tóm tát luận án 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

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 62 44 11 01


TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ



Hà Nội 2014
Luận án được thực hiện tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Đinh Văn Trung
2. GS. TS. Nguyễn Đại Hưng


Người phản biện 1: PGS. TS. Đỗ Quang Hòa
Viện Vật lý

Người phản biện 2: PGS. TS. Lê Hoàng Hải
Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn

Người phản biện 3: TS. Tạ Văn Tuân
Viện Công nghệ laser

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


Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
- Thư viện Viện Vật lý


1

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.
CHƢƠNG II
Kỹ thuật và hệ đo lidar
Chương 2, chúng tôi trình bày những nghiên cứu về kỹ thuật khảo sát
từ xa (là công cụ nghiên cứu của nhóm tác giả) được sử dụng để xác định
các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển. Chúng tôi trình bày về
cấu trúc của hệ lidar được thiết kế, xây dựng tại Viện Vật lý với mục đích
quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí. Những thiết kế về cơ khí, điện
tử và quang học được sử dụng trong quá trình nghiên cứu, xây dựng, tối ưu
hệ lidar Raman phân cực đa kênh và hệ lidar sử dụng laser diode công suất
cao. Bên cạnh đó chúng tôi cũng trình bày cơ sở toán học và các chương
trình tính số xây dựng bằng ngôn ngữ Matlab xác định các đặc trưng
quang của son khí trong miền quan trắc từ cơ sở dữ liệu của hệ lidar đặt tại
Hà Nội.



2

2.1 Hệ lidar
2.1.1. Hệ lidar nhiều bƣớc sóng

2.1.1.1. Khối phát
Cấu trúc của hệ lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện
trong hình 2.1. Khối phát của hệ lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2
cho phép điều chỉnh phương phân cực của chùm tia phát ra, bản phân cực
này sẽ được sử dụng để chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo
ở chế độ thu nhận tín hiệu phân cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ
được chuyển hướng bắn từ phương ngang thành phương thẳng đứng nhờ
một gương đặt với góc nghiêng 45
o
.
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman
nhiều bước sóng [64].
ĐẶC TRƢNG KHỐI PHÁT
Bƣớc sóng phát
1064 nm
532
nm
Ý nghĩa
Tần số
10 Hz
10Hz
Tần số phát xung của laser
Góc mở của tia
laser
0,5 mrad
//
Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e
2
năng
lượng đỉnh xung, tương ứng 85% tổng

năng lượng chùm tia
Đường kính chùm
6 mm
//
Xét tại trường gần của chùm tia laser
Tỉ số phân cực
chùm
> 90%
//
Theo phương đứng
Tính hội tụ chùm
< 2
//
Giới hạn nhiễu xạ thơi gian tại mức
cường độ 1/e
2
đỉnh xung.
Tính không gian
0,7
0,95
//
Theo phân bố Gauss ( đối với trường
gần 1m)
Đối với trường xa cách 2m
Năng lượng xung
360 mJ
180 mJ
Sử dụng đầu đo công suất
Năng lượng đỉnh
±2 (0,6)

±4
(1,3)

Độ dịch năng lượng
±3%
±3%
Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra
Độ rộng xung
~5 ns
~4 ns
FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz
Độ rộng vạch
0,7 cm
-1

1,4 cm
-
1

Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính
xác: 0,045cm
-1


3

Độ Jitter
± 0,5 ns
//
So sánh với trigger và lấy trung bình

của 500 xung
Tính ổn định điểm
< 50
mrad
//
Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200
xung tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f
= 2m
2.1.1.2. Khối thu
Khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon
trên tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng
telescope 100 mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu
đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát đồng thời
khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm
kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường
gần.











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

Telescope 100mm

Laser beam 532nm

Gương

PMT

Bản λ/2

Laser YAG.Nd: 2ω

Nguồn nuôi

Máy tính

ADC

Telescope 250 mm




4

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

Loại kính thiên
văn
Cassegrain LX200
EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự
2000 mm
Loại: Schmidt – Cassegrain
Catadioptric
Độ mở
f/10

Đường kính
203.2 mm

ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN
Đầu thu PMT
Hamamatsu
R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương
tự và đếm photon kênh 532 nm
Đầu thu APD
Hamamatsu
Hoạt động chế độ đo tương tự kênh
1064 nm
ĐẶC TRƢNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI
NHẬN VÀ XỬ LÝ
ADC 12 bit
Picosope 4000
series
3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu

thấp, giao tiếp với máy tính thông qua
cổng USB
Chương trình ghi
tín hiệu
Labview
Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng
file .txt, có hai chế độ hoạt động: tương
tự và đếm photon
Chương trình xử lý
tín hiệu
Matlab
Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các
chương trình sử dụng hàm nhúng tìm
các đặc trưng quang học
Trong quá trình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ lidar tại Viện
Vật lý chúng tôi gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật cũng như trong quá trình
quan trắc khí quyển tại Hà Nội. Do đó, chúng tôi định hướng xây dựng
các hệ lidar có những tính năng chuyên biệt thu gọn, phù hợp với mục
đích cụ thể. Với mục đích đo gần, điều chỉnh dễ dàng, có phí duy trì thấp
phù hợp với điều kiện nghiên cứu và quan trắc ở Việt Nam. Với những lý
do đó một hệ lidar di động, nhỏ gọn dễ lắp đặt đã được thiết kế và phát
triển tại Viện Vật lý trong năm 2012.



5

2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode
Hình 2.2 là cấu trúc hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao phát
bước sóng 905 nm lần đầu tiên đưa vào khai thác quan trắc son khí trường

gần tại Hà Nội, được xây dựng và tối ưu tại Viện Vật lý.













1.1.2.1. Khối phát
Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước
sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng,
hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ
[55]. Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ
chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở
chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương
ngang là 1,5 mrad. Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì
góc mở của khối thu phải lớn hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập
Khối phát
APD
Máy tính
Bộ nguồn
Module đếm photon
Kính thiên văn
d = 200mm

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.




6

góc mở không gian của telescope là 2 mrad. Đối với laser diode SPL
PL90_3 hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80
W, độ rộng xung ~70 ns, tần số lặp lại của laser ~1,25 kHz.










2.1.2.2. Khối thu
Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang
học, đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền
phần cứng là bộ đếm photon tốc độ cao. Những thông sô kỹ thuật của khối
thu được liệt kê trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng
laser diode [13, 65].
CÁC THÔNG SỐ KHỐI THU

Loại kính thiên
văn
Cassegrain LX200
EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự
2000 mm
Loại: Schmidt – Cassegrain
Catadioptric


Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm.
Bộ nguồn và đầu laser
SPL_PL90_3 phát bước sóng
905 nm của hãng Osram
Thấu kính trụ 1
Thấu kính trụ 2
Bộ vi dịch chuyển 3chiều
Trigger quang

Bản tách chùm
Gương hướng chùm tia


7

Độ mở
f/10

Đường kính

203.2 mm

ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN
XỬ LÝ TÍN HIỆU
Đầu thu APD
Hamamatsu
Si APD S9251 series
Hoạt động chế độ Geiger đếm photon,
được hạ nhiệt độ tới -20
o
C.
Module đếm
photon tốc độ cao
Picosope 6000 series
2 kênh tốc độ lấy mẫu 1GS/s, nhiễu
thấp, giao tiếp với máy tính thông qua
cổng USB.
Chương trình thu
nhận tín hiệu
Labview
Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng
file .txt, hoạt động ở chế độ đếm
photon.
Chương trình xử
lý tín hiệu: Matlab
PC: Chip 2,5 GHz;
RAM 2GB
Xử lý tín hiệu tìm một số đặc trưng
của lớp bề mặt.

Hình ảnh module đầu thu photodiode thác lũ và khối làm lạnh được
thể hiện trong Hình 2.11. Trên đó chúng tôi sử dụng 4 cổng kết nối cáp
RG58C/U 50 Ω với mục đích giảm tối đa nhiễu điện có thể gây ra cho đầu
thu. Trong đó có 4 cổng gồm: cổng tín hiệu, cổng nuôi cao thế và hai cổng
nuôi thế cho pin nhiệt điện có gắn kèm mạch LC dập tắt các nhiễu điện.








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

Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20
o
C, hút ẩm, khép kín và giảm
nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar.
4 cổng cáp 50 Ω
Quạt tản nhiệt
Bộ làm lạnh cho APD
Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger
Không gian được hút ẩm


8

2.3. Phƣơng trình lidar
Phương trình lidar cụ thể được viết dưới dạng sau [109]:




= 

. . . 



. 
2






+ 





exp
2




[




+ 

()]

0

(2.1)
Trong đó P
laser
là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ,
A là tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng
của hệ đo, 





à 




lần lượt là hàm đặc trưng cho hệ số tán xạ
ngược của son khí và phân tử khí, 




à 

() là hệ số suy hao.
2.4. Xử lý tín hiệu lidar
2.4.1 đến 2.4.9: Chúng tôi trình bày về về kỹ thuật xử lý tín hiệu lidar
và xác định các thông số trưng của hệ lidar, của lớp son khí trong khí
quyển: Xác định hàm chồng chập, xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
và lớp Mây Ti tầng cao, độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ


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


9

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

2.5. Kết luận chƣơng II
Trong chương II, chúng tôi trình bày:
1. Trình bày nguyên lý, cấu trúc hệ lidar Raman phân cực nhiều bước
sóng. Nghiên cứu, phát triển, tối ưu hệ lidar Raman phân cực xây dựng
lần đầu tiên tại Việt Nam, phục vụ mục đích quan trắc các thành phần
son khí trong khí quyển tới độ cao trên 20 km.
2. Chế tạo đầu thu là photo diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 hoạt
động ở chế độ Geiger hạ nhiệt độ -20
o
C có độ nhạy cao.
3. Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn sử
dụng laser diode công suất cao kết hợp đầu thu là photo diode quang
thác lũ – APD S9251 – 15 cho phép quan trắc lớp son khí bề mặt và có
khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao dưới 10 km.
4. Với tuổi thọ của laser diode có thể lên tới hàng chục nghìn giờ (laser
đang sử dụng có tuổi thọ ~14.000 giờ) chi phí duy trì thấp đặc biệt phù
hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại
Việt Nam.
5. Trong thời gian tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển hệ lidar
quan sát trường gần theo các mục đích sau:
 Tăng công suất laser diode, tăng độ nhạy của đầu thu nhằm tối ưu
hệ lidar nhỏ gọn và khả năng di động, tăng chất lượng tín hiệu
quan trắc lớp khí quyển tầng thấp.
 Sử dụng nhiều loại laser diode công suất cao phát ở các bước sóng
khác nhau cho phép xây dựng hệ lidar nhiều bước sóng có khả


10

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

gian trường gần biến đổi theo thời gian [43, 44].
 Nghiên cứu xây dựng hệ lidar nhỏ có tính năng quét 3 chiều, tự
động xử lý dữ liệu, xác định các thông số vật lý đặc trưng của đối
tượng quan trắc theo thời gian thực.
6. Trong chương này, chúng tôi trình bày chi tiết các bước chuẩn hóa tín
hiệu, các chương trình số xác định các tham số quang học đặc trưng của
son khí viết trên ngôn ngữ Matlab.
CHƢƠNG III
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của lớp son khí tầng thấp
Trong chương 3 chúng tôi trình bày những kết quả nghiên cứu cụ thể
được nhóm áp dụng với đối tượng son khí trường gần trái đất.
3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật toán đạo hàm,
tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi sẽ được chuẩn hóa theo tọa độ [48].
3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode
Sử dụng chương trình tính toán số viết bằng ngôn ngữ Matlab, phụ
lục 2.5, theo phương pháp Gradient xác định độ cao đỉnh của lớp son khí
bề mặt. Trong Hình 3.4 chúng ta thấy độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt vào
thời điểm đo tồn tại ở vị trí ~1,45 km.





11

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.

0 0.5 1 1.5 2 2.5
-500
0
500
Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi

0 0.5 1 1.5 2 2.5
0
0.5
1
1.5
2
x 10
4


a)
b)
Độ cao (km)
I.z
2
(a.u) H(z) (a.u)
Đỉnh lớp son khí bề mặt

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.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0
10
20
30
40
50

60


Khoảng cách (km)
I.z
2



Lớp son khí bề mặt


12

3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt
3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí
đặt hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực. Từ tín hiệu
lidar đàn hồi chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao
theo thời gian, điều đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ
cao và theo thời gian…

Vị trí đỉnh lớp son khí tầng
thấp




Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian thưc
trong ngày.
Độ cao (km)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Lớp mây tầng thấp
Thời gian địa phƣơng (Hà Nội, ngày 27/5/2011 )


13

3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode

3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học
Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng bức xạ quang bị mất
mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của
bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi
trường. Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ mặt
đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương
đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%.










Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012.
Độ cao (km)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Mây tầng cao
22 01 04
Giờ địa phƣơng


Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày 20h
ngày 31/10/2012.
2 4 6 8 10 12 14
0
0.05

0.1
0.15
0.2
0.25
Optical depth
Height (Km)
Độ sâu quang học
Độ cao (km)
Lớp son khí tầng thấp


14

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








3.5. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc
Kết quả hệ số tán xạ ngược tương ứng suy ra từ phép đo 20 h ngày
21 tháng 11 năm 2012.

Độ sâu quang học


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.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
2
3
4
5
x 10
-3
Khoảng cách (km)
Hệ số tán xạ ngƣợc (km
-1
)
Độ sâu quang học
Khoảng cách (km)


Hình 3.11: Hệ số suy hao của son khí tầng thấp tại Hà Nội lúc 20 h ngày 21 tháng
11 năm 2012.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
0.04
0.06

0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Khoảng cách (km)
Hệ số suy hao (km
-1
)


15

3.6. Đặc trƣng tỉ số lidar







Tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí dưới 3,5 km tại thời điểm phép
đo nhận giá trị 40 ± 11, giá trị trên so sánh với những kết quả của các công
bố khác chúng ta nhận thấy trị số thu được tại Hà Nội xấp xỉ giá trị ghi
nhận tại một số thành phố trẻ khác trên thế giới như Bắc Kinh là 38 ± 7,
các thành phố nam Ấn Độ là 47 ± 6 nhưng lại thấp hơn so với các trung
tâm thành phố đã lâu đời của châu Âu có giá trị 53 ± 11.
Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu tại một số nơi
trên thế giới và ở Hà Nội [6, 122].

Các khu vực đƣợc nghiên cứu
Lớp
tỷ số lidar
Bụi đô thị
Trung tâm châu Âu (EARLINET)
Thành phố đông Á (ACE 2)
Vùng bắc Mỹ (AERLINET)

PBL
FT
FT

53 ± 11
45 ± 9
39 ± 10
Son khí vùng đông/nam Á
Vùng bắc Ấn (INDOEX)
Vùng nam Ấn (INDOEX)

FT
FT

65 ± 16
37 ± 10
Độ sâu quang học
Khoảng cách (km)


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.

1 1.5 2 2.5 3 3.5
25
30
35
40
45
50
55
Khoảng cách (km)
Tỉ số lidar


16

Vùng nam Á (INDOEX)
Vùng nam Trung Quốc (PRD)
Phía bắc Trung Quốc (Beijing)
FT
PBL
PBL
51 ± 20
47 ± 6
38 ± 7
Hanoi
PBL
40 ±11
3.7. Kết luận chƣơng III
Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu quan trắc trường gần từ
hệ lidar Raman nhiều bước sóng và hệ lidar mini sử dụng laser diode ở
bước sóng 905 nm khảo sát các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp

dưới 5 km. Chúng tôi rút ra một số kết luận sau:
 Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian dưới 5 km.
 Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary layer) tồn tại ở độ cao ~1,5 km.
 Hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị
trung bình 40 ± 11, kết quả này là khá phù hợp với điều kiện đô thị Hà
Nội và so sánh với một số đô thị khác theo công bố của các nhóm
nghiên cứu như tại Bắc Kinh phía bắc Trung Quốc chỉ số đó là: 38 ±
7, tại một số thành phố nhỏ tại châu Âu trị số đó là: 53 ± 11.
Đây là những kết quả nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Việt
Nam trên hệ đo Raman lidar và hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode 905
nm phát triển tại Viện Vật lý. Những kết quả này đã được công bố trong
các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả. Trong thời gian tiếp sau
chúng tôi tiếp tục nâng cao hiệu xuất nghi nhận của hệ dial lidar sử dụng
laser diode công suất cao quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí tầng
thấp và phân bố của hơi nước trong miền khí quyển trường gần. Cải tiến hệ
lidar sử dụng laser diode là một đóng góp mới, có nhiều ý nghĩa của nhóm
nghiên cứu và bước đầu đã có kết quả.


17

CHƢƠNG IV
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của mây Ti tầng cao
4.1. Đặc trƣng phân bố không gian
4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG

Kết luận về sự biến đổi phân bố không gian của lớp mây Ti
1. Độ cao đỉnh của lớp mây Ti có xu thế giảm nhẹ vào các tháng cuối
năm.
11 13 15
17
13 14 15
17



Height of top
Height of base
Height of top
Height of base

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].

Độ cao (km)

Giờ địa phƣơng (07 tháng 6 năm 2011)
Giờ địa phƣơng (23 tháng 9 năm 2011)

Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây
Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây


18

2. Độ dày trung bình của lớp mây có xu thế giảm dần vào các tháng
cuối năm và khá ổn định trong những tháng cuối năm.
3. Độ cao lớp phân tầng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có độ cao
tăng nhẹ vào cuối năm.
Khoảng cách giữa đỉnh lớp mây Ti tầng cao và lớp phân tách giữa
hai tầng khí quyển đạt giá trị ~3 km và tăng nhẹ vào các tháng cuối năm.
Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi…
Đặc trƣng mây Ti
Giá trị trung bình
Khoảng thay đổi
Độ cao đỉnh lớp mây Ti
14.3 km
11,8 tới 16,5 km
Độ cao trung bình lớp mây Ti
13,4 km
12,5 tới 14,3 km
Độ dày lớp mây Ti
1,7 km
0,3 tới 3,8 km

Nhiệt độ tại đỉnh lớp mây Ti
-65
o
C
-79,3
o
tới -46
o
C
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].
Địa điểm
Buenos
Aires
Punta
Arenas
Immler
et al.,
2002
Prestwic
k
Immler
et al.,
2002
OHP(fa
ll)
Goldfar
bet al.,
2001
SLC.

Sassena
nd
Campb
ell,
2001
INDOE
X
Seiferte
t al.,
2007
Hà Nội
(21
0
N,105
0
W
)
2011
Tọa độ địa lý
34.1°S
58.5°W
53.1°S
71°W
55.5°N
4.1°W
44°N
6°E
41°N
112°W
4.1°N

73.3°E
21°01′42″N
105°51′12″E
Độ cao đáy
(km)
9.63(0.92
)
8.8(7.9)
8.3(8.5)
9.3
8.5
11.9(1.
6)
12.5(0.95)
Độ cao đỉnh
(km)
11.82(0.8
6)
9.5
9.6
10.7
11.1
13.7(1.
4)
14.3(0.99)
Độ dầy lớp mây
(km)
2.41(0.95
)
1.4

1.2
1.4
1.9
1.8(1.0)
1.7(0.73)
Khoảng cách
giữa đỉnh lớp
mây và lớp đối
lưu hạn (km)
0.38(0.25
)
1.7
1.0
0.8(0.2)
0.4
_
2.8(0.85)


19

Nhiệt độ đỉnh
lớp mây
-64.5(3.6)
-49
-48

-56
-65(11)
-65(7)

Nhiệt độ lớp
đối lưu hạn
-
60.6(4.2)
_
_
_

_

-81(4)
-82(1.1)
4.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode





Lớp mây Ti tầng cao tồn tại ở vị trí ~7 km. Độ dày lớp mây Ti lên tới
~1 km, điều này là một kết quả vượt mong đợi của nhóm nghiên cứu…
4.2. Đặc trƣng độ sâu quang học
Lớp mây Ti phân bố trong khoảng không gian ~2,5 km tương đương
~16 % đóng góp về hấp thụ là ~21,4 %
4.3. Đặc trƣng tán xạ ngƣợc

Lớp mây Ti phân tầng định xứ ở độ cao 7 km


Hình 4.13: Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách.
Độ cao lớp mây Ti
I.z
2
(a.u)
Vị trí đỉnh lớp mây Ti
Vị trí đáy lớp mây Ti



0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
Back scattering ratio
Height (km)
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].
Độ cao (km)
Tỉ số tán xạ ngƣợc


20

Tại vị trí lớp mây Ti có mật độ các tinh thể băng làm tăng tiết diện
tán xạ ngược lên gấp ~8 lần so với đóng góp của phân tử khí tại đó…
4.4. Đặc trƣng khử phân cực







Trong Hình 4.19, với phép đo vào ngày 21/11/2011 của mây Ti với
mật độ tinh thể băng khá cao, tính phân cực rất lớn lên tới 62%, đám mây
có độ dày lên tới ~5 km. Mật độ tinh thể băng, nhiệt độ đám mây, độ cao
tồn tại của mây, kích thước tinh thể băng và khả năng khử phân cực của
chúng có liên hệ với nhau. Thông tin về tính khử phân cực của mây Ti cho
phép chúng ta có thêm cơ sở dữ liệu kết luận về đặc trưng của mây Ti nhìn
thấy trên bầu trời Hà Nội [130].
4.5. Kết luận chƣơng IV
Các đặc trưng cơ bản chúng tôi tập trung khai thác là:
1. Đặc trưng vĩ mô của mây Ti
a. Đặc trưng phân bố độ cao của mây Ti tại Hà Nội trong năm 2011
thay đổi từ độ cao 12,5 km tới 14,3 km.



16 16.5 17 17.5 18 18.5
0
20
40
60

80
100
Height of cirrus (km)
Depolization ratio


De Ratio of cirrus
Fitted line
Độ cao mây Ti (km)
Tỉ số khử phân cực (%)
Hình 4.19: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo độ cao của lớp mây.
Tỉ số khử phân cực
Xu thế thay đổi


21

b. Đặc trưng độ dày của lớp mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội
với độ dầy trung bình ~ 1,7 ± 0,73 km.
c. Sự tương quan về độ cao của đỉnh lớp mây Ti và lớp phân tầng
đối lưu hạn của khí quyển Hà Nội ~3 km…
2. Đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao:
a. Tần suất phân bố của mây Ti trên bầu trời Hà Nội ~ 56%, đóng
góp lưu trữ năng lượng bức xạ tại bước sóng 532 nm ~21,4%
b. Đặc trưng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội
~45% với những trường hợp đặc biệt có thể lên trên 80%.
c. Trong nghiên cứu chúng tôi cũng có những kết luận về quy luật
tăng tỉ số khử phân cực khi tăng độ cao hoặc giảm nhiệt độ của
lớp mây Ti…
Những kết quả trong chương 4 đã được công bố trong các bài báo

[19] và [37] của nhóm tác giả.
KẾT LUẬN
Với mục đích nghiên cứu các đặc trưng vật lý của lớp son khí trong
khí quyển bằng kỹ thuật lidar. Trong luận án chúng tôi đã thu được một số
kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cụ thể như sau:
1. Tìm hiểu lý thuyết tương tác giữa photon ánh sáng với các phân tử khí,
với các hạt son khí có kích thước khác nhau trong khí quyển. Xây dựng
chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Matlab, xác định các đặc trưng
vật lý: phân bố không gian theo thời gian, độ sâu quang học, hệ số suy
hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar, hệ số khử phân cực của lớp son khí
bề mặt và lớp mây Ti tầng cao. Đánh giá chất lượng tín hiệu thu nhận
và sai số của các thông số quang học được xác định.


22

2. Tối ưu hệ lidar Raman phân cực hoạt động đa kênh đồng thời ở chế độ
tương tự hoặc chế độ đếm photon lần đầu tiên ở Việt Nam. Ứng dụng
hệ lidar nhiều bước sóng quan trắc tầng khí quyển tới độ cao trên 20
km, sử dụng chương trình kết nối máy tính viết bằng ngôn ngữ Labview
qua cổng USB cho phép tự động ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược liên tục
theo thời gian.
3. Nghiên cứu sự phân bố của lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội cho thấy sự
phân bố chủ yếu tập trung dưới độ cao 5 km. Xác định độ cao đỉnh lớp
son khí bề mặt tại Hà Nội ~1,5 km, sự biến đổi trong ngày và độ cao
trung bình. Xác định hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp
dưới 5 km đạt giá trị trung bình 40 ± 11. Các kết quả nghiên cứu này
được trình bày trong các bài báo của nhóm nghiên cứu [16, 20, 21, 37,
97].
4. Nghiên cứu sự phân bố theo độ cao, các đặc trưng độ sâu quang học, hệ

số tán xạ ngược, tỉ số phân cực và mối liên hệ giữa độ cao lớp mây Ti
tầng trên so với lớp đối lưu hạn của khí quyển tại Hà Nội. Kết quả
nghiên cứu này được công bố trong bài báo [19] của nhóm tác giả.
5. Xây dựng, phát triển thành công một hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode
công suất cao phát bức xạ 905 nm và đầu thu APD hoạt động ở chế độ
Geiger được làm lạnh sâu nhằm mục đích quan trắc lớp son khí tầng
thấp dưới 10 km. Với nhiều ưu điểm và đặc biệt phù hợp với điều kiện
nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật khảo sát từ xa tại Việt Nam, phát triển
hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao đang mở ra một hướng phát
triển thiết bị khoa học có nhiều ứng dụng thực tiễn.
Với những kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời gian
tác giả thực hiện nghiên cứu trên các hệ lidar, khẳng định một lĩnh vực


23

nghiên cứu, đầu tư và phát triển mới triển vọng về kỹ thuật quan trắc khí
quyển từ xa tại Việt Nam. Với cơ sở thiết bị hiện có chúng ta có khả năng
nghiên cứu sâu hơn các tính chất vật lý của các đối tượng trong khí quyển
trái đất ở độ cao lớn hơn 20 km, phục vụ cho nhiều mục đích khác như:
quan trắc môi trường, khí tượng… có nhiều ý nghĩa đối với nghiên cứu,
đào tạo và ứng dụng.

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen
Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi
using a compact lidar system, Communication in Physics, Vol. 22, No. 4, P. 357-
364.
2. D.V. Trung, N.T. Binh, N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, V.T. Bich, N.D.

Hung (2008), a lidar system for studying aerosol in the atmosphere, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung,
V.A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications V,
Publish House for Science and Technology, P. 67-71.
3. N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai
,
D.V. Trung and N.T. Binh (2008), the
compact sun photometer for atmospheric optical depth measurements, Eds.
Phipippe Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai
Hung, V.A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications
V, Publish House for Science and Technology, P. 757-761.
4. Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh and Bui Van Hai
(2010), Designing and studying characteristics of the sodium lidar, Eds. Phipippe
Brechignac, Kohzo Hakuta, Hanjo Lim, Nguyen Van Hieu, Nguyen Dai Hung, V.
A. Orlovich, Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications VI,
Publish House for Science and Technology, P. 361-364, ISSN: 1859-4271.
5. Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and Nguyen
Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact