Nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Phạm Minh Tiến

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ OZONE TRONG
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI

Chuyên ngành: Quang học
Mã số:
9 44 01 09

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUANG HỌC

Hà Nội, 2017


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

Phản biện 1:.......................................................................

Phản biện 2:.......................................................................

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học Viện, họp tại Học Viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa hoc và Công nghệ Việt Nam vào hồi …..giờ …, ngày … tháng…
năm 201…

Có thể tìm hiểu luận án tại :
- Thư viện Học Viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc Gia Việt Nam


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1
Tính cấp thiết của luận án ........................................................ 1
Mục tiêu nghiên cứu của luận án ............................................. 1
Các nội dung nghiên cứu chính của luận án ........................... 2
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................... 2
1.1 Ozone trong khí quyền tầng thấp....................................... 2
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố ................................................ 2
1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone ........................................ 3
1.1.3 Vai trò và tác động của ozone .................................... 3
1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển.......................... 3
1.2.1 Khái quát chung .......................................................... 3
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền ... 3
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone ..................................... 3
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng
đứng ...................................................................................... 4
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng
thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai ..................................... 4

1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ
vi sai ...................................................................................... 4
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR .......................... 5
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai ................................... 6
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo
ozone ..................................................................................... 6
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi
sai trong khí quyển tầng thấp .............................................. 6


1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao .......... 7
1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp
thụ vi sai ............................................................................... 8
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP
THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN
TẦNG THẤP .................................................................................... 8
2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone ...... 8
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ....................... 8
2.1.2 Khối phát quang học ............................................... 8
2.1.3 Khối thu quang học ................................................. 9
2.1.4 Khối thu quang điện tử ............................................ 9
2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán .................................... 10
2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát ......................................... 10
2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố
ozone

............................................................................................ 10

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận ...................................... 10
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI

SAI ĐỂ ĐO OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP...... 11
3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .................. 11
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố ....................... 11
3.2.1 Bộ dao động phát ................................................... 11
3.2.2 Hệ quang học bơm ................................................. 12
3.2.3 Bộ khuếch đại quang ............................................. 12
3.2.4 Môi trường hoạt chất ............................................. 12
3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu .................................. 12


3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc
đánh giá ........................................................................................... 12
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu..... 13
3.4.1 Chế tạo telescope.................................................... 13
3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học ................... 13
3.4.3 Khối quang học thu ............................................... 13
3.5 Phát triển khối điện tử thu ............................................... 14
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu .................... 14
3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai....................... 14
CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE
TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦN SỐ THẤP .............................. 15
4.1 Xử lý số liệu ........................................................................ 15
4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ................ 15
4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao....... 17
4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc ........................ 18
KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................... 20
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.............................. 21
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................. 22

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của luận án
Ozone là khí được quan tâm đặc biệt trong thành phần khí quyển
vì sự có mặt, phân bố, tính chất của nó tác động lớn đến cuộc sống ở
hành tinh chúng ta. Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu, ozone góp
phần vô cùng quan trọng vào việc bảo vệ trái đất bằng cách hấp thụ
hầu hết các bức xạ tử ngoại nguy hiểm từ mặt trời trong dải bước sóng
từ 200 đến 300 nm. Trong tầng đối lưu (ở lớp khí quyển sát mặt đất),
dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần tỷ - ppb), nhưng ozone
là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm, là một trong
những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của
các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính. Vì thế, việc xác định
nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển là hết sức cần thiết,
nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất.
Ở nước ta, trong báo cáo của Trung tâm Quan trắc Môi trường
thuộc Tổng cục Môi trường (5/2012), trên lãnh thổ Việt Nam có
khoảng 20 trạm khí tượng cao không dùng bóng thám không để quan
trắc các số liệu khí quyển nhưng không có số liệu ozone trong bảng
thông kê hàng năm.
Nhu cầu thực tế: quan trắc ozone trong khí quyển, nhất là khí
quyển tầng thấp, để tăng cường hiểu biết về khí hậu, phục vụ công tác
dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu, phòng chống ô nhiễm
môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát
triển trong tương lai.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR
hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay viết tắt là DIAL)
1

hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí
ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án
Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp
thụ vi sai đo đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm.
Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua
đó tính toán xác định phân bố mật độ của ozone theo độ cao trong lớp
khí quyển tầng thấp. Hệ bao gồm các cấu phần chính sau:
+ Phần phát tín hiệu laser quang học vào khí quyển
+ Phần thu tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng
trên
+ Phần điện tử đếm đơn photon, chương trình xử lý tín hiệu và tính
toán phân bố oxone.
Chương 1. Giới thiệu tổng quan
1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp
Ozone (O3) là khí màu xanh dương, có mùi rất đặc trưng, hấp thụ
ánh sáng UV và có hoạt tính (oxy hóa) cao [2,5]. Ozone là loại khí có
rất ít trong khí quyển của trái đất, trung bình trong 10 triệu phân tử
không khí mới có 3 phân tử ozone.
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố
Ozone tầng đối lưu được sinh ra thông qua các phản ứng quang
hóa với các oxít nitơ NOx và các phân tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(Volatile Organic Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt
trời. Nồng độ ozone cao nhất có xu hướng tập trung ở trong và xung
quanh đô thị, nơi phát sinh ra những tiền chất cần thiết cho quá trình
tạo ra ozone, và thường có đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào

2

ban đêm. Nồng độ ozone cũng thay đổi từ ngày này sang ngày khác
tùy thuộc vào tình trạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, ….
1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone
Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng bước sóng từ 200 đến
1100 nm bao gồm bốn băng hấp thụ : Hartley, Huggins, Chappuis và
Wulf. Các băng phổ hấp thụ mạnh Hartley và Huggins đặc biệt quan
trọng trong quan trắc khí quyển bằng kỹ thuật viễn thám và được sử
dụng trong các quang phổ kế hay thiết bị LIDAR đặt cả trên vệ tinh
và dưới mặt đất.
1.1.3 Vai trò và tác động của ozone
Ozone trong tầng bình lưu là lá chắn che chở các tia bức xạ UV
của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh. Ngược lại, trong tầng đối
lưu và nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt đất, với hoạt tính oxy
hóa mạnh, ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô
nhiễm làm giảm chất lượng không khí, là một trong những tác nhân
chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh vật,
và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính.
1.2 Đo đạc quan trắc ozone trong khí quyển
1.2.1 Khái quát chung
Ozone trong khí quyển được đo đạc từ các thiết bị đặt trên mặt
đất, trên các vật thể bay. Ozone được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp
(in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote sensing).
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone
Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám (phổ hấp
thụ quang học vi sai) với các thiết bị có thể đặt trên mặt đất hoặc trên
vệ tinh (như quang phổ kế Dobson, quang phổ kế Brewer) để đo bức
3

xạ ánh sáng (bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp hay
bức xạ từ bầu trời) trong dải phổ hấp thụ UV của ozone giữa 300 và
340 nm.
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng
Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ
ozone như là một hàm của độ cao hay áp suất môi trường. Phân bố
ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật
Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt
đất hoặc gắn trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And
Ranging) [19].
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển dùng kỹ
thuật LIDAR hấp thụ vi sai
1.3.1 Cơ sở vật lý của LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai
Hệ LIDAR gồm các thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ
thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín
hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu.
Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành
phần của khí quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi
nước. Khi đó, các quá trình vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh,
tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ,
hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering – DAS).
Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia
bức xạ laser được phát bởi hệ LIDAR.
Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn nhiều
tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman. Do vậy, sự suy hao
của một chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp
có độ nhạy cao để xác định mật độ của ozone trong khí quyển.
4

1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR
Các bộ phận chức năng và cách thức hoạt động của hầu hết các
hệ LIDAR được minh họa trong Hình 1.17. Một xung năng lượng
quang học mạnh được phát bởi một laser đi qua một hệ quang học
phát thích hợp hướng tới đối tượng được quan tâm khảo sát. Một phần
nhỏ của xung được trích ra để đánh dấu thời điểm 0 (trigger). Bức xạ
được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân tích phổ và
đầu dò photon. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan sát
và lọc lựa bưc xạ nền ở các bước sóng khác. Các telescope Newtonian
và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong hệ quang học thu.

Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3]
Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu dò được biểu diễn dưới
dạng phương trính LIDAR:
𝑃(𝑅, 𝜆) = 𝑃0

𝑅
𝑐𝜏
𝑂(𝑅)
𝐴𝜂 2 𝛽(𝑅, 𝜆) 𝑒𝑥𝑝 [−2 ∫0 𝛼(𝑟, 𝜆)𝑑𝑟]
2
𝑅

(1.21)

P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, τ là độ dài thời gian của
xung. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá trình tán xạ
ngược, c tốc độ ánh sáng. A là diện tích của bộ thu quang học để thu
nhận ánh sáng tán xạ ngược và  là hiệu suất của hệ. O(R) là hàm
5

chồng chập giữa tia laser và trường nhìn của bộ thu, R là khoảng cách
từ đối tượng tán xạ tới telescope. β(R,λ) là hệ số tán xạ ngược của các
thành phần trong khí quyển. α(R,λ) là hệ số suy hao do tán xạ và hấp
thụ của ánh sáng bởi phân tử và các hạt. Thừa số 2 đại diện cho hai
lần truyền đi về.
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR
hay gọi tắt là DIAL) cho phép phát hiện các khí trong khí quyển với
độ nhạy cao. Trong kỹ thuật này, hai tần số được sử dụng, một ở tâm
băng hấp thụ (λon) và một ở phần rìa của băng hấp thụ (λoff). Bằng việc
lấy tỷ số cường độ Pon là tín hiệu lidar ở bước sóng λon và Poff là tín
hiệu ở λoff, mật độ của khí khảo sát được suy ra từ phương trình
LIDAR.
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Để quan trắc phân bố ozone trong tầng đối lưu là nơi có mật độ
ozone nhỏ nên bước sóng laser phải nằm trong vùng ozone hấp thụ
mạnh, giữa khoảng 266 nm và 320 nm, để tăng độ nhạy phát hiện.
Ngoài ra, để lựa chọn cặp bước sóng tối ưu cho hệ LIDAR hấp
thụ vi sai đo ozone, chúng ta cần cân nhắc và xem xét tiết diện hấp
thụ ở hai bước sóng để đáp ứng độ cao quan trắc mong muốn, không
ảnh hưởng đến độ phân giải không gian và giảm thiểu ảnh hưởng bởi
các khí nhiễu.
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
trong khí quyển tầng thấp
Khảo sát phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng
đối lưu được nghiên cứu triển khai với các cặp bước sóng trong
khoảng từ 266 nm tới 320 nm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử dụng
6

các bức xạ phát từ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; bức
xạ laser là các vạch Stokes 289 nm, 299 nm, 316 nm từ các ống Raman
chứa các khí hơi áp suất thấp H2, D2, He [48,49] hay 276.2 nm, 287.2
nm, 299.1 nm từ CO2 [50,51] được bơm bởi bước sóng họa ba bậc
bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; cặp bước sóng 277 và 313 nm là
dịch chuyển Raman kích thích (Stimulated Raman Shifting – SRS)
của bức xạ 248 nm phát bởi laser excimer krypton-fluoride trong
hydro [52]; hay các cặp bước sóng được phát bởi các hệ laser màu
[39,53,54]. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai này cho phép đo đạc phân
bố ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu tùy theo
cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser phát và điều kiện
thời tiết.
1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Đối với các hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, phương trình
LIDAR (1.22) được viết cho hai bước sóng on và off. Sau khi lấy tỷ
số, nồng độ ozone N(R) giữa độ cao R và R+R có thể viết bằng tổng
của các số hạng tín hiệu đo Ns(R), số hạng tán xạ ngược vi sai Nb(R)
và các số hạng suy hao vi sai Ne(R) gây bởi các phân tử khí quyển,
son khí và các loại khí can thiệp như sau [3,39,58]:
𝑁𝑂3 (𝑅) = 𝑁 𝑠 (𝑅) + 𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) + 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅)

(1.31)

NS(R) là số hạng chính trong biểu thức nồng độ ozone (1.31), tính
trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu. Các số hạng 𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) và 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅)
được xem như các số hạng hiệu chỉnh, phải được tính toán để xác định
nồng độ ozone phân bố theo độ cao chính xác hơn. Phương pháp lặp
đã được sử dụng để xác định đồng thời hệ số tán xạ ngược

𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), từ đó xác định
𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) và 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅) và mật độ phân bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) [39].
7


1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi
sai
Độ chính xác của một phép đo DIAL được xác định bởi sai số
thống kê do đặc trưng ngẫu nhiên của quá trình phát hiện tín hiệu mà
nó sẽ tuân theo thống kê Poisson [37]. Độ chính xác của phép đo phụ
thuộc vào các gần đúng được áp dụng để suy ra mật độ số của ozone
từ tín hiệu thu được và độ tuyến tính của tín hiệu lidar.
Chương 2. Thiết kế và mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo
phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp
2.1 Thiết kế hệ đo LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
2.1.2 Khối phát quang học
Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback Dye Laser –
DFDL) là loại laser cũng đã được phát triển thành công tại Viện Vật
lý [67 – 72]. Với công suất phát dự kiến đủ để có thể ghi nhận tín hiệu
LIDAR, các laser màu phản hồi phân bố còn có một số ưu điểm là kết
8


cấu đơn giản; có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn (10 – 20 nm tùy
loại chất màu dùng làm môi trường hoạt tính) nên thuận lợi trong việc
chọn các cặp bước sóng cho hệ DIAL đo ozone, giúp tránh ảnh hưởng
của khí nhiễu lên kết quả đo; DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên cho

hiệu suất tốt hơn laser màu thông thường trong việc nhân tần tạo bước
sóng UV. Do vậy, luận án lựa chọn laser màu DFDL làm nguồn phát
cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai.
2.1.3 Khối thu quang học
Bộ phận chính của khối thu quang học trong hệ LIDAR nói chung
và hệ LIDAR hấp thụ vi sai là một telescope. Telescope được thiết kế
và nghiên cứu tự chế tạo với đường kính lớn tối thiểu là 40 cm để tăng
hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR. Ngoài ra, phôi kính quang học dùng
trong telescope này cần được phủ nhôm để có thể thu nhận tín hiệu tốt
trong vùng tử ngoại.
2.1.4 Khối thu quang điện tử
Khối thu điện tử của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm ba bộ phận
chính: chuyển đổi quang điện, tiền khuếch đại và bộ đếm đơn photon.
Bộ chuyển đổi quang điện sử dụng nhân quang điện (Photomultiplier
Tube – PMT), được lựa chọn có hiệu suất lượng tử cao trong vùng tử
ngoại để tăng hiệu suất phát hiện của PMT trong vùng bước sóng này.
Tín hiệu LIDAR là tín hiệu có cường độ thấp nên các photon tán xạ
ngược đàn hồi về thiết bị trở thành các xung rời rạc. Do vậy, bộ thu
điện tử cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai sẽ được thực hiện theo phương
pháp đếm đơn photon. Phương pháp đếm photon cũng có ưu điểm hơn
nhiều so với phương pháp thu nhận tín hiệu tương tự do tính ổn định,
hiệu suất phát hiện và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise

9


ratio) cao [73]. Để thực hiện đếm đơn photon, bộ thu điện tử sẽ phải
được thiết kế với các mạch điện tử đáp ứng nhanh.
2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán
Chức năng, nhiệm vụ của phần mềm được thiết kế phải đáp ứng

các yêu cầu thu ghi, lưu trữ, xử lý số liệu và tính toán phân bố ozone
theo phương thẳng đứng.
2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát
Cặp bước sóng vi sai được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai
là hai bước sóng tử ngoại 282,9 nm (λon) và 286,4 nm (λoff). Tiết diện
hấp thụ ozone ở bước sóng on là 29,7.10-23 m2 và tiết diện hấp thụ vi
sai 𝜎(𝜆𝑜𝑛 ) − 𝜎(𝜆𝑜𝑓𝑓 ) là 8,9.10-23 m2 [3]. Hai bước sóng này là kết
quả lựa chọn và xem xét hài hòa giữa nhiều yếu tố: hiệu suất huỳnh
quang chất màu, độ cao xác định phân bố ozone, giảm ảnh hưởng ánh
sáng nền, giảm ảnh hưởng xen vào của son khí, tránh ảnh hưởng lên
kết quả đo ozone do sự có mặt nếu có của SO2[3].
2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
Với kết cấu hệ LIDAR hấp thụ vi sai được thiết kế, các tính toán
mô phỏng cho hệ được thực hiện để có thể dự đoán độ cao đo đạc
phân bố ozone và xác định thời gian thu ghi tín hiệu LIDAR ở 2 bước
sóng on và off. Phép mô phỏng sẽ tính toán số photon tán xạ ngược
đàn hồi ở hai bước sóng này theo phương trình LIDAR (1.21).
2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N đã được mô
phỏng ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước sóng off 286,4 nm theo
độ cao cùng với sự thay đổi của năng lượng xung phát, thời gian đếm
photon, đường kính telescope. Các kết quả tính mô phỏng cho thấy tín

10


hiệu LIDAR ở hai bước song on và off có thể thu nhận đến độ cao trên
5 km với thời gian đếm photon 10 phút.
Chương 3. Nghiên cứu phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi sai
để đo đạc phân bố ozone trong khí quyển

3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển theo các lựa
chọn như đã trình bày trong Chương 2.
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố
Các laser màu phản hồi phân bố triển khai cho hệ LIDAR hấp thụ
vi sai phát ở bước sóng 565,8 nm và 572,8 nm có sơ đồ được trình bày
trong Hình 3.2.
3.2.1 Bộ dao động phát
Trong bộ phận dao động phát của DFDL, chùm bơm qua thấu
kính trụ L1 được chia đôi bởi gương tam giác CM. Chúng phản xạ
trên hai gương m1 và m2 để hội tụ và giao thoa trên bề mặt môi trường
hoạt chất chứa trong cuvette C1. Vị trí m1 và m2 được tính toán thiết
kế để DFDL phát bước sóng như mong muốn.
11


3.2.2 Hệ quang học bơm
Bức xạ họa ba bậc hai 532 nm của laser Nd:YAG, tần số 10 Hz,
độ rộng xung 5 ns, được sử dụng để bơm cho 2 hệ laser màu phản hồi
phân bố. Hệ quang học bơm bao gồm các gương M1, M2, M3 và M7;
hai bản chia chùm Rm1, Rm2; hai lăng kính P2 và P3 để định hướng
chùm laser bơm đến các cuvette chứa chất màu của bộ dao động và
bộ khuếch đại; kéo dài quãng đường của xung laser bơm đến tầng
khuếch đại công suất để đảm bảo hiệu suất khuếch đại khi xung laser
màu đi qua cuvette C3.
3.2.3 Bộ khuếch đại quang
Bộ khuếch đại quang gồm hệ khuếch đại 6 lần truyền qua (thấu
kính L2, các gương từ m3 đến m14 và cuvette C2 dày 1 mm) và tầng

khuếch đại công suất ngõ ra (thấu kính trụ L3 và cuvette C3).
3.2.4 Môi trường hoạt chất
Chất màu Rhodamine 6G hòa tan trong ethanol được sử dụng làm
môi trường hoạt chất cho mỗi hệ laser màu phản hồi phân bố.
3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu
Luận án thiết kế mới và chế tạo các bơm ly tâm bằng thủy tinh và
sử dụng nguyên tắc của khuấy từ để làm cánh khuấy đẩy chất màu qua
các cuvette.
3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh
giá
Hai hệ laser màu phản hồi phân bố có thiết kế giống nhau, chỉ
khác nhau ở góc tới của các tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1.
Năng lượng bức xạ các laser màu DFDL và các bức xạ tử ngoại
ngõ ra sau tinh thể nhân tần được đo đạc và trình bày trong Bảng 3.2.

12


Bảng 3.2: Năng lượng bức xạ laser phát được bơm bởi laser họa ba
bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm
Bức xạ laser
Bước sóng (nm)
Năng lượng
DFDL
565,8
0,62 mJ/xung
572,8
1,8 mJ/xung
UV
282,9

30 J/xung
286,4
60 J/xung
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu
3.4.1 Chế tạo telescope
Hệ telescope được nghiên cứu chế tạo là loại Newtonian có thể
lắp các gương cầu có đường kính tối đa 40 cm. Bộ khung cho
telescope được chế tạo để có thể lắp được gương cầu với tiêu cự có
thể thay đổi xa nhất là 210 cm. Hệ khung telescope sẽ được bao phủ
bằng lớp vải đen dày để tránh ánh sáng tán xạ trường gần. Quang trục
của hệ được cân chỉnh dùng laser bán dẫn.
3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học
Hệ mài tự động phôi kính quang học được thiết kế để có thể mài
gương cầu (gương sơ cấp của telescope) có đường kính từ 20 cm tới
tối đa 80 cm.
Gương cầu quang học được kiểm tra, đánh giá bề mặt quang học
bằng hệ kết hợp phương pháp Ronchi và Foucault [80] được thực hiện
tại Viện Vật lý cho thấy phôi kính quang học sau quá trình mài có mặt
lõm dạng cầu đều đặn và có tiêu cự 1,8m.
3.4.3 Khối quang học thu
Hệ quang học khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm
telescope, kính lọc bước sóng (F), hai thấu kính L1 và L2.

13


3.5 Phát triển khối điện tử thu
Khối điện tử thu được phát triển dựa trên cơ sở hệ đo LIDAR
nhiều bước sóng phát triển tại Viện Vật lý dùng dao động ký số tín
hiệu nhanh Picoscope 5204 với sơ đồ như Hình 3.22 để có thể thu

nhận tín hiệu LIDAR ở chế độ đếm đơn photon.

PMT

Bộ khuếch
đại băng
rộng

Dao động ký
số tín hiệu
nhanh

Máy tính: chương
trình đếm photon
trên Labview

Hình 3.22: Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu
Phần mềm lấy mẫu, xử lý tín hiệu, lưu trữ, chuẩn hóa, hiển thị kết
quả đo được lập trình trên nền Labview để điều khiển dao động ký số
Picoscope. Phần mềm đã được phát triển tại Viện Vật lý cho hệ
LIDAR phục vụ nghiên cứu son khí khí quyển.
Phần mềm xử lý tín hiệu được xây dựng trên nền Matlab để làm
trơn kết quả đo, loại bỏ dòng tối và offset của module điện tử thu,
chuyển tín hiệu LIDAR theo khoảng cách P(R,) sang dạng R2P(R,)
nhằm loại bỏ sự phụ thuộc của tín hiệu vào khoảng cách.
Các số liệu LIDAR sau xử lý tại 2 bước sóng on và off sẽ được
đưa vào phần mềm tính toán phân bố nồng độ ozone khí quyển theo
độ cao cũng được xây dựng trên nền Matlab.
3.7 Đo đạc, đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Hệ LIDAR hấp thụ vi sai được bố trí và cân chỉnh để ghi nhận tín
hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể.
Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để
đo đạc thử nghiệm và đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao
trên 4 km ở cả hai bước sóng on và off . Với tốc độ lấy mẫu của dao
14


động ký điện tử Picoscope 125 MSamples/s và áp dụng kỹ thuật lọc
số liệu bằng cách lấy trung bình trên một số điểm đo để tăng tỷ số tín
hiệu trên nhiễu S/N, độ phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp
thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18%. Độ
phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai có thể lựa
chọn nhỏ hơn, tuy nhiên sai số thống kê sẽ cao. Hệ LIDAR hấp thụ vi
sai không ghi nhận được tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 5 km như
tính toán mô phỏng có thể giải thích là do bề dày trung bình 5 km của
son khí trên bầu trời Hà nội [81]. Lớp son khí này làm tán xạ các bức
xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược và hạn chế độ cao đo đạc.
Chương 4. Đo đạc thử nghiệm phân bố ozone trong lớp khí
quyển tầng thấp
4.1 Xử lý số liệu
Để cải thiện hơn độ chính xác của phép đo trước khi tính toán
phân bố ozone, các dữ liệu thu được trong các tập tin dạng *.txt sẽ
được hiệu chuẩn theo thời gian, hiệu chỉnh nền và lấy trung bình.
4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Nồng độ phân bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) giữa độ cao R và R+R được tính
theo biểu thức (1.34), và là tổng của ba số hạng:
Ns(R) : số hạng tín hiệu đo (s – signal)

Nb(R) : số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược vi sai (b – backscattering)

Ne(R) : số hạng hiệu chỉnh suy hao vi sai (e – extinction)
Trong các số hạng trên, chỉ có Ns(R) được tính trực tiếp từ số liệu
đo, các số hạng hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) được tính theo các biểu
thức (1.41) và (1.42) tương ứng. Các hệ số tán xạ ngược
𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) và mật độ phân

15


bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) được xác định bằng phương pháp lặp được trình bày
trong Mục 1.3.6.
Trong tính toán phân bố mật độ ozone từ kết quả đo LIDAR hấp
thụ vi sai, tỷ số LIDAR S được xác định là 30 sr-1 căn cứ theo các
nghiên cứu về son khí tại Hà Nội [81], nghiên cứu về son khí trong
môi trường đô thị và có ô nhiễm [63,76]. Giá trị số mũ Angstrom 
thường biểu thị cho kích thước hạt son khí. Các công trình nghiên cứu
về đo đạc số mũ Angstrom  của son khí tầng đối lưu đều công bố giá
trị của nó xung quanh bước sóng 300 nm thay đổi từ 0 đến 2 [82,83].
Áp dụng cho trường hợp cặp bước sóng LIDAR hấp thụ vi sai trong
vùng tử ngoại,  được xem xét với tương đối nhỏ và bằng 0,5 cho son
khí đô thị [39].
Các bước tính toán phân bố mật độ ozone có thể tóm tắt như sau:
 Bước 1: tính phân bố mật độ ozone lần thứ nhất theo biểu thức
[1.35].
 Bước 2: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ nhất, tính hệ số tán
xạ ngược son khí 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) cho bước sóng off theo biểu thức
[1.46] và lặp lại (vòng lặp son khí) với giá trị hệ số suy hao son khí
𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) theo biểu thức (1.48) để nhận được giá trị
𝑙
𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) thỏa mãn điều kiện 𝜉𝑎𝑒𝑟

< 0,01.

 Bước 3: tính các số hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) theo biểu thức
(1.41) và (1.42), từ đó suy ra phân bố mật độ ozone lần thứ hai theo
biểu thức (1.34).
 Bước 4: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ hai, quay trở lại
bước 2. Vòng lặp ozone này kết thúc khi thỏa mãn điều kiện 𝜉𝑂𝑘3 <
0,001.
Chương trình tính phân bố ozone được viết trên nền Matlab.
16


4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, dùng nguồn phát là 2
laser màu phản hồi phân bố, đã được triển khai đo đạc thử nghiệm
phân bố ozone vào các đêm trời trong, ít mây. Hình 4.2 trình bày kết
quả phân bố mật độ ozone liên tục vào tháng 01/2017, từ khoảng 1,2
km đến độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m và thời
gian đếm tích hợp 10 phút. Các tín hiệu LIDAR ở dưới độ cao 1,2 km
được loại ra do ảnh hưởng bởi hàm chồng chập giữa chùm laser phát
và trường nhìn của telescope bộ thu.

Hình 4.2: Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà
Nội.
Từ mật độ ozone trung bình được trình bày trong Hình 4.2, chúng
ta có thể nhận thấy nồng độ ozone tại Hà Nội từ độ cao khoảng 1200
m tới 4000 m biến động giảm trung bình từ 2.1012 đến 5.1011 phân
tử/cm3, tương đương từ 80 đến 20 ppbv. Xu hướng giảm này phù hợp
với phân bố ozone đặc trưng trong tầng đối lưu. Do không có các số
liệu đo phân bố ozone bằng bóng thám không vào cùng thời điểm đo

17


đạc nên Hình 4.2 sử dụng phân bố ozone tại Hà Nội, đo bằng đầu dò
ozone đặt trên bóng thám không, độ phân giải 1 km, được công bố tại
hội nghị về khí tượng ở Hàn Quốc năm 2007 [4] để minh họa xu
hướng giảm và so sánh, đánh giá sự tương đương về bậc của số liệu
đo phân bố mật độ ozone.
4.4 Phân tích sai số đánh giá kết quả đo đạc
Sai số trong thu ghi tín hiệu DIAL có thể phân thành 4 loại:
1. Sai số thống kê 1 do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu
2. Sai số 2 do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác
(như NO2, SO2, son khí)
3. Sai số 3 do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone
4. Sai số 4 có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử.
Trong đó 1 là sai số ngẫu nhiên; 2, 3 và 4 là sai số hệ thống. 1
được xác định theo thống kê Poisson trong biểu thức (1.51) [66].
Tổng hợp các sai số trong phép đo DIAL phân bố nồng độ ozone được
trình bày trong Bảng 4.2 cho độ cao khí quyển dưới 4 km.
Bảng 4.2: Tổng hợp các sai số trong đo đạc DIAL ozone.
TT

Sai số

%

1

1 - Sai số thống kê

2

2 - do các thành phần khác ozone

3

< 18

Son khí

< 20

Khí hấp thụ khác

< 0,3

Rayleigh

< 0,6

3 do độ bất định của tiết diện hấp

< 2,5

thụ của ozone
4

4 do SIB và thời gian chết

<5

Sai số RMS tổng cộng

< 27
18


Hiện nay, bản đồ ozone toàn cầu được cung cấp từ các số liệu vệ
tinh Aura của NASA. Phân bố ozone toàn cầu trong tầng đối lưu được
tổng hợp suy ra từ sự đo đạc tổng lượng cột ozone OMI (Ozone
Monitoring Instrument) và tổng lượng cột ozone tầng bình lưu MLS
(Microwave Limb Sounder) với độ phân giải 36km x 48 km [86].
Theo số liệu Aura thì tại khu vực Hà Nội, mật độ ozone trung bình /
tháng ở tầng đối lưu trong tháng 1 các năm 2013, 2014 và 2015 là 40
ppbv, tháng 1/2016 là 55 ppbv. Hai đường vẽ thẳng biểu diễn mật độ
ozone trung bình / tháng này và các số liệu đo trung bình mật độ ozone
bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi vào các ngày trong tháng
1/2017 được trình bày trong Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình / ngày
đo bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai được lấy trung bình trong khoảng độ
cao từ 1,2 km đến 4 km cho thấy các giá trị là cùng bậc, nằm trong
phạm vi sai số và khá tương đồng với các kết quả đo đạc từ vệ tinh
Aura (Hình 4.4).

Hình 4.4: Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong
tháng 1 của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura
– NASA [70]) và số liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các
ngày trong tháng 1/2017 tại Hà Nội
19

KẾT LUẬN CHUNG
Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi
sai, độ phân giải cao, để đo đạc phân bố nồng độ ozone trong lớp khí
quyển tầng thấp, các kết quả chính của bản luận án bao gồm :
1. Phát triển hai nguồn phát bức xạ laser tử ngoại cho hệ LIDAR hấp
thụ vi sai ở các bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm. Hai laser màu
phản hồi phân bố với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G được
sử dụng trong nguồn phát cho phép điều chỉnh dễ dàng bước sóng
phát, đáp ứng yêu cầu của một cặp bước sóng cho hệ LIDAR hấp
thụ vi sai đo phân bố ozone.
2. Phát triển một hệ quang học thu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với
bộ phận thu nhận tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi là một
telescope đường kính lớn 40 cm được nghiên cứu chế tạo hoàn
toàn trong nước. Gương cầu của telescope được mài từ phôi kính
quang học và được phủ nhôm cho phép bộ thu của hệ LIDAR hấp
thụ vi sai hoạt động tốt trong vùng tử ngoại và tăng thêm hệ số
khuếch đại quang học.
3. Xây dựng phần mềm mô phỏng tín hiệu LIDAR để tối ưu thiết kế
hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.
4. Xây dựng chương trình phần mềm xử lý số liệu và tính toán phân
bố mật độ ozone.
5. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai cho phép khảo sát phân bố nồng độ
ozone đến độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m,
thời gian đo 10 phút cho mỗi bước sóng on và off. Hệ có thể sử
dụng quan trắc liên tục phân bố ozone khí quyển.

20