Luận văn Thạc sĩ Khí tượng - Khí hậu học: Nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ

CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC

TRẦN PHÚC HƯNG

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ KHÍ QUYỂN
TỪ SỐ LIỆU LIDAR QUAN TRẮC XON KHÍ

TRẦN PHÚC HƯNG

CHUYÊN NGÀNH : KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
MÃ SỐ: 60440222
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN XUÂN ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Xuân Anh

Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Thanh Ngà

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Thái Thị Thanh Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 22 tháng 9 năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu xác định các thơng số khí quyển từ số
liệu LIDAR quan trắc xon khí” được hồn thành tháng 8 năm 2018 tại trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và Viện Vật lý Địa cầu, để hoàn
thành nghiên cứu này tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ phía cơ quan,
nhà trường, gia đình và bạn bè.
Trước hết, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã ln sát cánh và
động viên trong suốt q trình nghiên cứu và làm luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Anh đã truyền đạt những ý
tưởng khoa học, trực tiếp hướng dẫn để tác giả thực hiện và hoàn thiện luận
văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, truyền

đạt kiến thức cần thiết trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt nam đã tạo điều kiện về thời gian công tác, học hành, cung
cấp thiết bị LIDAR IGP để tác giả thực hiện các nghiên cứu trong luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới chương trình AERONET và dự án MPLNET
của cơ quan Hàng khơng và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) đã cũng cấp các nguồn
số liệu cho luận văn này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã ln
sát cánh và giúp đỡ trong q trình học tập, hồn thiện luận văn này.
Trong q trình làm luận văn khơng thể tránh khỏi những sai sót, vì vậy
những ý kiến đóng góp đều rất quý báu, tác giả rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp đó để có thể hoàn thiện luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!



LỜI CAM ĐOAN
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hồn tồn
trung thực, của tơi, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tơi hồn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Phúc Hưng


MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU......................................................................... v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC................................................................ 3
1.1. LIDAR ........................................................................................................ 3
1.1.1. Kỹ thuật LIDAR ................................................................................... 3
1.1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR ............................................................. 3
1.1.3. Hệ thống LIDAR .................................................................................. 4
1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR ...................................................... 4
1.1.5. Phương trình LIDAR ............................................................................ 5
1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng cơng nghệ LIDAR . 6
1.2. Khí quyển và các thơng số khí quyển ........................................................ 8
1.2.1. Cấu trúc của khí quyển ......................................................................... 8
1.2.2. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển .................................... 9
1.2.3. Các thơng số khí quyển đo đạc bởi LIDAR ....................................... 10

i


1.2.4. Lớp biên hành tinh .............................................................................. 12
1.3. Xon khí ..................................................................................................... 13
1.3.1. Định nghĩa .......................................................................................... 13
1.3.2. Độ dày quang học xon khí .................................................................. 14
1.3.3. Các tác động của xon khí.................................................................... 15
1.3.4. Quan trắc xon khí bằng LIDAR ......................................................... 15
CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 17
2.1. Số liệu ....................................................................................................... 17
2.1.1. LIDAR ................................................................................................ 17

2.1.2. AERONET.......................................................................................... 23
2.1.3. Mơ hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) ..................................... 25
2.1.4. Số liệu bóng thám khơng .................................................................... 26
2.2. Các phương pháp xác định các thơng số khí quyển ................................. 27
2.2.1. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc ............................ 27
2.2.2. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm
biên

............................................................................................................ 28

2.2.3. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển ............................. 31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 34
3.1. Thuật toán xác định các thơng số khí quyển từ số liệu LIDAR ............... 34
3.1.1. Sơ đồ thuật tốn và các bước tính tốn .............................................. 34
3.1.2. Chương trình tính ............................................................................... 39
3.2. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể ................ 41
ii


3.2.1. Các thơng số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết
bị LIDAR IGP ................................................................................................. 41
3.2.2. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017 ...................... 48
3.2.3. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám
khơng ............................................................................................................ 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 52
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 54
PHỤ LỤC I ........................................................ Error! Bookmark not defined.
PHỤ LỤC II ....................................................... Error! Bookmark not defined.

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Trần Phúc Hưng
Lớp: CH2B.K

Khoá: II

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Anh
Tên đề tài: Nghiên cứu xác định các thơng số khí quyển từ số liệu
LIDAR quan trắc xon khí.
Tóm tắt: Luận văn này trình bày các bước xử lý số liệu LIDAR theo
phương pháp điểm biên (phương pháp Klett – Fernald) để tính tốn các thơng
số khí quyển như hệ số suy hao gây ra bởi xon khí hệ số tán xạ ngược xon
khí. Các đối tượng khác trong khí quyển như độ cao lớp biên, độ cao lớp xon
khí, sự phân bố của xon khí trong khí quyển sẽ được xác định và đánh giá dựa
trên các tín hiệu LIDAR được xử lý và các thơng số khí quyển được tính tốn.

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Hệ số suy hao tổng cộng
Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí
Hệ số suy hao gây ra bởi phân tử
Hệ số tán xạ ngược tổng cộng
Hệ số tán xạ ngược xon khí
Hệ số tán xạ ngược phân tử
Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z
X(Z)

Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách tại khoảng cách Z
Năng lượng xung laser phát đi
Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị)
Tốc độ ánh sáng
Khoảng cách từ LIDAR tới mục tiêu
Độ truyền qua của khí quyển gây ra bởi xon khí
Độ truyền qua bởi khí quyển gây ra bởi phân tử
Độ dày quang học tại một bước sóng bất kỳ
Bước sóng
Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách
Tỉ số LIDAR đối với xon khí
TỈ số giữa suy hao và tán xạ phân tử
Mật độ
Bán kính hiệu quả
Albedo tán xạ đơn
thông số bất đối xứng

v


Hệ số Ångström
Nhiệt độ thế vị

vi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LIDAR

Light detection and aanging

RADAR

Radio Detection And Ranging

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change

MPLNET

The NASA Micro-Pulse Lidar Network

EARLINET

The European Aerosol Research Lidar Network

AD-Net

the Asian dust and aerosol lidar observation network

NDACC LIDAR

The international Network for the Detection of Atmospheric
Composition Change

GALION

GAW Aerosol Lidar Observation Network

LITE

Lidar In-space Technology Experiment

CALIPSO

Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation

ADM Aeolus

Atmospheric Dynamics Mission Aeolus

CALIOP

Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization

AERONET

AErosol RObotic NETwork

ISA

International Standard Atmosphere

ISO

International Organization for Standardization

WCT

Wavelet Covariance Transform

PM10

Particulate matter 10 µm

PM2.5

Particulate matter 2.5 µm

AOD

Aerosol optical depth

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần của khí quyển khơng bị ơ nhiễm [23] ............................ 8
Bảng 1.2 Đặc tính của một số loại xon khí [25] ............................................. 13
Bảng 2.1 Thông số Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............ 18
Bảng 2.2 Thông số về các chế độ đo............................................................... 20
Bảng 2.3 Các trường hợp nghiên cứu sử dụng trong luận văn ....................... 21
Bảng 2.4 Thông số Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............... 22
Bảng 2.5 Số liệu khí quyển tính từ mơ hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế ISA
......................................................................................................................... 26
Bảng 2.6 Số liệu thám không trạm 48820 [29] ............................................... 27

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5] ........................................................ 4
Hình 1.2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thơng số khí quyển quan
trắc được [5] ...................................................................................................... 5
Hình 1.3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện
trường (xanh dương) [24] .................................................................................. 9
Hình 2.1 Thiết bị LIDAR IGP đặt tại Viện Vật lý Địa cầu ............................ 18
Hình 2.2 Phần mềm điều khiển hệ LIDAR IGP ............................................. 20
Hình 2.3 Thiết bị LIDAR MPLNET đặt tại Hà Nội [16] ............................... 22
Hình 2.4 Vị trí các trạm AREONET trên thế giới [28]................................... 24
Hình 2.5 Thiết bị quang phổ kế AERONET ................................................... 25
Hình 2.6 Tín hiệu LIDAR IGP được biến đổi WCT (a) Tín hiệu hiệu chỉnh
khoảng cách, (b) hàm haar, (c) tín hiệu đã được biến đổi WCT ..................... 32
Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn xử lý số liệu........................................................... 34
Hình 3.2 Tín hiệu LIDAR trước khi loại bỏ nhiễu nền (màu xanh) và sau khi
loại bỏ nhiễu nền (màu cam) ........................................................................... 35
Hình 3.3 Tín hiệu LIDAR trước (trái) và sau (phải) khi hiệu chỉnh khoảng
cách.................................................................................................................. 37
Hình 3.4 Hệ số suy hao xon khí tính tốn với các tỉ số LIDAR L p khác nhau
với độ cao tham chiếu là 5000m, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày
09/03/2018 ....................................................................................................... 38

ix


Hình 3.5 Hệ số suy hao xon khí tính tốn với các độ cao tham chiếu khác
nhau với Lp = 40sr, số liệu quan trắc lúc 18h28p ngày 09/03/2018 ............... 39
Hình 3.6 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính tốn từ số liệu hiệu

chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/03/2018 (Giờ UTC) .......................... 42
Hình 3.7 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ số
suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:21 ngày
09/03/2018....................................................................................................... 43
Hình 3.8 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/03/2018. ........ 43
Hình 3.9 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày
09/03/2018 ....................................................................................................... 44
Hình 3.10 Độ cao lớp biên khí quyển (đường màu đỏ) tính tốn từ số liệu hiệu
chỉnh khoảng cách (phủ màu) ngày 09/04/2018 (Giờ UTC) .......................... 45
Hình 3.11 Độ cao lớp biên khí quyển tính từ số liệu LIDAR và số liệu thám
không trong kỳ quan trắc ngày 09/04/2018 .................................................... 46
Hình 3.12 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ
số suy hao (c) và tổng độ dày quang học xon khí (d) đo được tại 18:44 ngày
09/04/2018....................................................................................................... 46
Hình 3.13 Hệ số suy hao gây ra bởi xon khí quan trắc ngày 09/04/2018 ....... 47
Hình 3.14 Số liệu độ dày quang học xon khí từ AERONET cho ngày
09/04/2018 ....................................................................................................... 47
Hình 3.15 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày
25/12/2017 ....................................................................................................... 48
Hình 3.16 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc lúc 18h ngày 25/12/2017
......................................................................................................................... 49
x


Hình 3.17 Tín hiệu tán xạ ngược (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (b), hệ
số suy hao (c) và hệ số suy hao đã lọc nhiễu (d) đo được tại 18:13 ngày
25/12/2018....................................................................................................... 49
Hình 3.18 Độ cao lớp biên được tính tốn bằng số liệu bóng thám khơng và số
liệu LIDAR MLPNET tại ngày 01/06/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h
(phải) UTC. ..................................................................................................... 50

Hình 3.19 Độ cao lớp biên được tính tốn bằng số liệu bóng thám khơng và số
liệu LIDAR MLPNET tại ngày 29/09/2012 vào các obs 00h (trái) và 12h
(phải) UTC ...................................................................................................... 51
Hình 1 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong
kỳ quan trắc ngày 21/03/2018 ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 21/03/2018........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách và độ cao lớp biên khí quyển trong
kỳ quan trắc ngày 15/05/2018 ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4 Hệ số suy hao xon khí trong kỳ quan trắc ngày 15/05/2018........ Error!
Bookmark not defined.

xi


xii


MỞ ĐẦU
Quan trắc các đối tượng như xon khí, bụi, phân bố của chúng trong khí
quyển là một vấn đề cấp thiết bởi sự liên quan tới các quá trình vật lý và vi
vật lý trong khí quyển, các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp tới các quá trình
thời tiết, khí hậu, tuy nhiên vẫn cịn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên
cứu và phát triển.
Trong vài thập kỷ gần đây, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì
nhiều hệ thống LIDAR đã được các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới
nghiên cứu chế tạo, phát triển phục vụ các mục đích quan trắc khí quyển đa
dạng cùng với các phương thức và đối tượng nghiên cứu khác nhau. Các
thơng số có thể tính tốn được từ số liệu LIDAR có thể kể đến như hệ số tán
xạ ngược, hệ số suy hao xon khí, độ dày quang học khí quyển, tỉ số phân cực,

hệ số hấp thụ đối với các loại hạt bụi và khí. Các thơng số này có thể được sử
dụng cho các nghiên cứu về môi trường, ô nhiễm không khí, nghiên cứu độ
cao lớp biên, các lớp khí quyển trên cao, phân bố xon khí trong khí quyển,
ứng dụng hiệu chỉnh khí quyển cho các sản phẩm viễn thám. Ngồi ra LIDAR
cịn được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về vận chuyển lan truyền
bụi, khí thải trên quy mô vừa, quy mô lớn. Hệ thống này cũng được gắn trên
máy bay, vệ tinh phục vụ quan trắc từ xa, xác định độ cao địa hình.
Với thực trạng nghiên cứu hiện tại ở Việt Nam về sử dụng cơng nghệ
LIDAR trong quan trắc khí quyển cịn chưa có nhiều và còn nhiều vấn đề cần
giải quyết nên luận văn sẽ tập trung giải quyết các vấn đề liên quan tới xử lý
số liệu LIDAR quan trắc xon khí và phân tích một số trường hợp điển hình, số
liệu được tính tốn kết hợp với các nguồn số liệu quan trắc khác để nâng cao
tính chính xác.

1


Luận văn đặt ra hai mục tiêu nghiên cứu chính:
- Tính tốn được các thơng số khí quyển gồm: hệ số suy hao xon khí, hệ
số tán xạ ngược xon khí, độ dày quang học khí quyển từ số liệu
LIDAR.
- Phân tích đánh giá được một số trường hợp điển hình.
Các nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Thu thập, thống kê số liệu phục vụ cho luận văn.
- Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng cơng nghệ LIDAR.
- Xây dựng thuật toán xử lý số liệu
- Phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình.
Dựa trên mục tiêu và nội dung nghiên cứu, luận văn sẽ được bố cục
thành các phần như sau:
Mở đầu

Chương 1. Cơ sở khoa học
Tập trung nghiên cứu tổng quan về hệ thồng lidar, khí quyển và các
nghiên cứu về khí quyển sử dụng cơng nghệ lidar ở trong và ngồi nước.
Chương 2. Số liệu và phương pháp nghiên cứu
Đưa ra các nguồn số liệu sử dụng trong luận văn, diễn giải phương
pháp nghiên cứu và giải thích lý do tại sao chọn phương pháp này.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Tập trung phân tích đánh giá một số trường hợp điển hình sau khi đã sử
lý số liệu và đưa vào chương trình tính tốn.
Kết luận và kiến nghị

2


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC
LIDAR
1.1.1. Kỹ thuật LIDAR
LIDAR (Light Detection and Ranging) là phương pháp quan trắc chủ
động từ xa để nghiên cứu các thơng số khí quyển như nhiệt độ, thành phần,
gió. LIDAR hoạt động tương tự như RADAR, trong thực tế nhiều khi LIDAR
còn được gọi là RADAR ánh sáng. Cả hai kỹ thuật này đều phát ra bức xạ
điện từ và thu nhận các bức xạ tán xạ trở lại thiết bị. Các bức xạ tán xạ trở lại
được phân tích để xác định đặc điểm của khu vực mà các bức xạ điện từ đi
qua. Điểm khác biệt giữa LIDAR và RADAR nằm ở việc sử dụng các bước
sóng khác nhau, RADAR sử dụng các bước sóng lớn hơn 1 cm nằm trong phổ
sóng vơ tuyến trong khí đó LIDAR sử dụng bước sóng ánh sáng trong phổ
cực tím, thị phổ và hồng ngoại [1].
1.1.2. Lược sử về cơng nghệ LIDAR
Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì
khơng thể không nhắc đến Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử

dụng kỹ thuật đèn pha cơng suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2], nhưng
sau đó gần ba thập kỷ, cơng nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR
mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới
thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm 1963 với tầng
khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4]. Sau các thành
công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ
thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng.

3


1.1.3. Hệ thống LIDAR
Một hệ thống LIDAR bao gồm năm phần cơ bản như sau (Hình Error!
No text of specified style in document..1): (1) bộ phân phát tín hiệu laser;
(2) hệ thống quang học truyền tín hiệu; (3) hệ thống quang học nhận tín hiệu;
(4) cảm biến; (5) hệ thống điện tử để ghi, xử lý, đánh giá, hiển thị và lưu trữ
số liệu [5].

Hình Error! No text of specified style in document..1 Sơ đồ khối hệ thống
LIDAR [5]
Khi hệ thống LIDAR hoạt động, một xung laser được phát vào khí
quyển thơng qua bộ phận phát tín hiệu laser, độ dài xung và bước sóng laser
được chọn tùy vào mục tiêu quan sát và mục đích nghiên cứu, xung laser sẽ
tương tác với các thành phần khí quyển và tán xạ ngược trở lại hệ thống
LIDAR và được thu nhận lại bằng một hệ thống quang học thu và các cảm
biến ánh sáng, sau đó tín hiệu được số hóa và chuyển về hệ thống máy tính để
lưu trữ phục vụ cho quá trính xủ lý số liệu.
1.1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR
Sự tương tác ánh sáng với các quá trính vật lý trong khí quyển rất đa
dạng với nhiều q trình vật lý khác nhau, do đó các thiết bị LIDAR cũng

được xây dựng dựa trên cơ sở này và phục vụ quan trắc các loại đối tượng
4


khác nhau trong khí quyển, các q trình vật lý và các loại LIDAR quan trắc
các đối tượng tương ứng được mơ tả trong Hình Error! No text of specified
style in document..2.

Hình Error! No text of specified style in document..2 Các q trình vật lý,
thiết bị LIDAR và các thơng số khí quyển quan trắc được [5]
1.1.5. Phương trình LIDAR
Để tính tốn được các thơng số khí quyển, tín hiệu LIDAR được xử lý
và phân tích bằng phương trình LIDAR. Phương trình này thể hiện mối liên
hệ giữa tín hiệu tán xạ ngược trong không gian nhận được bởi cảm biến với
các yêu tố khí quyển và hệ thống LIDAR. Tín hiệu tại khoảng cách Z được
xác định như sau:
Error! No
text of
specified
style in
document.-1

5


Trong đó:
: Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z
: Năng lượng xung laser phát đi
: Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ
quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển)

: Hệ số tán xạ ngược xon khí
: Hệ số tán xạ ngược phân tử
: Độ truyền qua bởi xon khí
: Độ truyền qua bởi phân tử
1.1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng cơng nghệ
LIDAR
Nghiên cứu ngồi nước
Hiện nay trên thế giới đã và đang có nhiều nghiên cứu sử dụng cơng
nghệ LIDAR để quan trắc khí quyển. Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật
LIDAR quan trắc xon khí thì khơng thể khơng nhắc đến nghiên cứu của
Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha
cơng suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2].
Sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống
LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay
LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm
1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4].
Sau các thành cơng đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong
phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này
ngày càng đa dạng. Fernald năm 1972, 1984 và Klett năm 1981 nghiên cứu
xây dựng phương pháp điểm biên để tính tốn các thơng số khí quyển từ số
6


liệu LIDAR [6-8]. Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao
lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT
(Wavelet Covariance Transform) [9] . Nghiên cứu của Chan năm 2010 đã tính
tốn hệ số tán xạ ngược – suy hao xon khí cho hệ LIDAR Doppler dựa trên số
liệu quang phổ kế [10]. Các đặc điểm về độ dày quang học xon khí đã được
đo đạc và tính tốn trong nghiên cứu của Porter và cs năm 2002 bằng hệ
thống LIDAR di động Mie-Rayleigh được đặt tại Hawaii [11]. Ware, Kort và

cs 2016 nghiên cứu các đặc điểm lớp xáo trộn tại Pasadena California bằng
thiết bị MPLNET [12]. Mei, Guan và cs năm 2017 sử dụng hệ thống LIDAR
mie bước sóng 808nm xác định hệ số xuy hao xon khí tại Đại Liên và xem xét
sự tương quan với số liệu PM10 / PM 2.5 và cho kết quả tốt [13]. Liu, He và
cs năm 2017 đã xác định AOD và hệ số suy hao xon khí sử dụng LIDAR
MPLNET tại Thượng Hải [14].
Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển hiện chưa được phổ
biến và áp dụng rộng rãi, hiện tại mới chỉ dừng lại ở một số nghiên cứu chế
tạo, mô phỏng và đo đạc thử nghiệm.
Một số nghiên cứu nổi bật như Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2008 đã
nghiên cứu về ứng dụng LIDAR trong quan trắc đặc tính mây Ci, nghiên cứu
này chỉ ra qua hệ thống LIDAR hai kênh thu, các thông số về mây Ci được
xác định bao gồm độ cao chân mây, độ cao đỉnh mây, hệ số tán xạ ngược, hệ
số hấp thụ, độ dày quang học, tỉ lệ phân cực [15]. Nguyễn Xuân Anh và cs
năm 2014 đã sử dụng LIDAR trong nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của xon
khí tại Việt Nam [16]. Phạm Xuân Thành và cs năm 2016 đã tiến hành nghiên
cứu ứng dụng đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng khí quyển lên ảnh vệ
tinh, nghiên cứu khẳng định các kết quả thu được về quan trắc xon khí, hơi
7