Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển (TT)

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
--------------

NGUYỄN XUÂN TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT
LIDAR ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ
NHIỆT ĐỘ VÀ MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN

Chuyên nghành: Quang học
Mã số: 62 44 01 09

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

Hà Nội – 2016


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công Nghệ,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Đinh Văn Trung, Viện Vật lý
PGS. TS Nguyễn Thanh Bình, Viện Vật lý

Phản biện 1:

Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
họp tại Học viện Khoa học và Công Nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm
2016
Có thể tìm hiểu luận án tại:
-

Thư viện quốc gia Việt Nam

-

Thư viện học viện Khoa học và Công Nghệ .

-

Thư viện Viện Vật lý.


MỞ ĐẦU
Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển là hai thông số then
chốt trong nghiên cứu khí quyển do vai trò và ý nghĩa quan trọng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau: Vật lý khí quyển, khí tượng, hóa học khí quyển…Nhiệt
độ là thông số động lực khí quyển xuất hiện trong các bản tin dự báo thời tiết
hàng ngày, liên quan đến các hiện tượng khí hậu, hình thành mây, sự phong
phú của ô zôn, cấu trúc và đặc trưng khí quyển…Nhiệt độ cũng là tham số cơ
bản trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu.
Ở Việt nam hiện nay, phân bố nhiệt độ khí quyển được đo bằng kỹ thuật
thám không vô tuyến ở một số trạm đo khác nhau trên toàn quốc với hai lần

đo trong khoảng 2 giờ đồng hồ vào buổi sáng và buổi chiều. Tuy nhiên, kết
quả là phân bố rời rạc của nhiệt độ và không phản ánh đầy đủ thông tin tại
nơi khảo sát do độ trôi của bóng thám không. Kết quả độ cao thường chỉ giới
hạn ở khoảng 30 km do hạn chế của bóng thám không.
Chính vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu và phát
triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí
quyển ” để xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển bằng kỹ thuật lidar
phục vụ cho nghiên cứu và ứng dụng.
Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật
lidar xác định phân bố mật độ và phân bố nhiệt độ khí quyển có thể đạt đến
tầng bình lưu. Mục tiêu đặt ra là xác định được phân bố nhiệt độ có thể bao
phủ từ vùng cao tầng đối lưu (5 km) tới vùng cao tầng bình lưu (50 km).
Bản luận án bao gồm 132 trang (chưa bao gồm công trình khoa học và tài
liệu tham khảo) với cấu trúc như sau:
Mở đầu: Trình bày lý do, đối tượng, mục đích và phương pháp nghiên cứu.
Chương 1. Nguyên lí lidar xác định mật độ, nhiệt độ khí quyển.
Chương 2. Thiết kế và xây dựng các hệ lidar. Trình bày các thiết kế và phát
triển các hệ lidar cũng như thông số đặc trưng của các hệ lidar này.
Chương 3. Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển. Trình bày các
thuật giải, xử lí dữ liệu để rút ra phân bố mật độ và nhiệt độ từ tín hiệu lidar.
Chương 4. Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ khí quyển tại Hà nội.
Trình bày và thảo luận một số kết quả đo được ở Hà nội
Kết luận

1


Chương 1
Nguyên lí của lidar xác định mật độ phân tử và nhiệt độ
1.1 Nguyên lí chung của kỹ thuật lidar

Lidar (light of detection and ranging) là kỹ thuật viễn thám chủ động sử dụng
ánh sáng để xác định tính chất của đối tượng theo khoảng cách.
1.2. Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ
1.2.1. Xác định phân bố nhiệt độ
Nhiệt độ khí quyển được xác định bởi phương trình (1.1) sau khi tích phân
phương trình thủy tĩnh kết hợp với phương trình khí lí tưởng:
T(𝑧𝑖+1 ) =

𝜌(𝑧𝑖 )
𝑇(𝑧𝑖 )
𝜌(𝑧𝑖+1 )

+

𝑚𝑔((𝑧𝑖 +𝑧𝑖+1 )/2)
𝑅

∆𝑧

(𝜌(𝑧𝑖 )/𝜌(𝑧𝑖+1 ))−1
.
𝑙𝑛(𝜌(𝑧𝑖 )/𝜌(𝑧𝑖+1 ))

(1.1).

Sử dụng các giá trị mật độ phân tử tham khảo ρ(zref ) và nhiệt độ tham khảo
T(zref ), nhiệt độ T(z) rút ra từ tỉ số mật độ phân tử của các khoảng liên tiếp.
1.2.2. Xác định phân bố mật độ từ lidar Rayleigh
Biến đổi phương trình lidar Rayleigh sau:
P(λ, z) = PL (λ)

AT 𝑂(𝑧)
[βmol (λ, z) +
z2

βaer (λ, z) ] × exp[−2αatm (λ, z)]. (1.2)

Trong đó λ là bước sóng laser, PL(λ) là số photon phát ra, P(λ,z) là số photon
tán xạ ngược từ độ cao z, AT là thừa số chuẩn trực hệ thống, O(z) là hàm
chồng chập, βmol (λ, z) là hệ số tán xạ ngược của phân tử khí, βaer (λ, z) là hệ
số tán xạ ngược của sol khí. Chúng ta thu được biểu thức mật độ phân tử:
−1

ρmol (z) = C × Peff (z) × z 2 × [exp(−2mol (z))] .

(1.3)

Với Peff(z) là tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng được xác định sau khi hiệu
chỉnh tín hiệu lidar đo được với tán xạ và hấp thụ của sol khí và hấp thụ ozone:
Peff (z) = P(z) × [R aer (z) × exp(−2aer (λ, z))]

−1

× [exp(−2O3 (z))]

−1

. (1.4)

Trong đó R aer (z) là tỉ số tán xạ ngược của sol khí, aer (λ, z) là hệ số dập tắt

của sol khí. Hệ số chuẩn hóa C được xác định sau khi dùng một giá trị mật độ
tham khảo ở độ cao chuẩn hóa znorm:
2
]−1 × exp[−2mol (znorm )](1.5)
C = ρmod (znorm ) × [Peff (znorm ) × znorm

2


𝑧

Hệ số suy hao của phân tử : 𝑚𝑜𝑙 (𝜆, 𝑧) = ∫0 𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜆) × 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧′)𝑑𝑧′ (1.6)
có thể được xác định bằng phương pháp lặp như sau: bước thứ nhất, giá trị
𝑚𝑜𝑙 (𝑧) = 0 được giả sử ở tất cả độ cao. Ở bước thứ hai, 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) được tính
từ phương trình (1.3) từ giá trị 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) cuối. Trong bước thứ ba, 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) dẫn
ra từ bước cuối được dùng để tính độ suy hao phân tử mới 𝑚𝑜𝑙 (𝑧). Lặp lại
bước thứ 2 và thứ 3 cả hai 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) và 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) sẽ hội tụ nhanh sau một vài
bước lặp. Hệ số tán xạ ngược βaer (z) và hệ số suy hao 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝑧) của sol khí có
thể được xác định theo phương pháp của Fernald.
z

βaer (z) + βmol (z) =

S(z)exp{−2 ∫z [Laer (z′)−Lmol ]βmol (z′)dz′}
0

,

z
S(z0 )

−2 ∫0 Laer (z′)S(z)Tr(z′ ,z0 )dz′
βaer (z0 )+βmol (z0 )

𝑧

với 𝑇𝑟(𝑧, 𝑧0 ) = 𝑒𝑥𝑝 {−2 ∫𝑧 [𝐿𝑎𝑒𝑟 (𝑧′) − 𝐿𝑚𝑜𝑙 ]𝛽𝑚𝑜𝑙 (𝑧′)𝑑𝑧′}
0

(1.7)
(1.8)

Trong đó S(z) là tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách, Laer(z) là tỉ số lidar,
Lmol là tỉ số phân tử. Chúng ta cũng có thể tính được hệ số suy hao sol khí từ
tỉ số lidar: 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝑧) = 𝐿𝑎𝑒𝑟 (𝑧). 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝑧) .
(1.9)
1.2.3. Xác định phân bố mật độ từ lidar Raman
Tái sắp xếp phương trình lidar Raman sau:
P(λR , z) = P(λ0 )

AT
z2

βN (λR , z). exp(−[αmol (λ0 , λR , z) + αaer (λ0 , λR , z)]). (1.10)

Với 𝜆0 , 𝜆𝑅 là bước sóng laser và bước sóng Raman, 𝛽𝑁 (𝜆𝑅 , 𝑧) là hệ số tán xạ
ngược Raman của phân tử Ni tơ. Mật độ phân tử Ni tơ được xác định:
ρ𝑁 (z) = C × Peff (z) × z 2 × [exp(−mol (λ0 , λR , z))].−1
(1.11)
Tín hiệu lidar Raman hiệu dụng Peff(z) được xác định sau khi hiệu chỉnh suy
−1

hao của sol khí: Peff (z) = P(z) × [exp(−αaer (λ0 , λR , z))]
(1.12)
Với hệ số suy hao của sol khí αaer (λ0 , z) xác định từ phương pháp Ansmann:
αaer (λ0 , z) =

ρ (z)
d
ln N
dz S(λR ,z)
γ
λ
1+( 0 )
λR

(1.13)

Với : thành phần Angstron mô tả sự phụ thuộc bước sóng của sol khí. Hằng
số chuẩn hóa C được xác định sau khi dùng một giá trị tham khảo như lidar
Rayleigh và phương pháp lặp được dùng để xác định ρ𝑁 (z) và mol (λ0 , λR , z)
1.2.4. Xác định phân bố mật độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman

3


Kết hợp hai tín hiệu lidar đàn hồi và Raman chúng ta có thể xác định trực
tiếp hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của sol khí.
2
P(λ0 , zi+1 )zi+1
[βmol (λ0 , zi ) + βaer (λ0 , zi )]

βnaer (Saer , λ0 , zi+1 ) =
P(λ0 , zi )zi2
z

× exp {−2 ∫z i αmol (λ0 , z ′ )dz ′ } × exp{Saer (zi ). [βaer (λ0 , zi ) +
i+1

βaer (λ0 , zi+1 ). dz]} − βmol (λ0 , zi+1 )
(1.14)
Hệ số suy hao của sol khí được xác định theo phương trình (1.9). Còn mật
độ được xác định từ tín hiệu lidar đàn hồi.

Chương 2.

Thiết kế và xây dựng các hệ lidar

2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman
2.1.1. Mô tả hoạt động

Hình 2.1. Sơ đồ hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman.

Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được thiết kế theo cấu hình đơn tĩnh
lưỡng trục mô tả theo sơ đồ ở hình 2.1. Hệ lidar sử dụng nguồn laser xung ở
bước sóng 532 nm, tần số lặp tại 10 Hz, độ rộng xung 5ns, phát vào khí quyển
bởi một gương lái chùm. Hệ thu sử dụng một kính thiên văn đường kính 25
cm. Tín hiệu lidar được tách làm đôi bởi một gương lưỡng sắc. Chùm 532 nm
được giảm đi 1000 lần bởi phin lọc trung tính ND trước khi được lọc phổ bởi
phin lọc giao thoa 532 nm với băng thông 3 nm. Chùm tia 607 nm được lọc

4

bởi pin lọc 550 nm longpass trước khi được lọc tiếp bởi phin lọc giao thoa
610 nm với băng thông 10 nm. Cả hai tín hiệu được nhận bởi PMT H678020 rồi được lưu trữ trong máy tính thông qua một hệ đếm photon với bộ ADC
8 bit băng thông 250 MHz.

Hình 2.2. Phân bố hàm chồng chập lidar đàn hồi-Raman kết hợp.

Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục của hệ lidar được xác định bởi hàm chồng chập
cho thấy ở hình 2.2. Kết quả chỉ ra tín hiệu chồng chập hoàn toàn ở trên 2 km.
2.1.2 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar

Hình 2.3. Tín hiệu lidar thô (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong 10 phút (b).

Độ tin cậy của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được đánh giá bằng
cách so sánh tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách với mật độ phân tử
Ni tơ từ phép đo thám không vô tuyến hoặc từ mô hình. Kết quả từ hình 2.3
cho thấy tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh theo khoảng cách tích phân trong 10
phút tương đối hòa hợp với phân bố mật độ Ni tơ từ mô hình MSISE-90 đã
khẳng định độ tin cậy của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Để đánh giá độ ổn

5


định của hệ lidar này chúng tôi cho thấy 6 file tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh
khoảng cách liên tiếp, tương ứng với 1 giờ tích phân. Kết quả cho thấy ở hình
2.4 với các phân bố là tương đối giống nhau.

Hình 2.4. Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách của 6 file liên tiếp.

2.1.3 Đánh giá tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Tỉ số tín hiệu /nhiễu phản ánh năng lực của hệ lidar. Tỉ số tín hiệu /nhiễu
được xác định thông qua biểu thức: SNR =

Psig
Pnoise

=

Psig
√Psig +2.Pbg

(2.1)

Trong đó Psig là cường độ tín hiệu lidar, nó bằng cường độ tín hiệu tổng cộng
thu được Ptot trừ đi cường độ tín hiệu phông (background) Pbg. Kết quả khảo
sát SNR được cho thấy ở trên hình 2.5 và hình 2.6.

Hình 2.5. Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải không gian khác nhau.

6


Hình 2.6. Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải thời gian khác nhau.

2.2 Hệ lidar Rayleigh-Raman
2.2.1 Phát triển module gated-PMT
Để hệ lidar có thể đo được đến tầng bình lưu hoặc hơn, chúng ta cần tăng
công suất của laser và tiết diện của kính thiên văn. Tuy nhiên khi đó khoảng
động lực tín hiệu tăng nhanh đến 6, 7 bậc. Hệ quả là phá hủy chế độ đếm

photon và bão hòa ống nhân quang điện. Để giải quyết vấn đề này chúng ta
cần cắt bỏ tín hiệu mạnh ở khoảng cách gần đồng thời thu nhận tín hiệu yếu
ở khoảng cách xa. Nhiều kỹ thuật đã ra đời để giải quyết vần đề này. Trong
luận án này một module gated-PMT dựa trên việc kiểm soát quá trình nhân
electron ở các dynode chẵn phát triển từ đầu thu PMT R7400U đã được ứng
dụng cho hệ lidar. Hình 2.7 trình bày sơ đồ khối của module gated-PMT.

Hình 2.7. Sơ đồ khối của module gated-PMT.

Module gồm hai phần: phần thứ nhất gồm bộ phát xung gate và bộ chia
thế được gán vào đầu ống nhân quang điện, phần thứ hai gồm bộ tách sóng

7


và làm trễ xung cùng với các bộ nguồn nuôi. Một phần nhỏ của xung laser
truyền vào khí quyển được biến đổi thành xung điện bởi một photodiode
nhanh. Các xung điện này cũng là các xung trigger cho việc dành tín hiệu
lidar bởi bộ đếm ADC (Analog-Digital Converter). Các xung điện phát ra từ
photodiode được biến đổi thành xung TTL (Transitor-Transitor Logic) bởi
một mạch tách sóng nhanh. Các xung số này được làm trễ đi một thời gian
tdelay bởi một mạch làm trễ. Những xung điện sau khi được làm trễ này được
khuếch đại bởi mạch phát xung gate để đạt được điện áp cần thiết. Cuối cùng
các xung gate được cấp cho các điện cực chẵn của đầu ống nhân quang điện
để nó làm việc ở chế độ đếm photon.
2.2.2 Hệ lidar

Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ lidar Rayleigh-Raman

Hệ lidar Rayleigh-Raman nghiên cứu khí quyển tầng cao có sơ đồ tương

tự như hệ lidar đàn hồi-Raman kết hợp nhưng kênh đàn hồi không sử dụng
phin lọc trung tính và sử dụng module gated-PMT để nhận tín hiệu với sơ đồ
khối cho thấy ở trên hình 2.8. Hình 2.9 cho thấy độ tin cậy của hệ lidar khi
chúng ta so sánh giữa mật độ phân tử khí quyển với tín hiệu lidar Rayleigh
hiệu chỉnh khoảng cách. Hai phân bố là tương đối hòa hợp.
Để đánh giá độ ổn định của hệ lidar, 10 file tín hiệu lidar Rayleigh được
so sánh với nhau. Kết quả cho thấy ở hình 2.10 đã khẳng định độ ổn định khi
các đường tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách rất giống nhau. Để đánh giá ảnh
hưởng của hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu lên module gated-PMT hay không

8


tác giả đo tín hiệu trong trường hợp bị một đám mây dày chắn trên thị trường
kính thiên văn. Kết quả được cho thấy ở hình 2.11 với lớp mây tồn tại ở 5 km
được chỉ ra bởi tín hiệu lidar Raman suy hao mạnh. Tín hiệu lidar Rayleigh
sau đó là nhỏ hơn phông của tín hiệu lidar Raman đã khẳng định module
không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu.

Hình 2.9. Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT.

Hình 2.10. Tín hiệu Rayleigh hiệu chỉnh khoảng cách 10 file liên tiếp.

Hình 2.11. Phép đo đánh giá ảnh hưởng nhiễu sinh ra tín hiệu lên module gated-PMT

9


2.3. Kết luận chương 2
Hai hệ lidar đã được phát triển cho nghiên cứu mật độ và nhiệt độ khí

quyển. Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman có thể dành được tín hiệu tán xạ
ngược Raman của phân tử Ni tơ tới 18 km với tỉ số tín hiệu /nhiễu lớn hơn 1
và độ phân giải thời gian là 10 phút và độ phân giải không gian là 1.2 m. Kênh
đàn hồi của hệ lidar này cũng giành được tín hiệu lidar tới 20 km với tỉ số tín
hiệu /nhiễu lớn hơn 1 và có cùng độ phân giải thời gian và không gian như
trên. Trong khi đó hệ lidar Rayleigh-Raman hai kênh nghiên cứu tầng cao có
thể dành tín hiệu tán xạ Rayleigh đạt tới 60 km với tỉ số tín hiệu lớn hơn 9 và
độ phân giải không gian là 120 m, độ phân giải thời gian là 1 giờ. Tín hiệu
lidar Raman đạt tới 18 km với tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 1 và độ phân
giải thời gian là 10 phút và độ phân giải không gian là 1.2 m.

Chương 3.

Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển

3.1 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh
3.1.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ

Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh.

10


Hình 3.1 trình bày sơ đồ thuật giải nhiệt độ từ tín hiệu lidar Rayleigh. Tín
hiệu lidar được trừ đi tín hiệu phông, sau đó nhân với bình phương khoảng
cách để thu được tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách. Tín hiệu phông được
xác định bởi tín hiệu thu được ở đoạn xa nhất của phân bố tín hiệu. Độ tin cậy
của file được đánh giá để kiểm tra hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu. Các file tín
hiệu lidar thô liên tiếp được lấy trung bình không gian và thời gian với nhau
để tăng tỉ số tín hiệu /nhiễu rồi được làm trơn bằng phin lọc bình phương tối

thiểu theo thang logarit để làm giảm độ méo tín hiệu do sự phân rã nhanh của
tín hiệu lidar theo độ cao. File tín hiệu lidar này được hiệu chỉnh bởi ozone
bằng cách chia cho hệ số truyền qua một vòng khí quyển của ozone T 2O3(z)
rồi được dùng để xác định hệ số dập tắt và hệ số tán xạ ngược của sol khí theo
phương pháp Fernald. Hệ số tán xạ ngược của sol khí βaer(z) được dùng để
xác định tỉ số tán xạ ngược tương đối Raer(z). Hệ số dập tắt của sol khí sẽ cho
phép xác định hệ số truyền qua khí quyển một vòng của sol khí T2aer(z). Thừa
số tín hiệu lidar hiệu dụng Peff(z) được xác định sau khi hiệu chỉnh suy hao
do tán xạ và dập tắt của sol khí và suy hao của ozone từ tín hiệu lidar đo được.
Mật độ phân tử khí quyển được xác định từ tín hiệu lidar hiệu dụng sau khi
sử dụng một giá trị mật độ phân tử khí quyển tham khảo từ mô hình khí quyển
tại một độ cao chuẩn hóa. Phân bố nhiệt độ khí quyển được tính từ phân bố
mật độ khí quyển sau khi dùng một giá trị nhiệt độ tham khảo ở khoảng biên
cao nhất. Cuối cùng các nguồn sai số nhiệt độ khí quyển được xác định.
3.1.2. Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng Peff

Hình 3.2. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua của ozone tại Hà nội.

11


Hình 3.2 trình bày một phân bố mật độ ô zôn tham khảo tại địa điểm đo. Hệ
số suy hao của ô zôn cũng được tính ra và trình bày trong hình. Sử dụng
phương pháp Fernald chúng ta tính được hệ số tán xạ ngược của sol khí từ đó
tính được tỉ số tán xạ ngược của sol khí Raer. Hệ số dập tắt của sol khí cũng
được tính từ tín hiệu lidar này, từ đó tính được hệ số truyền qua của sol khí
T2aer. Sử dụng các hệ số trên chúng ta xác định được tín hiệu lidar hiệu dụng.
3.1.3. Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển

Hình 3.3. Mật độ từ tín hiệu lidar đo được và hiệu dụng.

Mật độ phân tử và sai số mật độ được xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh cho
thấy ở hình 3.3 sau khi chúng ta sử dụng một giá trị mật độ phân tử tham khảo
từ mô hình khí quyển MSISE-90 ở một độ cao tham khảo.
3.1.4. Xác định phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ khí quyển
Nhiệt độ khí quyển và sai số nhiệt độ rút ra từ phân bố mật độ ở trên được
cho thấy ở hình 3.4. Các nguồn sai số chủ yếu như: hấp thụ và tán xạ của sol
khí, hấp thụ của ozone, nhiệt độ tham khảo, nhiễu tín hiệu. Sai số nhiệt độ
lidar Rayleigh tổng cộng nhỏ hơn 4 K. Phân bố nhiệt độ sử dụng tín hiệu lidar
Rayleigh hiệu dụng cho thấy gần hơn với phân bố nhiệt độ từ mô thình
MSISE-90 khẳng định việc hiệu chỉnh suy hao sol khí và ozone sẽ nâng cao
độ tin cậy.

12


Hình 3.4. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ lidar Rayleigh.

3.2. Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman
3.2.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ

Hình 3.5. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Raman

13


Hình 3.5 cho thấy sơ đồ thuật giải nhiệt độ của lidar Raman. Tín hiệu lidar đo
được được trừ đi tín hiệu phông rồi hiệu chỉnh khoảng cách rồi so sánh với
mật độ phân tử Ni tơ từ thám không để kiểm tra hiện tượng ô nhiễm nặng của
mây. File tín hiệu được tích phân không gian và thời gian dùng cho việc xác

định suy hao của sol khí và ô zôn để xác định tín hiệu hiệu dụng. Tín hiệu
hiệu chỉnh dùng để xác định mật độ và nhiệt độ theo phương pháp như lidar
Rayleigh. Sai số nhiệt độ Raman được đánh giá sau cùng.
3.2.2.

Xác định mật độ phân tử khí quyển

Hình 3.6. Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), và hệ số truyền qua khí
quyển của phân tử (b).

Mật độ phân tử khí quyển rút ra từ tín hiệu lidar Raman và hệ số truyền qua
phân tử xác định từ mật độ này cho thấy ở hình 3.6. Kết quả mật độ được xác
định từ tín hiệu lidar Raman theo phương pháp lặp và không lặp. Mật độ phân
tử được xác định từ tín hiệu lidar Raman hiệu dụng.
3.2.3. Xác định phân bố nhiệt độ và lỗi nhiệt độ khí quyển
Sử dụng phân bố mật độ phân tử Ni tơ ở trên, phân bố nhiệt độ khí quyển
được rút ra sau khi chúng ta dùng nhiệt độ tham khảo ở độ cao cực đại. Kết
quả trình bày ở trên hình 3.7 đối với việc sử dụng và không sử dụng phương
pháp lặp để hiệu chỉnh suy hao của phân tử khí quyển. Kết quả nhiệt độ từ
phương pháp lặp cho thấy gần với kết quả thám không hơn. Sai số nhiệt độ
Raman từ các nguồn: hấp thụ sol khí, hấp thụ ô zôn, nhiệt độ tham khảo, độ

14


ồn photon cũng cho thấy trên hình. Kết quả sai số nhiệt độ từ sol khí là lớn
nhất và sai số nhiệt độ tổng cộng cực đại là nhỏ hơn 6 K, khoảng 3%.

Hình 3.7. Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) và không lặp (đỏ)
(a) và sai số nhiệt độ lidar Raman (b).

3.3. Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp

Hình 3.8. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ của lidar kết hợp đàn hồi-Raman.

15


Sơ đồ thuật giải tổng quát của lidar nhiệt độ kết hợp đàn hồi-Raman cho thấy
ở trên hình 3.8. Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách được kiểm tra hiện tượng
nhiễu sinh tín hiệu bằng cách so sánh nó với phân bố mật độ của thám không.
Tín hiệu được tích phân không gian và thời gian dùng để xác định tỉ số tán xạ
sol khí và hệ số truyền qua sol khí. Hai hệ số này cùng với hệ số truyền qua
của ô zôn cho phép xác định tín hiệu lidar hiệu dụng. Từ tín hiệu lidar đàn hồi
hiệu dụng này chúng ta xác định được mật độ rồi xác định được nhiệt độ.

Hình 3.9. Phân bố mật độ phân tử (a) không lặp (đỏ), lặp (xanh), sai số mật độ (b).
atmospheric temperature
20
non-iterative
iterative
radio sonde

18
16

heigh [km]

14
12

10
8
6
4
(1)

2
180

200

220

240
Temperautre [K]

260

(2)

(3)

280

300

Hình 3.10. Phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và sai số nhiệt độ.

16

Kết quả xác định phân bố mật độ phân tử từ lidar kết hợp đàn hồi-Rama được
cho thấy ở trên hình 3.9, sai số mật độ cũng được cho trong hình. Kết quả
được so sánh với mật độ phân tử từ phép đo thám không cùng ngày. Sử dụng
phân bố mật độ phân tử chúng ta xác định được phân bố nhiệt độ. Kết quả
phân bố nhiệt độ được cho thấy ở hình 3.10, sai số cũng được cho thấy trong
hình. Kết quả cho thấy sai số nhiệt độ do sol khí là lớn nhất và tồn tại ở khoảng
dưới 4 km. Sai số nhiệt độ tổng cộng nhỏ hơn 12 K tương ứng với 4,2 %.
3.4.Kết luận chương 3
Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ có thể rút ra từ tín hiệu lidar
Rayleigh, Raman, kết hợp đàn hồi và Raman. Kết quả bị ảnh hưởng bởi hai
yếu tố là phương pháp xử lí dữ liệu và giá trị tham khảo. Lidar Rayleigh có
thể đo được vùng trên tầng đối lưu (20 km) tới vùng thấp tầng trung lưu (59
km). lidar Raman và lidar kết hợp đo được trên lớp biên mặt đất (2 km) tới
vùng thấp tầng bình lưu (20 km).
Chương4

Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ khí quyển tại Hà nội
4.1. Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu
4.2.1. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu
20
lidar
radio

18
16

height [km]

14

12
10
8
6
4
2
180

200

220
240
260
temperature and error [K]

280

300

Hình 4.1. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman.

17


01/12/2011

11/12/2011

02/12/2011

12/12/2011

13/12/2011

20

20

20

20

20

18

18

18

18

18

16

16

16

16

16

14

14

14

14

14

12

12

12

12

12

10

10

10

10

10

8

8

8

8

8

6

6

6

6

6

4

4

4

(2)
2
190

4

2
290 200

240

250

4

(2)

(2)
(1)

(1)

2
300 200

250

(2)

(1) (2)

(1)
2
300 200

250

(1)

2
300 200

250

300

Hình 4.2. Một số phân bố nhiệt độ đo được trong tháng 12 năm 2011 tại Hà nội.
25/04/2012

16/05/2012

31/10/2012

12/12/2012

20

20

20

20

18

18

18

18

16

16

16

16

14

14

14

14

12

12

12

12

10

10

10

10

(1) (2)
(1)

(2)

(2)

8

8

8

8

6

6

6

6

4

4

4

4

2

200

250

2
300 200

250

(1) (2)

(1)

2

300 200

250

2
300 200

250

300

Hình 4.3. Vị trí tropopause tại một số thời điểm năm 2012 tại Hà nội.

18


Hình 4.4. Một số phân bố nhiệt độ và tropopause vào tháng 6 năm 2013 tại Hà nội.

Phân bố nhiệt độ tầng đối lưu từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman được đo
vào 20 giờ 10 phút ngày 2 tháng 12 năm 2011 tại Hà nội cho thấy trên hình
4.1. Kết quả được so sánh với phép đo thám không cùng ngày. Từ phân bố
nhiệt độ này chúng ta thấy tồn tại hai đỉnh tầng đối lưu, đây là kết quả từ khả
năng phân giải không gian cao của kỹ thuật lidar. Vị trí của lớp đối lưu hạn
được tìm thấy là 17,5 km tương ứng với nhiệt độ là 186 ± 3 K. So với kết quả
thám không lần lượt là 17,1 km và nhiệt độ là 189 ± 1,2 K. Độ chênh lệch này
là do thời gian đo khác nhau. Kết quả một số phân bố nhiệt độ từ lidar kết hợp
đàn hồi-Raman đo được tại Hà nội và tháng 12 năm 2011 được cho thấy trên
hình 4.2. Từ dữ liệu này cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ cao nhất so với nhiệt
độ trung bình là 9 K và thấp nhất là 4,7 K. Kết quả một số phân bố nhiệt độ
và lớp đối lưu hạn (tropopause) vào các ngày mùa hè và mùa thu ở Hà nội

19


trong năm 2012 được cho thấy trên hình 4.3 đã chỉ ra vị trí của tropopause
vào mùa thu có xu hướng cao hơn so với mùa hè. Vị trí và nhiệt độ của
tropopause biến đổi rất phức tạp, kết quả một số phân bố nhiệt độ và
tropopause tại Hà nội vào tháng 6 năm 2013 ở hình 4.4 đã khẳng định điều
đó. Vì vậy để nghiên cứu đặc trưng của tropopause chúng ta cần phải quan
trắc liên tục.
4.2.2. Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao
20

20

19

19

18

18

17

17

16

16

15

15

14

14

13

13

12

12

11

11

10

10

9

9

8

8

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2
180

200

220

240

260

2
280 9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

Hình 4.5. Vị trí tương đối của tropopause so với lớp mây Ti tầng cao tại Hà nội.

Một trong những khả năng của kỹ thuật lidar là nó cho phép đo đạc cũng
như nghiên cứu nhiều đối tượng một cách đồng thời mà kỹ thuật thám không
vô tuyến không thực hiện được. Một trong các nghiên cứu đó là nghiên cứu
mối quan hệ giữa vùng đối lưu hạn với lớp mây Ti tầng cao bằng kỹ thuật
lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Với sự phân bố cường độ tín hiệu lidar đàn hồi
hiệu chỉnh theo khoảng cách chúng ta có thể chỉ ra sự tồn tại của lớp mây Ti
này do cường độ tăng đột ngột của chúng. Trong khi đó với phân bố nhiệt độ

chúng ta có thể chỉ ra sự tồn tại của lớp đối lưu hạn. Kết quả khảo sát bởi lidar
kết hợp đàn hồi-Raman ở Hình 4.5 cho thấy tồn tại một lớp mây Ti mỏng sau
20 phút lấy trung bình tín hiệu lidar đàn hồi. Vị trí lớp mây Ti này vào khoảng

20


14,5 km tới 15,5 km. Tương ứng tồn tại một đỉnh của lớp đối lưu hạn trên
khoảng độ cao khí quyển này.
4.2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ tầng bình lưu bằng lidar
Rayleigh
22h56min-26june2013
60
55

lidar
model

50

height [km]

45
40
35
30
25
20
15
200

210

220

230
240
250
temperature and error bar [K]

260

270

280

Hình 4.6. Phân bố nhiệt độ và sai số nhiệt độ từ lidar Rayleigh tại Hà nội.

Kết quả xác định phân bố nhiệt độ từ phân bố mật độ phân tử trong tầng
bình lưu từ lidar Rayleigh cho thấy ở trên Hình 4.6, phân bố sai số tổng cộng
của lidar Rayleigh cũng được vẽ trên hình. Phân bố nhiệt độ từ mô hình
MSISE-90 cùng ngày tại Hà nội cũng được vẽ cùng để so sánh. Phân bố sai
số ở dưới 29 km là do sự tồn ại của lớp sol khí tầng cao, trong khi đó sai số
nhiệt độ ở phần trên của phân bố là do nhiệt độ tham khảo và nhiễu tín hiệu
photon. Phân bố nhiệt độ bắt đầu ở 20 km và kết thúc ở 59 km với thời gian
lấy trung bình tín hiệu là 1 giờ và khoảng không gian lấy trung bình là 120
m. Phân bố nhiệt độ thu được từ lidar Rayleigh đã bao phủ hoàn toàn tầng
bình lưu và đạt tới vùng thấp tầng trung lưu chứa lớp bình lưu hạn.
Các phân bố nhiệt độ từ lidar chỉ ra cấu trúc tầng bình lưu và tiết lộ
đặc trưng của lớp bình lưu hạn (stratopause). Một số phân bốn nhiệt độ từ

lidar Rayleigh trong tháng 6 năm 2013 được cho thấy trên hình 4.7. Vị trí và
nhiệt độ của lớp bình lưu hạn được chỉ ra cho chúng ta thấy cấu trúc giữa hai
tầng khí quyển là tầng bình lưu và tầng trung lưu. Ví trí của lớp bình lưu hạn
được đánh dấu (*) mầu xanh dương trên phân bố nhiệt độ. Kết quả vị trí của
stratopause được tìm thấy lần lượt là (a): 45,7 km, (b): 47,7 km, (c): 50 km,

21


(d): 47,3 km. với nhiệt độ tương ứng lần lượt là (a): 268,6 ± 3.0 K, (b): 267,4
± 2,6 K, (c): 266,1 ± 2,1 K, (d): 265,1 ± 2.0 K. Kết quả cho thấy vị trí của
stratopause dao động trong khoảng 4 km với các phân bố nhiệt độ khác nhau
trong tháng 6 năm 2013. Điều này cho thấy lớp bình lưu hạn có thể dao động
trong một khoảng rất rộng, so sánh với mô hình chúng ta thấy được điều này.

Hình 4.7. Một số phân bố nhiệt độ và stratopause vào tháng 6 năm 2013.

4.3. Kết luận chương 4
Từ phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và lidar Raman đo được
chúng ta thấy vị trí của tropopause tại Hà nội dao động từ 16 km tới 18 km,
nhiệt độ của tropopause dao động từ 186 K và 192 K. Kết quả cũng cho thấy
tồn tại lớp mây Ti tầng cao trong lân cận 14,5 km. Từ phân bố nhiệt độ của
lidar Rayleigh chúng ta thấy lớp stratopause dao động trong khoảng 4 km từ
độ cao 45,7 km tới 50 km và nhiệt độ từ 261,1 K tới 268,6 K trong tháng 6
năm 2013.

22


Kết luận

Luận án tiến sỹ Vật lý với tiêu đề “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR
ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển” đã đạt được những
kết quả khoa học sau:
 Thiết kế và xây dựng thành công hai hệ lidar bao gồm: hệ lidar kết
hợp đàn hồi-Raman và hệ lidar Rayleigh-Raman, ứng dụng tán xạ
đàn hồi, tán xạ Raman hoặc kết hợp cả hai để khảo sát phân bố mật
độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển. Cả hai hệ lidar sử dụng
nguồn laser công suất cao ở bước sóng 532 nm và kính thiên văn có
đường kính 25 cm, với tín hiệu tán xạ ngược được ghi nhận ở chế độ
đếm photon và dữ liệu được lưu trữ trên máy vi tính. Phân bố nhiệt
độ đo được bởi lidar Raman hoặc lidar kết hợp đàn hồi-Raman bắt
đầu từ vùng thấp tầng đối lưu đến vùng thấp tầng bình lưu (từ 2 km
đến gần 20 km) chứa lớp đối lưu hạn. Phân bố nhiệt độ đo được bởi
lidar Rayleigh bắt đầu từ vùng thấp tầng bình lưu đến vùng thấp tầng
trung lưu (từ 20 km đến 59 km) chứa lớp bình lưu hạn.
 Thiết kế và xây dựng thành công module gated-PMT sử dụng đầu
ống nhân quang điện loại R7400U thương mại cho phép loại bỏ tín
hiệu mạnh ở trường gần đồng thời ghi nhận tín hiệu yếu ở trường xa
trong chế độ đếm photon với khoảng cách loại bỏ có thể điều chỉnh
được. Module có thiết kế compact, dễ dàng tích hợp với các hệ lidar
hay các hệ ghi nhận tín hiệu quang học yếu.
 Phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ khí quyển xác định từ
tín hiệu lidar đàn hồi, tín hiệu lidar Raman, kết hợp cả hai đàn hồiRaman được xác định thông qua các chương trình xử lí số trong môi
trường Matlab. Các thuật giải xử lí tín hiệu lidar để xác định nhiệt độ
được tối ưu hóa thông qua việc hiệu chỉnh sol khí, ô zôn, hấp thụ
phân tử. Ảnh hưởng của các giá trị tham khảo tới kết quả được giảm
thiểu bằng sử dụng phương pháp lặp.
 Xác định được cấu trúc tầng đối lưu khí quyển tại Hà nội từ dữ liệu
phân bố nhiệt độ đo được của lidar Raman và lidar kết hợp đàn hồiRaman. Đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu được khảo sát thông qua

23