

ấu t o

u t n x v p ản x

n

t

n

n văn, p n l , b

n tố t ấp v
b

o

ụn b

r l m t t ết b l s r;

b l b t u n n tín
un

n

k í quyển t o k n

p nt

p nt

r

k t u t qu n p

l m t k ố t u qu n
...;

v t

r t ơn t n
tr n

ồm bốn b p n sau:
p n

số t n số m

ụn t u t to n ể x l số l u

n số v t l

p nt

n y

r o sol k í t

N uy n tắ

v

úp

o

tr m o tr n m t ất k

.K t u t

t

u (SNR) v n n

ot o

ẩm, m y v m
rv

x l số l u

un

l

n số k t u t

p nt
tín

;c

u từ

p nm m
k ố,t u

t p v x l số l u.
T

k

 Nghiên c u thiết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắ sol k í tron
k í quyển v i n i dung:
Kiểm tr v

n

h p h Lidar từ kết quả ch y

tr

k

t

n số k thu t các modul ph n c ng tích
ơn trìn m p n p

ế t o;

4

ơn trìn

r


b

Quy trình hi u chỉnh h Lidar v
to n v

o

c nhằm giảm b t th i gian hi u chỉnh thiết b trong khi chế t o,
o và tăn

th i gian chuẩn b
ơn trìn

uv ov m
v

c hi u chỉnh cụ thể có tính

o, thu th p số li u và các

tr

tr m o k

nh y thiết b ;

n
ể

o (n

t

ả quyết

,

ế

op

pv

ẩm, m y v m ); chế

p ép o p

o kết

p

t p tron k í quyển

 Xây d ng ph n m m o, thu th p và x lý số li u và
tín

t n số

xuất p

ơn p p

cao l p biên khí quyển từ số li u Lidar v i n i dung:
Ph n m m o, t u t p và x lý kết quả o m y v sol k í tron k í

quyển t o t
P

nt

v

p n

ơn p p x

n

tr

Wavelet hi p p
x

n

ãn nở

ơn s ; t u t to n,

i Wavelet hi p p

biến

ả cao trong khơng gian (1-3m);

ơn s

tố

u trong tính biến

ơn trìn tính

(WCT) từ số l u

o l p b n khí quyển t

o

i

bằng

rt u

p ụn

.

k
H Lidar thiết kế chế t o d a trên các giải pháp k thu t n
m p

n t n số k t u t
r ển n

số m
n

c

tr

n

ov

n y

qu n

p ép o, c ế

ơn p p

op

tín năn k thu t t ơn

ấp

u

pv

ỉn
t n

ơn v i m t số h Lidar

(

l u o sol k í ã x l n

) ểs

ụn

ản v t n [37],[79]

v n

n ,p

c ngoài.
un

t

o

modul p n

P nm m

uyển sol k í v

o tín to n,

u

n

l un y

ả quyết

b

n

o
ỉn ản
n

ởn

ể

to n k

,
y

y
sol k í

m

ìn

v t l k í quyển

[18],[47].

Lidar
t

t ển nr n v s

m phục vụ cho

n t

ụn

b ok ít

5

o
n , n p

p

ơn k
v

b ến

n ut
i khí


u, p n

ốn v
rn

ảm n
n

t

nt .

u t ết kế và chế t o tron n

n tron t ết kế, p t tr ển, bảo trì, bảo
thành bằn

u

c sẽ

ểm là

ỡng và s a ch a. Hơn n a giá
u ki n kinh tế

so v i thiết b nh p ngo i nên phù h p v

Vi t Nam.
mụ

í ,

ấu trú gồm các n
C

tín m
un

v k o

ín n

n n

trên lu n n sẽ

s u

ơ

I: T

ố

C

ơn n y trìn b y ấu trúc, thành ph n khí, thành ph n sol khí cấu

Lidar

thành nên l p khí quyển b o qu n tr

l

.

ất. T ng quan v p

ơn p p v

t ết b qu n trắc sol khí trong khí quyển bằn thiết b Lidar.
vấn

n

n

u m : Kiểm ch ng

r o sol k í bằn p n m m m p
p p

u

ỉn

n

ế

t ốn

C

r, tín
ơ

II:

n theo p

ơn trìn

o tỷ số tín

t n số

uv om

o l p b n k í quyển từ số l u
ơ

l

tr

các phân t khí; cấu t o,
ởn

ống n n qu n

ế

o t
n(

C ơ III:
tr c sol khí tố

r bẳn p

t ơn t
n v n

ơ

tt

o(

ơn trìn x l số
r
n ồi và không

p oton n s n v
n yếu tố k t u t

); cấu trúc, nguyên lý ho t
ơn trìn

ơn

Lidar.

khối cơ bản cấu thành m t h Lidar o sol khí; m
n v t l tron

u;

n

ơn n y trìn b y l t uyết quá trình v t l tán x
n ồi, tán x Mie - Rayleigh xảy ra gi

r; p

un

o kết h p; t u t to n v

và chế
l u

t n số k t u t ph n c ng

r ển n

op ụt u

xuất m t số

ìn to n

ản

ng và các
u

r

t k , ch t o và tích h p h Lidar quan

ơn n y trìn b y bài toán xây d ng h Lidar th c tế ể quan trắc sol
khí c a Vi n V t l

r qu n trắ sol k í; c

a c u; thiết kế
6

ơn trìn


m p

n

t n số k t u t ể kiểm ch ng p n
r; chế t o

t o
p n
l

n

r qu n trắ sol k í t o

o tỷ số tín

t n số k t u t

xuất quy trình k t u t

c l a ch n và t chế t o;

r n ằm n n

n l a ch n và t chế

un

u(

), n n

o

C

ơ

tr

ỉn

n y

Lidar; xây d ng ph n m m o và thu th p số li u; các chế
thông số m

u
ot o

ng.

IV: Xây d ng ph n m m x

ơ
H N

ơn n y trìn b y p n m m x l số l u o
u,

ết ov
tron

năm

quyển ở

l u o
xuất

o nt
t

nt

n

tl

,

và 2018

m t số t

ểm

r t n qu p
tr

ãn nở

u, t ết kế v

ết o

u-

o n

n
năm

ơn p p b ến

l n ơn o

rn

bằn

7

m

uố

n
t,

ol pb nk í
,

và

v l t

pp

o

t ốn

bằn số
ơn s
rn

v
n


C

ơ

I T

ố

Lidar

Đ
r

Khí quyển c
hấp d n c

r

ất là l p k í b o qu n

r

ất

ất. T ng khí quyển bảo v s sốn tr n r

thụ các b c x c c tím c a m t tr i, làm nóng b m t r
nhà kính và làm giảm s khác bi t v nhi t
T ng khí quyển
có khố l

c gi l

gi

ol

ất nh s hấp
ất qua hi u ng

b nn yv b n

m

c phân thành các l p riêng bi t Hình 1.1. T ng khí quyển

ng khoảng 5.1018 kg, ba ph n t

k ố l

ng này t p trung ở

khoảng 11km tính từ m t ất. L p khí quyển càng m n k

cao càn tăn ,

khơng có gi i h n rõ ràng gi a t ng khí quyển và khơng gian bên ngồi.
t

n t

n

o

cao 100 km là ranh gi i gi a t ng khí quyển và

khơng gian bên ngồi [7].

H

1.1 Cấu trúc c a t ng khí quyển [7]

í ph biến nhất là khí

tơ

ếm khoảng 78% khí quyển. Khí ph

biến th hai là khí Oxy, chiếm khoảng 21% khí quyển. Oxy c n cho hô hấp
c a tất cả các sinh v t sốn tr n r
Khí Argon chiếm

ất, từ on n

i t i các lồi vi khuẩn.

i 1% khí quyển, nó là m t khí q rất trơ, nó khơng

tham gia bất kỳ phản ng hóa h

n o

u ki n bìn t

ng. Ba lo i

khí trên chiếm 99,96% khí quyển. Ph n cịn l i 0,04% ch a m t số lo i rất
quan tr n

ối v i s sống v k í

u

r
8

ất tron

sol k í Sol khí


(aerosol) l

ác h t rắn, l n tồn t lơ l ng tron k n k í n

m , bụ …)

kí

t

, s ơn

(k

ỡ từ từ vài nanomet (nm) t i hàng chục micromet
sol k í k

(µm). Chúng ta có thể nh n thấy s hi n di n c

ún

l n

thông qua s phân tán và hấp thụ tia b c x m t tr i. Nh ng sol khí này có

nhi u nguồn gốc, có thể là nguồn gốc t n
m

yt

n

c v t ho

nn

từ ất, từ muối biển, từ các

t ể o on n

thải, nhiên li u than, d u trong các khu công nghi p
và gián tiếp lên tr l

ng b c x c

tr

ốt các chất

i t o ra từ vi
ol k í t

ng tr c tiếp

ất và khí h u [60],[74]

ng

tr c tiếp là các sol khí tr c tiếp phân tán và hấp thụ các tia b c x m t tr i
l m

o l p k í quyển ấm l n v b m t tr

ến k í

u tr

ất [82]

ng gián tiếp l t y
kết, ìn t n
tn

n

l m

ởn tr

t ếp

r , sol khí ở t ng thấp c a khí quyển

tác

ơn,

n

t

ếs v

m v l n kết, kéo
tn

n năn l

ng c

tr

n
m y

t

n tồn t

tron m y t o r

tm

i phản x và hấp thụ b c x c a m t tr i c

ng lên tr l

tn nn

n ến tăn t n x v p ản x

m y v n ăn ản s l n l n
[8], l m t y

, ản

i kích cỡ các ph n t mây, tăn số

tn

n

o

ất l n

ất

ol k í

v y

t ể gây ra các

phản ng hóa h

n kể nhất là phản n

bìn l u Sol k í

c chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nh nhất g i là ph n

n
n

k í

2,

n tụ l i. Cấp

1µm)

ng phá ho i ozon ở t ng

ơn k oảng 0,1 µm) ch yếu phát sinh từ chuyển

t c c nh (nh
ph n t k í n

t

n

m yv n

NOx và Cacbon h u ơ
ng kính l n nhất

c t o ra rất ơ

b y ơ b oxy hóa và

c g i là ph n t thơ (xấp xỉ

c, gió th i trên khu v c bụi ho c bốc lên từ bụi

c biển. Gi a các ph n t c c nh và ph n t thô là ph n t nh cỡ ,

1µm. D n n y

c quy cho là d ng tích tụ vì các sol khí ở kí

tích tụ từ các ph n t c c nh v

xu

i khí h u bở t ơn t

t

ến
c này

ng tồn t i lâu dài trong khí quyển

(vài ngày). D ng này liên quan ch yếu t i tr l
biến

i các

n năn l

ng tr

ất và

a chúng v i b c x m t tr i. Sol khí là m t
9


i khí h u, chúng ản

trong nh ng tác nhân quan tr ng gây ra biến
lĩn v c kinh tế xã h , m

gián tiếp t

t ốn qu n trắc sol khí là vấn

tr

ng. Vi c nghiên c u

cấp thiết và quan tr ng. S dụng h Lidar

trong nghiên c u khí quyển nói chung và nghiên c u sol k í n
c nhi u n

ởng

r n

ã

c trên thế gi i s dụng [1],[25],[34],[52],[56].

Ngày nay nghiên c u

t

h u là m t trong nh ng vấn

ng ản

ởng t i khí h u và biến
k ít

quan tr ng c

n v n y

i khí

n

c

nhi u nhà khoa h c quan tâm. Sol khí là m t trong tác nhân quan tr ng gây
nên nh n t y

i hóa h c c a khí quyển, t y

phản x và hấp thụ năn l

ng b c x gây nên nh ng biến

th i tiết – khí h u. Từ nh n t
m

tr

ng. Vì nh n l

năn qu n trắ
n

p n

t ết b
quyển n

ởng gián tiếp t

o n u tr n v

n n

ảm n
o

un v sol k í n

n t

t

nt ở

s

ụn tron v

r n rất

Hình 1.2 M ng tr m Lidar khu v

lĩn v c kinh tế xã h i,

t ến hành nghiên c u n n

sol k í l qu n tr n tron
ốn v

i trong h thống

ng c a sol khí lên h thống khí h u, gây

i khí h u, chúng ản

biến

i q trình hình thành mây,

t

b ok ít

ok ả
n

m Lidar l m t tron n
n

n

10

m

n

n

n

u, qu n trắ k í

u quả

n

n

u khí quyển


nn y
n

n

n

uv

nl m

o

nb n

trắ k í quyển

,

,[2],[4],[7].

Nam Á nghiên c u khí quyển
qu n trắ sol k í l m t n

1.1

t

t n

C

ơ
p

t

o nv s

ụn

ìv ys

m vụ

ụn

pt

r tron qu n

tín k o

r ển n
ov

n

o k ả năn
p n

khí tr

ơn p p o sol k í tron k í quyển Hìn

có thể p n

m

ìn 1.2 l m ng tr m Lidar khu v

o

t op

3 có thể

c chia

n t ếp (vi n thám) [38]

c phân chia theo kiểu t ết b

thể

n n

,

o tr c tiếp (t i ch ) v

thành lo

v

o

n v t ết b

ob

k
n

ơn p p o s dụng nguồn riêng c a thiết b

n uồn b c x (radar, Lidar, vv) v lo

n
ểt o

n uồn b c x phụ thu c vào m t

nguồn bên ngoài (ph b c x , sunphotometers).

H

1.3 Minh h a các hình th c nghiên c u khí quyển

ơn p p o tr c tiếp l p
thiết b
Ví dụ n

o

ơn p p t u t p số l u t n qu

c tính c a m u bằng cách tiếp xúc tr c tiếp v i m u o
t

tr m o ở m t ất. Kĩ thu t o n

ẩm bằng ẩm kế, o m t

khí, m t

t

bằng nhi t kế, o

sol khí bằng các thiết b lấy m u o.
11


ov o

Th c hi n nhi m vụ lấy m u tr c tiếp ho c gắn các thiết b
bóng thám không, trên máy bay, tàu th y,

tr m

n …

n

ể ghi nh n

số li u rồi g i v trun t m l u tr và x lý.
ơ

1.1.1

p ép o tr

t ếp

ểm l i là các tham số v quang h c, hóa h c
x

và tính chất v t lý vi mơ có thể
k n

phân giải số li u t o

nh c ín x , n

n

cao, ngo i trừ thiết b

n chế là
o

t trên máy

bay, bóng thám khơng ho c kinh khí c u. D li u o tr c tiếp có các thơng số
v kí

t

n tn

c và thành ph n hóa h c c a sol khí, M
o l

khơng thể

i di n cho không gian, th

t ng h p kết quả c a các thiết b
sát bằng v tinh m i t o t n
sol khí nói riêng.

o

n

o

phải có s

ơ sở cho các mơ hình khí quyển nói chung và

ìn 1.3 l ản m n

a các hình th c nghiên c u khí

b u khí quyển. ron n

n n

n

sol k í trong k í quyển

ún

c th c hi n ở

u

p

c th c hi n ến toàn b
ơn p p n
t ết b

trên kinh khí c u (Stratostat), trên máy bay (U-2, WB57) Hìn

n

4 Ảnh minh h

p

4v b n

ơn p p o sol k í tr c tiếp

12

u o

t tr n m t ất,

5.

H

n

t t i m t ất, máy bay, khí c u và quan

quyển trên thế gi i. Nh ng nghiên c u này có thể

bay Hìn

y, n