Luận án sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

Lời cam đoan Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển” thực Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung GS TS Nguyễn Đại Hưng Tôi xin cam đoan kết làm việc Nhóm lidar cá nhân tác giả hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố trước ngồi nước Tác giả Bùi Văn Hải MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt tiếng Anh i Danh mục đồ thị hình vẽ ii Danh mục bảng biểu viii Mở đầu Chương I Cơ sở lý thuyết khảo sát đặc trưng vật lý son khí khí trái đất 1.1 Khí trái đất 1.1.1 Cấu trúc khí 1.1.2 Son khí tầng thấp 11 1.1.2.1 Lớp son khí bề mặt 13 1.1.2.2 Lớp son khí tự tầng thấp 16 1.1.2.3 Vai trò son khí tầng thấp 16 1.1.2.4 Các đặc trưng lớp son khí tầng thấp 24 1.1.3 Mây Ti tầng cao 24 1.1.3.1 Cơ chế hình thành mây Ti 24 1.1.3.2 Vai trò mây Ti khí tầng đối lưu 32 1.1.3.3 Các đặc trưng mây Ti 33 1.1.3.4 Kỹ thuật khảo sát mây Ti 34 1.2 Các kỹ thuật quan trắc khí 35 1.3 Kỹ thuật lidar 37 1.3.1 Nguyên lý cấu tạo hệ lidar 37 1.3.2 Tương tác xạ với khí 42 1.3.2.1 Lý thuyết tán xạ Rayleigh 43 1.3.2.2 Lý thuyết tán xạ Mie 48 1.3.2.3 Lý thuyết tán xạ Raman 55 1.4 Kết luận chương I 61 Chương II Kỹ thuật hệ đo lidar 63 2.1 Hệ lidar 63 2.1.1 Hệ lidar nhiều bước sóng 63 2.1.1.1 Khối phát 63 2.1.1.2 Khối thu 64 2.1.2 Hệ lidar sử dụng laser diode 67 2.1.2.1 Khối phát 71 2.1.2.2 Khối thu 77 2.1.3 Đầu thu quang điện cho hệ lidar 81 2.1.3.1 Đầu thu nhân quang điện (PMT) 81 2.1.3.2 Đầu thu photodiode thác lũ (APD) 85 2.2 Kỹ thuật đo tín hiệu lidar 88 2.2.1 Kỹ thuật đo tương tự 88 2.2.2 Kỹ thuật đếm photon 89 2.3 Phương trình lidar 93 2.4 Xử lý tín hiệu lidar 94 2.4.1 Chuẩn hóa tín hiệu 94 2.4.2 Xác định hàm chồng chập đặc trưng hệ lidar 98 2.4.3 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt lớp mây Ti tầng cao 104 2.4.4 Xác định độ sâu quang học son khí phân bố khí 105 2.4.5 Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman 106 2.4.6 Xác định hệ số tán xạ ngược son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi 107 2.4.7 Xác định tỉ số lidar đặc trưng son khí 108 2.4.8 Xác định tỉ số khử phân cực son khí 108 2.4.9 Đánh giá sai số thông số đặc trưng 109 2.5 Kết luận chương II 111 Chương III Quan trắc đặc trưng vật lý lớp son khí tầng thấp 114 3.1 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 114 3.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 114 3.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 115 3.2 Quan trắc thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 118 3.2.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 118 3.2.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 120 3.2.3 Đánh giá kết đo hệ lidar sử dụng laser diode 122 3.3 Đặc trưng độ sâu quang học 123 3.4 Đặc trưng suy hao 124 3.5 Đặc trưng tán xạ ngược 125 3.6 Đặc trưng tỉ số lidar 126 3.7 Kết luận chương III 128 Chương IV Quan trắc đặc trưng vật lý mây Ti tầng cao 129 4.1 Đặc trưng phân bố không gian 129 4.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 129 4.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 139 4.2 Đặc trưng độ sâu quang học 141 4.3 Đặc trưng tán xạ ngược 142 4.4 Đặc trưng khử phân cực 144 4.5 Kết luận chương IV 146 KẾT LUẬN 148 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 152 PHỤ LỤC i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt tiếng Anh Ký hiệu Nguyên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt laser Light Amplification by Stimulated Bộ khuếch đại ánh sáng phát Emission of Radiation xạ kích thích lidar Light detection and ranging Ghi nhận tín hiệu quang xác định khoảng cách DEM Digital Elevation Models Mơ hình số địa hình DTM Digital Terrain Model Ảnh số địa hình DSM Digital surface model Mơ hình số bề mặt INS Inertial navigation system Hệ thống hành hướng quốc tế GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer Phổ phân bố tổng lượng Ozone WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng giới PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện APD Avalanche photodiode Diode quang thác lũ QE Quantum efficiency Hiệu suất lượng tử PC Photon counter Bộ đếm photon MCA Multichannel pulse-height analyzer Bộ phân tích biên độ xung đa kênh TTL Transitor-transitor logic Bộ logic CMOS Complementary metal–oxide– semiconductor Bán dẫn xít kim loại SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu OF Overlap function Hàm chồng chập SF Spatial filter Phin lọc không gian OPO Optical parametric oscillator Bộ dao động tham số quang DL Discrimination level Mức so sánh CBL Convective boundary layer Lớp son khí đối lưu bề mặt ABL Atmospheric boundary layer Lớp son khí bề mặt NCAR National Center for Atmospheric Research Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí Mỹ CCM3 Community climate model Mơ hình khí hậu C3 i Danh mục đồ thị hình vẽ Hình 1.1: Phân bố nhiệt độ mật độ phân tử khí trung bình khí trái đất theo độ cao tới 100 km [62] Hình 1.2: Cấu trúc khí trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70] Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000, bão cát thổi qua sa mạc Sahara tây bắc châu Phi theo đám mây cát rộng hàng ngàn số vuông [63] Hình 1.4: Ảnh chụp TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) thời điểm ngày 26/2/2000 địa điểm Phổ màu chuyển từ xanh sang đỏ theo tăng dần mật độ khối son khí [63] Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí bề mặt [62] Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng giới MWO [68] Hình 1.7: Ảnh số loại mây tầng đối lưu khí [70] Hình 1.8: Ảnh số lọai mây không phổ biến khác tồn tầng đối lưu trái đất [70] Hình 1.9: Mơ hình giải thích tạo thành đám mây [70] Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động lidar [3] Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng Viện Vật lý gồm hai phần bản: khối phát khối thu Hình 1.12: Tán xạ đàn hồi hạt có kích thước khác so sánh với bước sóng ánh sáng kích thích [22, 33, 112] Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha tán xạ Rayleigh [104] Hình 1.14: Kích thước số loại son khí phổ biến [109] Hình 1.15: Dạng hàm hệ số tán xạ ngược hạt nước hình cầu đồng có chiết suất n =1.33 phụ thuộc vào kích thước đặc trưng x hạt [112] Hình 1.16: Cường độ theo góc tán xạ tương ứng với bước sóng 1064 nm 532 nm hạt kích thước nhỏ 0,1 µm [104] Hình 1.17: Cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng với hai bước sóng 1064 nm 532 nm với tâm tán xạ có kích thước 10 µm [104] ii Hình 1.18: Phân bố cường độ theo góc tương ứng hai bước sóng 1064 532 nm hạt có kích thước lớn cỡ 1000 µm [104] Hình 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức lượng tán xạ Rayleigh Raman Hình 1.20: Phổ tán xạ Raman số loại khí phổ biến khí (oxi, ni tơ, nước) kích thích bước sóng 532 nm [112] Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser máy tính ghi nhận liệu Trên hình tín hiệu lidar chế độ tương tự [16, 19] 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 liệu, nguồn ni cao hạ Hình 2.3: Hình ảnh chi khối phát hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm hãng Osram dạng bề mặt xạ laser [14, 61] Hình 2.5: Sơ đồ mạch ni chip laser diode hãng Osram [14] Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách m, c) Sơ đồ ngun lý chuẩn trực chùm laser Hình 2.7: Cơng suất phát trung bình laser diode phụ thuộc ni Hình 2.8: Độ rộng xung laser hoạt động chế độ cơng suất phát cực đại Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser hoạt động chế độ cơng suất phát tối ưu Hình 2.10: Hình ảnh đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 hãng Hamamatsu sử dụng hệ lidar sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động chế độ Geiger [13] Hình 2.11: Module đầu thu APD làm lạnh tới -20oC, hút ẩm, khép kín giảm nhiễu chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu hệ lidar Hình 2.12: Giao diện chương trình đếm photon viết ngơn ngữ Labview thực đo tín hiệu hệ lidar đo bước sóng 905 nm Hình 2.13: Cấu trúc nguyên lý khuếch đại ống nhân quang điện [79] Hình 2.14: Độ nhạy đầu thu theo bước sóng tín hiệu b) Hệ số khuếch đại theo ni c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79] iii Hình 2.15: a) Độ nhạy đầu thu theo bước sóng tín hiệu b) Hệ số khuếch đại theo ni c) Hình ảnh module PMT H6780 hãng Hamamatsu [79] Hình 2.16: Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động chế độ đếm photon kênh tín hiệu Raman với thể ni 15 V Hình 2.17: Phân bố photon lớp silicon số bước sóng tới khác [123] Hình 2.18: a): Đặc trưng độ nhạy APD theo bước sóng tín hiệu b): Hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng c): Đặc trưng dịng tối theo ngược đặt vào APD [13] Hình 2.19: Xung tín hiệu PMT tương ứng trường hợp cường độ tín hiệu mạnh (chế độ đo tương tự) [79] Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động chế độ đo tương tự tương ứng kênh 1064 nm 532 nm Hình 2.21: Xung tín hiệu PMT tương ứng trường hợp cường độ tín hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79] Hình 2.22: Hình dạng tín hiệu lidar hoạt động chế độ đếm photon: a) Ở chế độ xung đơn, b) Trung bình 12000 xung laser Hình 2.23: Hình ảnh tín hiệu thu nhận từ hệ lidar hoạt động chế độ đếm photon vào ban ngày Hà Nội Hình 2.24: a): Tín hiệu thơ ghi nhận trực tiếp từ hệ lidar đếm photon thời gian phút tương đương 3.000 xung, b): tín hiệu sau dịch chuẩn gốc tọa độ, c): sau lấy trung bình 10 lần đo tương đương 30.000 xung laser Hình 2.25: Đồ thị so sánh tín hiệu lidar đường mật độ phân tử khí theo mơ hình lý thuyết Hình 2.26: Tỉ số tín hiệu nhiễu tín hiệu lidar đếm photon thời gian 25 phút hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG với tần số lặp lại 10 Hz tương đương 15.000 xung Hình 2.27: Sơ đồ khơng gian chồng chập chùm tia laser trường nhìn telescope [46] Hình 2.28: Ảnh hưởng hàm chồng chập lên tín hiệu [117] iv Hình 2.29: Tín hiệu tán xạ Raman thu từ hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG hoạt động chế độ đếm photon thời gian 20 phút tương đương 18.000 xung laser Hình 2.30: Tín hiệu đếm photon ghi nhận từ hệ lidar Raman ngày 20/11/2012 Hình 2.31: (a): Hàm chồng chập đặc trưng hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd Viện Vật lý, (b): Tín hiệu lidar đàn hồi trước sau tính đến hàm chồng chập đặc trưng hệ [16, 20] Hình 2.32: a): Khoảng khơng gian tín hiệu đàn hồi chuẩn hóa theo khoảng cách đo sụt giảm mạnh hiểu vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu vị trí đỉnh lớp son khí [57] 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 lớp son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011 Hình 3.2: Tín hiệu trường gần hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình thời gian 30 s vào lúc 20h ngày 4/7/2012 Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu nhiễu tín hiệu Hình 3.2 Hình 3.4: Xác định đỉnh lớp son khí bề mặt Hình 3.5: Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực với tín hiệu vào buổi sáng, buổi chiều buổi tối ngày 27/5/2011 Hà Nội [19] Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp bầu trời Hà Nội theo thời gian thưc ngày Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt Hà Nội đêm ngày 6/10/2012 Hình 3.8: Tín hiệu tán xạ đàn hồi hai hệ lidar độc lập ghi nhận đồng thời từ 20h tới 24h ngày 18/11/2012 Hình 3.9: Cường độ tín hiệu lớp son khí bề mặt chuẩn hóa theo khoảng cách đo, khảo sát 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 [16] Hình 3.10: Độ sâu quang học lớp son khí tầng thấp khí vào ngày 20h ngày 31/10/2012 v Hình 3.11: Hệ số suy hao son khí tầng thấp Hà Nội lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 Hình 3.12: Hệ số tán xạ ngược son khí tầng thấp 3,5 km khảo sát lúc 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp khí bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012 Hình 4.1: Mây Ti thu từ tín hiệu đo hệ lidar chế độ tương tự ứng với kênh phân cực theo phương song song thực vào hai ngày 7/6/2011 ngày 31/9/2011 với khoảng thời gian đo tương ứng hình [19] Hình 4.2: a): Xác định độ cao đỉnh đáy lớp mây Ti tầng cao b) Vị trí lớp phân tầng khí theo tín hiệu radiosonde tương ứng thời điểm [19] Hình 4.3: Phân bố độ cao trung bình đỉnh độ dày lớp mây Ti thay đổi theo thời gian năm 2011 Hình 4.4: Sự thay đổi độ cao lớp đối lưu hạn theo thời gian năm 2011 đo phương pháp thả bóng thám khơng [19] Hình 4.5: Sự biến đổi nhiệt độ tầng đối lưu bình lưu từ tín hiệu radiosonde [19] Hình 4.6: Sự biến đổi độ cao đỉnh tầng đối lưu theo nhiệt độ vị trí phân tầng bầu trời khí Hà Nội năm 2011 Hình 4.7: Sự thay đổi độ cao lớp mây Ti theo nhiệt độ vị trí đỉnh lớp mây Ti tầng cao [19] Hình 4.8: Sự thay đổi độ cao lớp đối lưu hạn đỉnh lớp mây Ti theo thời gian năm 2011 Hình 4.9: Sự thay đổi khoảng cách đỉnh lớp mây lớp đối lưu hạn Hình 4.10: Sự thay đổi độ dày hình học lớp mây Ti năm 2011 theo nhiệt độ Hình 4.11: Số trường hợp phát mây Ti năm 2011 Hà Nội [19] Hình 4.12: Tín hiệu đếm photon hệ lidar sử dụng laser diode khảo sát mây Ti tầng cao Hình 4.13: Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách vi [110] Robert G W Brown, Robin Jones, John G Rarity, and Kevin D Ridley (1987), Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements Active quenching, Applied Optics, 26(12), 2383 – 2389 [111] Robert Tardif (2002), Boundary layer aerosol backscattering and its relationship to relative humidity from a combined Raman-Elastic backscatter lidar, Program in Atmospheric and Oceanic Science University of Colorado at Boulder [112] Ronald Eixmann et al (2002), Tropospheric aerosol layers after a cold front passage in January 2000 as observed at several stations of the German Lidar Network, Atmospheric Research, 39-58 [113] S Emeis, K.Schafer, C Munkel (2008), Long-term observations of the urban mixing-layer height with ceilometers, Spie, doi:10.1088/1755-1307/1/1/012027 [114] S Pal, A Behrendt, and V Wulfmeyer (2010), Elastic-backscatter-lidar-based characterization of the convective boundary layer and investigation of related statistics, Ann Geophys, 28, 825–847 [115] Sachin John Verghese (2008), Investigation of aerosol and cloud properties using multiwavelength Raman lidar measurements, A Doctor of Philosophy thesis in Electrical Engineering, The Pennsylvania State University [116] Shardanand and A D Prasad Rao (1977), Absolute Rayleigh scattering cross sections of gases and freons of stratospheric interest in the visible and ultraviolet regions, NASA TN, O-8442 [117] Twoney and Howell (1984), Measures - Laser Remote Sensing, Wiley & Sons, New York [118] Ulla Wandinger (2006), Electromagnetic wave scattering on non-spherical Particles, Springer Berlin [119] Vaibhav Sarma (2009), Urban surface characterization using lidar and aerial imagegy, A master of science thesis, University of North Texas, December [120] W Heller, and M Nakagaki (1974), Light scattering of spheroids III, Depolarization of the scattered light, J Chemical Physics, 61, 3619-3621 [121] W J Wiscombe (1980), Improved Mie scattering algorithms, Appl Opt, 19, 1505–1509 [122] W N Chen, C W Chiang, and J B Nee (2002), The lidar ratio and 161 depolarization ratio for cirrus couds, Applied Optics, 41, Issue 30, 6470-6397 [123] W P Hooper, and E W Eloranta (1986), Lidar measurements of wind in the planetary boundary layer: the method, accuracy, and results from foint measurements with radiosonde and kytoon, J Clim Appl Meteorol, 25, 9901001 [124] W.N Chen, C.C Tsao, J.B Nee (2004), Rayleigh lidar temperature measurement in the upper troposhere and lower stratosphere, Journal of Atmosphereric & Solar-Terrestrial Physics, 66, 39-49 [125] Wandinger, Ansmann (2002), Optical aerosol parameters: Raman lidar and high spectral resolution lidar, Applied Optics, 34, Issue 36, 8315-8329 [126] WANG Qing, TIAN Xiao-jian, WU Ge, LUO Ming-yuan (2009), Design of high-peak current and narrow pulse driver of laser diode, The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 16, 82–85 [127] Wegrzecka (2004), “Design and properties of silicon avalanche photodiodes”, Opto-Electronics Review, 12, 95-104 [128] William J Lentz (1976), Generating Bessel Functions In Mie Scattering Calculations Using Continued Fractions, Appl Opt, 15, 668-671 [129] Xiaoli Sun and Frederic M Davidson (1990), Avalanche Photodiode Photon Counting Receivers for Space-borne Lidars, Optical Communication with Semiconductor Laser Diode [130] Zhenzhu Wang, Ruli Chi, Bo Liu, and Jun Zhou (2008), Depolarization properties of cirrus clouds from polarization lidar measurements over Hefei in spring, Chinese Optics Letters, 6(4), 235-237 [131] Zhiting Wang, Lei Zhang, Xianjie Cao, Jianping Huang, Wu Zhang (2012), Analysis of Dust Aerosol by Using Dual-Wavelength Lidar, Aerosol and Air Quality Research, 12, 608–614 162 163 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Chương trình kết nối máy tính viết ngôn ngữ Labview hệ lidar Raman đa kênh 1 Khối kết nối thiết bị 1.2 Khối thu hoạt động chế độ đo tương tự i 1.3 Khối thu hoạt động chế độ đếm photon Phụ lục 2: Chương trình chuẩn hóa tín hiệu 2.1 Hàm gọi tín hiệu radiosonde lấy làm chuẩn để so sánh function [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb) h = b(:,1);%km mdkhi = b(:,2)+b(:,3);% mat that cua nasa bm = mdkhi;%phantu/m3 lmdkhi = log(bm); a = polyfit(h,mdkhi,30); bmol = polyval(a,z); bb = log(bmol); …VV 2.2 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu hệ đo chế độ tương tự %load file clc; clear all; close all; filename = 'e:\lidar\photon counting\gate_tuan\gate121.txt'; kenh = 3; a = load(filename); t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km) z0 = t/2*c*1e-12;% z - km ii % lam tron tin hieu lan p0 = smooth(a(:,kenh),100); n = length(t);k = 0;…VV for i=d:tr if p(i+1)>lan*p(i)& p(i+2)>p(i+1)&p(i+3)>p(i+2)&p(i+4)>p(i+3) p(i+5)>p(i+4)&p(i+6)>p(i+5) …VV 2.3 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu phép đo hệ chế độ đếm photon %1 chon diem triger %2 chon diem so sanh %3 chon bin can thiet clc; clear all; close all; filename = 'e:\lidar\photon counting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt'; a = load(filename); kenh = 2; t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km) z0 = t/2*c*1e-12;% z - km p0 = smooth(a(:,kenh),100); n = length(t); %ve den dau xa = 25;% km hss = 10;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data tb = 10;% so diem lay trung binh gia tri so sanh duong tin hieu …VV 2.4 Chương trình chuẩn hóa tín hiệu trường gần tính tới hàm chồng chập hệ lidar %chuan tin hieu tinh toi ham overlap function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] = ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong); % tin hieu kenh raman [z,p,pzz,p4] = ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb); iii %z,p,pzz,log(pzz): tuong ung for i = 1:length(z)… end …VV 2.5 Chương trình xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt FileNameArray='E:\LIDAR\Analoge\2011\May\27mayy21h02.1.txt'; A=load(FileNameArray); [Zt,Pt,P1t,Rt,topt,hat]=ham_B_R_Mixinglayer(A,kenh); %lay du lieu nasa_mat phan tu quyen kh = 'atmos.txt'; B = load(kh); h = B(:,1);%km mdkhi = B(:,2)+B(:,3); bmol = mdkhi;%Phantu/m3 bb = log10(bmol); %tim gia tri max t=round(length(P1t)/2); T = P1t(t) %vi tri diem cuc dai for i =round(length(P1t)/10):length(P1t) if P1t(i) == T …VV 2.6 Chương trình xác định hệ số suy hao, tán xạ ngược thuật toán Fernald giả thuyết hàng số lidar biết trước % ham: chuan tin hieu tinh ca ham overlap() clc; clear all; close all; filename1 = 'e:\lidar\photon counting\2012\31oct2012_thu vi_xem them\31oct15.txt'; a = load(filename1); kh = 'atmos.txt'; b = load(kh); kenhe = 2;% kenh tin hieu dan hoi kenhr = 3;% kenh tin hieu raman iv sm = 5;% so diem smooth xa = 20;% km: khoang hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol tb = 20;% so diem lay trung binh gia tri so sanh duong tin hieu duoi = 4;% km:diem tren va diem duoi fit thi tuyen tinh overlapfunction tren = 14; khackhong = 2;% km: vi tri ham overlap khac khong %su dung ham nhung [z,ov,i,izz,lizz,izzcu] = ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong); % mat tu tin hieu radiosonde:z,mdokhi,logmdkhi [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb); %chuan tin hieu theo tin hieu radiosonde z;% khoang cach ov;% ham overlap …VV 2.7 Chương trình xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu Raman %extintion coefficient of aerosol clear all;close all;clc % goi ham ov dac trung cua he: filename = 'd:\lay so lieu tu thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\raman_signal.txt'; a = load(filename); kh = 'atmos.txt'; b = load(kh); h = b(:,1).*1000;%km - m mdkhi = b(:,2)+b(:,3); for i = 1:1000 if h(i)>= max(a(:,1));% 10km khong sol x = linspace(min(a(:,1)),max(a(:,1)),t); xx = linspace(min(a(:,1)),max(a(:,1)),length(a(:,1))); y = spline(x,mdkhi(1:t),xx);% matran so mat theo khoang chia 1000 buoc smoll = mdkhi*5.45*(550/(532)).^4.*1e-28;% s_mol(l): hat.m2/sr-1 v smolr = mdkhi*5.45*(550/(607)).^4.*1e-28;% s_mol(r) bt = (smoll + smolr);%he so tan xa nguoc phan tu theo buoc song s = bt.*(8.*pi)./3;%he so suy hao theo buoc song voi phan tu yy = log(y./(rot90(a(:,2)))); dz = max(a(:,1))./(length(a(:,1))-1); for i=1:length(a(:,1))-1 dh(i) = (yy(i)-yy(i+1))./dz; end q = (dh-rot90(bt(1:length(dh))))./(1+532/607); …VV 2.8 Chương trình xác định hệ số tán xạ ngược sử dụng tín hiệu đàn hồi %backscattering coefficient of aerosol clear all;close all;clc % chuan ham filename = 'd:\lay so lieu tu thi\plot digitizer\e_b_lr_luanan\raman_signal.txt'; a = load(filename); kenh = 2; km = 5; sm = 10;% so diem lay smooth xa = 6;% ve toi dau km hm = 6;% km : khoang cach xa khong sol khiedeeeed4444 %z,signal,xr=izz,lxr=logizz,molr=bmol,lpr=logbmol-nasa,h=z(khithuc),lmdk=log(mkthuc) %[z,p, pp1,lp, bmol,bb,hc,mmtk,cc,zr,over,diem]=ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm) [zr,pr,xr,lxr,molr,lpr,mmtk,lmdk,zo,ov,diem] = ham_overlap_raman(a,kenh,km,sm); n = length(zr); figure(3) …VV 2.9 Chương trình xác định tỉ số lidar clc; clear all; close all; filename1 = 'E:\LIDAR\Photon counting\2012\31oct2012_Thu vi_xem them\31oct15.txt'; A = load(filename1); kh = 'atmos.txt'; vi B = load(kh); kenhe = 2;% Kenh tin hieu dan hoi… xa = 20;% Km: khoang hss = 17;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data- khong co sol tb = 20;% So diem lay trung binh gia tri so sanh duong tin hieu duoi = 4;% km:Diem tren va diem duoi fit thi tuyen tinh overlapfunction tren = 14; …VV 2.10 Chương trình xác định tỉ số khử phân cực clear all;close all;clc filename = 'e:\lidar\analoge\2011\april\180411_h1_10.txt'; a = load(filename); s = 2; % kenh song song v = 3; % kenh vuong goc… sm = 1;% smooth tin hieu - tot hon chat luong tin hieu hs = 10;% he so khuech dai cua kenh vuong goc [z5,p5l,p5r,p6l,p6r,pl,pr,d] = ham_depolirationratio(a,s,v,sm,hs); …VV %height,re idensity,izz,log(izz),d: depolization ratio 2.11 Chương trình xác định tỉ số tín hiệu nhiễu % Tinh sai so cua tin hieu counting noi = 0;nn = length(Z); for i = round(7*nn/10):1:(10*nn/10); noi = noi + p0(i); end noi = noi/(3*nn/10+1); snr = (P2 - noi)./sqrt(P2-noi + 2*noi); …VV 2.12 Chương trình xác định sai số tỉ số lidar son khí trường gần %load file clc; clear all; close all; filename = 'E:\LIDAR\Photon counting\Gate_Tuan\gate121.txt'; vii kenh = 3; A = load(filename); t = A(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(Km) z0 = t/2*c*1e-12;% Z - km % LAM TRON TIN HIEU LAN p0 = smooth(A(:,kenh),100); n = length(t);k = 0; %Nen cuong - ofsetans nen = 0; for i = round(9*n/10):1:round(10*n/10); nen = nen + p0(i); k = k + 1; end nen = nen/(k+1); %Tru nen nhieu p1= p0 - nen; …VV 2.13 Chương trình xác định thơng số đặc trưng mây Ci %Ve tin hieu mua trung tam tham khong quoc gia clc; close all; clear all; filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_8_9_2011.txt'; filename2 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_11_5_2011.txt'; A9 = load(filename9);z9 = A9(:,3)*1e-3;t9 = A9(:,5);A10 = load(filename10);z10 = A10(:,3)*1e-3;t10 = A10(:,5); z=[z1(:) z2(:) z3(:) z4(:) z5(:) z6(:) z7(:) z8(:) z9(:) z10(:) z11(:) z12(:) z13(:) z14(:) z15(:)]; t=[t1(:) t2(:) t3(:) t4(:) t5(:) t6(:) t7(:) t8(:) t9(:) t10(:) t11(:) t12(:) t13(:) t14(:) t15(:)];… %Do cao may Cirrus file = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt'; A = load(file);tg = A(:,5); h = A(:,2);%Do cao dinh cua may cirrus %Tim nhiet tuong ung voi vi tri may Cirrus… viii for i = 1:length(h) tci(i) = t(vt,i);%nhiet vi tri dinh lop may cirrus atc = polyfit(tci(:),h,1);ytc = polyval(atc,tci(:)); figure(4)%ve theo cao dinh lop may cirrus plot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^ b','LineWidth',3);grid on; legend('Top height of Cirrus','Averaged Height') ylabel('Height (km)'); xlabel('Temperature of cirrus'); …VV Phụ lục 3: Dữ liệu lidar quan trắc năm 2011 sử dụng hệ lidar Raman phân cực đa kênh thực phòng 901, nhà 2H, Viện Vật lý 3.1 Cơ sở liệu ghi nhận hệ lidar phân cực đa kênh hoạt động chế độ tương tự Ngày đo, đo, số file đo tối đa 01Apr100.txt 08april2011-15395.txt 10april-22143.txt 12april-17245.txt 13april-10403.txt 18Apr1734_10.txt 19april-1040_4.txt 19Apr20h55_9.txt 180411_H1_10.txt 180411_H_4_10.txt Nhiệt độ Độ ẩm Sáng 8h Chiều Tối Tháng 14h 20h 1064 or kênh pc 532 Boundar y layer 1064 kênh 1064, k1 1064, k2 1064, k2 1064,532 3 Số file số lần có mây Cirrus cloud 100 file 10 file file 20 10 10 Tháng 7may11h30.5.txt 09may-0957_20.txt 09may-1049_16.txt 09may14h17.20.txt 09may-1015_20.txt 09may-1049_16.txt 10may10h.20.txt 10may1409_20.txt 10may18h32_20.txt 10may1444_18.txt 10may1712_20.txt 11may10h00.20 12may16h38.20.txt 13may-response1_5.txt 13may-response_5.txt 17may11h.3.txt 17may1022.50.txt 17may17h51.100.txt 18may11h18_532_2.100 18may16h.532.2145 18may20h40.532.3.100 19may16h46.50 21may10h20.9 21may10h4125 21may11h.50 21may11h10.50 21may11h20.300 22may16h20.3236 1064, 532 1064, 532 1064, 532 1064, 532 1064, 532 1064, 532 1064, 532 3 3 3 3 kênh 532 kênh 532 kênh 532 kênh 532 kênh 532 Pc,b Pc,b pc 532 532 532 Pc,b ix Cirrus 17h/28/May/2012 22may18h20.10 23may10h42.549 23may11h34.110 24may9h49.100 25may15h.200 26may15h27.50 26may15h55.250 27may10h23.12 27may17h41.73 27mayy21h02.100 28may16h58.250.110 28may17h53.500.56 28may21h15.500.52 30may10h42.500.70 30may14h51.500.200 Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b 1064,532,b Pc,b Pc,b Pc,b 532,b Cirrus Tháng 01jane9h32.500.137 1june14h08.500.230 02june9h50.65 03june.9h43.20.22 3june.9h47.20.851 04june9h25.300.212 04june13h46.300.520 6june9h44.30d.60%.300.200 7june.10h00.1064.532.300133 07June15h37_18 8june.20h49.30d50%.30020 8june.saumua.14h48.34d.50%.10 8june.saumua.15h.00.34d505.30 0.435 9june.15h49.34d48%.300.434 9june.16h00.300.85 Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b 1064,pc Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Cirrus Cirrus Pc,b Pc,b Tháng 7july15h38.1064.532.300.25 7july16h27.1064.532.300.19 1064,pc 1064,pc Tháng 25Aug15h35_300.235 26Aug.18h27.pc.b.300.135 26Aug17h51.b.pc.300.60 29Aug16h00.pc.b.300.185 31Aug.10h.17.pc.b.300.36 31Aug15h00.pcb.300.69 31Aug16h30.pcb300.23 Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Pc,b Tháng 1Sep9h00pcb.300.100 1Sep15h13pcb300.240 1Sep20h55pcb.300.46 7sep9h12.pcb300.7.txt 7Sep15h00pcb300.266.txt 7Sep21h12b.300.57.txt 8Sep9h57pcb300.132.txt x x x x x 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 3 3 1,2 700m – Cloud,mây đen Cirrus x x 8sep13h30pcb300 x 1,2 22Sep16h50pcb300.60.txt 23Sep13h11pcb300.113.txt 23Sep20h30pcb300.19.txt 24Sep10h25pcb300.358.txt x x 1,2 1,2 1,2 1,2 3 3 x x Cirrus, sau kết thúc đo mưa Sau trời tạnh mưa lại Cirrus Cirrus Cirrus Tháng 10/2011 21oct9h40.b.300.13 21Oct10h00b300.10 22Oct9h58.b.300.88 24Oct.9h44.b.300.103 24Oto16h36pcb30086 26Oct9h00pcb300.20 31Otoh40b300.100 31Otoh40b600.10 2Nov22h40.b.300.10 2Nov22h53.b.300.5 3Nov10h36b300.61 3Nov14h19b300.79 5Nov10h30.vb300.100 x x x x x x x x Tháng 11/2011 x x x x x 532v x x x x x x x x x X2 X2 X2 X2 X2 Dùng telescope vừa 9Nov10h50lb300.151 10Nov9h17vb300.73 10Nov14h00vb300.143 10Nov15h59vb300.53 10Nov17h16vb300.54 10Nov22h00vb300.18 11nov8h30vb3009 11Nov9h00vb300.74 11Nov15h34vb300.59 11Nov17h44bv13.300.16 13Nov15h18vbt.300.10 13Nov15h28vbt.300.10 13Nov15h35vbt.300.10 14Nov8h44vbt300.20 14Nov8h59vbt300.50 15Nov21h41vb300.10 15Novtestvb.470mv.1 17Nov20h50v300.20 17Nov21h00v300.5 17Nov21h17v300.10 17Nov21h26v300.10 17Nov21h35vb360dl300.1 10Nov9h17vb300.73 19test9h6780.360.2 20test3.360.1 24Nov16h28.vn300.10 24Nov16h42.vn300.10 25Nov15hvb370dl400300.10 25test8.10 x x 532v 532v 532v 532v 532v 532v 532v X2 X3 X3 X3 X3 X3 X3 X3 2k532 2vt X2 X2 x Rất đẹp X2532 X2 X2 X2 X2 X2 X2 X2 X23 X2 X2 X2 X2 X2 X3 X3 Khá đẹp Đẹp Cirrus – không đẹp Cirrus – không đẹp Cir – hai lớp đặc biệt Cir – hai lớp đặc biệt Cir – hai lớp đặc biệt Cir – hai lớp đặc biệt Cir – hai lớp đặc biệt X X2 X2 X2 X2 X2 X2 X2 X23 X2 X2 x x x x x x x x x x x X3 X3 X3 X3 X3 Khá đẹp Khá đẹp Khá đẹp Khá đẹp Khá đẹp Khá đẹp Khá đẹp X3 X3 X3 X3 Cir – 6km Mây 3km Tháng 12/2012 16Apr10hbpcap23.300.20 16Apr15htest.1 16Apr15htest.1.1 16Apr15h35.pc.be.bc.10 18Apr10h03.pc.be.300.20Ms.10 20Apr9h5bepcpmt.300.79 20Apr15h45bepc300.5r.161 20Apr15h45bepc300.5r.161 23AprtestABTr.9h11.500.150om 23AprtestABTr.9h19.300.65 23Apr17.v.b-pc.300.19 Đến: 23Apr17.v.b-pc.300.25 24Apr17h45b.pctr.ABC.300.5 24Apr18h00.t.300.10 24Apr18h05.t.300.100 24Apr18h15.t.1000.250.4 25Apr16h32.to.1000.1 25Apr16h32.to.1000.khuech 30,74% x X2 X2 X2 X2 X2 X2 3.2 Dữ liệu đếm photon kênh tán xạ Raman năm 2012 Ngày đo, đo, số file đo tối đa raman_N2_sep16_22h27.5 raman_N2_sep24_21h50 31Otoh40b300.100 31Otoh40b600.10 4nov2011-03 11Nov19h29testf3mm2 15Nov22h15.532.3 18raman-06 19test1h6780.360.5 19test2h6780.360.2 19test3.350.5 19test3h6780.360.2 19test9h6780.360.2 19test9h6780.360.2 Nhiệt độ Độ ẩm kênh pc Boundary layer, Cirrus Tháng 9/12 23 23 Tháng 10/12 23 23 Tháng 11/12 23 23 23 23 3 3 23 xi Xa tới đâu,Cirrus cloud Raman,17km,532,19km,k Raman,16km,532,20km,15km Raman,17km,532,19km,k Raman,16km,532,20km,15km 7km, k 10km, k 12, k Raman, 532, 17km, 14km 532,18km,13km 532,17,13 532,20,13 532,20,13 532,22,13 532,22,13 25nov-raman-02 1064counting02 raman_N2_sep16_22h27.5 rr10nov2011-10 23 Tháng 12/12 23 23 23 23 2dec2011-06 (Trời trong) 2dec2011-07 11dec2011-01 12dec2011-01 Đểu 1064,10,k Raman,15km, Raman, 18km,532,25km,k? k Raman,18km ,23km,K Raman,17km,532,20km,15km Raman,18km,532,20km,k Raman,18km,532,22km,15km 3.2 Dữ liệu đếm photon hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm số ngày năm 2012 Tiến hành đo đêm từ 20h tới 4h ngày hôm sau Ngày đo, đo, số file đo tối đa 8June20h33.dung.11000.5mm 7June22 4July.21h28 4July.20h33.181HV.11000.may_4Km_Bou ndary layer 4July20h.181HV.10000_may_7km 5July.21h48.163HV.10000 26Sep22h2.143v.12000.may 28Sep23h55may90.000.143 29Sep20h25.143V.ngang.60.000 30Sep21h00.ngang.kmay.145V.30.000 26Aug24h.-13T 03Oct18h20.20 03Oct18h39.200050 05Oct18h10.3000.45o.50 05Oct21h33.3000.45o.441 06Oct18h25.144.3000.313 06Oct22h43.144.3000.1023 10Oct18h09.3000.146V.ngang.nha.1 10Oct18h40.3000.146V.243 13nov03 03Oct18h20.nha.1 19h10.5Nov.dung.30000.1 Nhiệt độ Độ ẩm Boundary layer, Cirrus X X X X Xa tới đâu,Cirrus cloud X X X X X X X X X X X X X X X X X X km xii km ... 129] Trong hoàn cảnh điều kiện nghiên cứu luận án thực với tên gọi: ? ?Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển” Luận án thực với mục đích đối tượng nghiên cứu cụ... lớp mây tới tầng khí vấn 25 đề khí hậu trình hình thành) việc sử dụng kỹ thuật lidar khảo sát đặc trưng quang học lớp mây Ti (đặc trưng phân bố, đặc trưng phân tầng khí quyển, đặc trưng độ sâu... thường quan tâm nghiên cứu là: Độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt Đặc trưng độ sâu quang học Đặc trưng suy hao Đặc trưng tán xạ ngược Đặc trưng tỉ số lidar Đặc trưng khử phân cực Cơ sở lý thuyết chương