Luận án nghiên cứu và phát triển kỹ thuật lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

MỤC LỤC Danh mục hình ………………………………………………………………… … i Danh mục bảng…………………………………………………………………… ….v Mở đầu …………………………………………………………………………………1 Chương Nguyên lí lidar xác định mật độ phân tử, nhiệt độ khí ………….……6 1.1 Nguyên lí chung Lidar…………………………………………………………6 1.2 Khí Trái đất …………………………………………………………………7 1.2.1 Cấu trúc khí ……………………………………………………7 1.2.2 Thành phần khí ………………………………………………10 1.3 Tương tác ánh sáng với khí ……………………………………………10 1.3.1 Tán xạ Rayleigh dập tắt phân tử ………………………………11 1.3.2 Tán xạ Mie dập tắt sol khí …………………………………… 13 1.3.3 Tán xạ Raman phân tử ……………………………………………….14 1.4 Nguyên lí lidar xác định phân bố nhiệt độ ……………………………… … 16 1.4.1 Xác định phân bố nhiệt độ………………………………………………… 16 1.4.2 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Rayleigh ……………………….………18 1.4.2.1 Xác định mật độ phân tử khí …………………………… 18 1.4.2.2 Xác định hệ số tán xạ ngược sol khí ……………………… 20 1.4.3 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Raman ……………………………… 22 1.4.4.1 Xác định mật độ phân tử ………… ………………………… …22 1.4.4.2 Xác định hệ số suy hao sol khí ………………………… … 23 1.4.4 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp ………………24 1.5 Tổng kết chương ……………………………………………………………….…25 Chương Thiết kế xây dựng hệ lidar …………………………………….………… ….27 2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman ……………………………………………….… 27 2.1.1 Mở đầu ………………………………………………………………… 27 2.1.2 Mô tả hoạt động ……………………………………………………… ….30 2.1.3 Đặc trưng ……………………………………………………………… 33 2.1.3.1 Khối phát …………………………………………………… ….33 2.1.3.2 Khối nhận ………………………………………………… … 33 2.1.4 Tối ưu xếp cấu hình hệ lidar ……………………………… …38 2.1.5 Đánh giá độ tin cậy độ ổn định hệ lidar …………………….…….41 2.1.6 Đánh giá tỉ số tín hiệu /nhiễu …………………………………………… 44 2.1.7 Thảo luận ………………………………………….……………… …… 47 2.2 Hệ lidar Rayleigh - Raman ………………………………………….………48 2.2.1 Phát triển module gated-ống nhân quang điện ……………………………48 2.2.1.1 Mở đầu …………………………………………………….….…48 2.2.1.2 Thiết kế hoạt động module gated-PMT ………………….51 2.2.2 Hoạt động đặc trưng hệ lidar Rayleigh - Raman ……………….…55 2.2.3 Các phép đo đánh giá ………………………………………………….….58 2.2.4 Thảo luận ………………………………….………………………… ….65 2.3 Kết luận chương ……………………………………………………………….…66 Chương Xác định phân bố mật độ nhiệt độ khí …………………………… ….…68 3.1 Mở đầu ………………………………………………………………………….….68 3.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh ………………………………………….….70 3.2.1 Xử lý liệu lidar ………………………………………………………70 3.2.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………… 71 3.2.1.2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng ………………………74 3.2.1.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí …………………….80 3.2.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí ……………………………84 3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ lidar Rayleigh …………….……………… 86 3.2.3 Thảo luận ………………………………………….……………… ……88 3.3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman ……………………………………………… 89 3.3.1 Xử lý liệu lidar Raman …………………………………………… 90 3.3.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………… 90 3.3.1.2 Xác định tín hiệu lidar Raman hiệu dụng …………………….…92 3.3.1.3 Xác định mật độ phân tử khí ………………………… …95 3.3.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí ……………………… …99 3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ lidar Raman ……………… ……………101 3.3.2 Thảo luận ……………………………………… ………………… ….103 3.4 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp ………………………… …104 3.4.1 Xử lý liệu lidar đàn hồi-Raman kết hợp ……………………………105 3.4.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ …………………………………… 105 3.4.1.2 Xác định tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng …………………… 107 3.4.1.3 Xác định mật độ phân tử khí ……………………………110 3.4.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí ……………………….…112 3.3.2.5 Phân tích sai số nhiệt độ lidar đàn hồi-Raman kết hợp …….…114 3.4.2 Thảo luận ………………………………………….………………….…116 3.5 Kết luận chương ……………………………………………………………… 116 Chương Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng khí Hà nội ………… …………… 120 4.1 Mở đầu ……………………………………………………………… ……….…120 4.2 Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng tầng đối lưu ……………………………… …121 4.2.1 Cấu trúc đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu…………………………….….121 4.2.2 Mối liên hệ lớp đối lưu hạn mây Ti tầng cao………………… …… 127 4.3 Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng tầng bình lưu khí ………………………128 4.4 Kết luận chương ………………………………………………………… …….131 Kết luận …………………………………………………………………………… 132 Danh mục công trình khoa học cơng bố ……………………………………134 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………… …136 Phụ lục…………………………………………………………………………………i DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ngun lí lidar Hình 1.2 Cấu trúc khí theo độ cao Hình 1.3 Phân bố mật độ zơn bán cầu Bắc Hình 1.4 Sự biến đổi độ cao lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo Hình 1.5 Thành phần khí tính theo thể tích Hình 1.6 Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ phân tử [40] Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ bước sóng 532 Hình 1.7 nm với hạt có bán kính khác , (a): 0.1 µm, (b): µm, (c): 10 µm, (d): 50 µm, (e): 100 µm, (f): 1000 µm Hình 1.8 Phổ tán xạ Raman vài phân tử khí ứng dụng lidar bước sóng 355nm, 532 nm điều kiện áp suất thường nhiệt độ 300 0K Hình 2.1 Cấu trúc hệ lidar Hình 2.2 Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục hệ lidar Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman Hình 2.4 Ảnh chụp hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman hoạt động Hình 2.5 Đặc trưng truyền qua phản xạ DMLP567 Hình 2.6 Đặc trưng FL532-3 nm (a), FL550 nm longpass (b), FL610-10 nm (c) Hình 2.7 Đặc trưng độ nhạy quang cathode độ khuếch đại H6780-20 Hình 2.8 Ảnh module ống nhân quang điện H6780-20 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện (a) ảnh (b) khuếch đại Hình 2.10 Giao diện phần mềm xử lí lưu giữ tín hiệu lidar Hình 2.11 Phân bố hàm chồng chập hệ lidar Raman-đàn hồi kết hợp Hình 2.12 Tín hiệu Raman tích phân 10 phút (a) tín hiệu Raman hiệu chỉnh khoảng cách so với mật độ phân tử Ni tơ từ mơ hình MSISE-90 (b) Hình 2.13 Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách file liên thang lơgarít Hình 1.14 Tín hiệu lidar đàn hồi tích phân 10 phút (a) tín hiệu lidar đàn hồi hiệu chỉnh khoảng cách (logarit) so sánh với mật độ phân tử thám khơng (b) Hình 2.15 Tỉ số tín hiệu /nhiễu với độ phân giải không gian khác tín hiệu lidar đàn hồi (a) lidar Raman (b) tích phân 10 phút Hình 2.16 Tỉ số tín hiệu /nhiễu với độ phân giải thời gian khác tín hiệu lidar đàn hồi (a) tín hiệu lidar Raman (b) với độ phân giải không gian 24 m Hình 2.17 Minh họa hiệu tượng nhiễu sinh tín hiệu ống nhân quang điện Hình 2.18 Sơ đồ khối module gated-ống nhân quang điện Hình 2.19 Sơ đồ mạch điện mạch tách sóng làm trễ Hình 2.20 Sơ đồ mạch phát xung gate mạch chia PMT Hình 2.21 Ảnh module gated-ống nhân quang điện, (a) đơn vị tạo xung gate chia thế, (b) đơn vị tách sóng làm trễ xung nguồn ni Hình 2.22 Sơ đồ khối hệ lidar tích phân nghiên cứu khí tầng cao Hình 2.23 Một phân bố tín hiệu lidar đo hệ lidar Rayleigh-Raman Hình 2.24 Kết phép đo đánh giá ảnh hưởng nhiễu sinh tín hiệu lên module gated-ống nhân quang điện, (a): kết đo trường hợp mây đậm đặc, (b): tín hiệu điểm gate hai kênh Rayleigh Raman kênh Rayleigh nhân lên lần Hình 2.25 Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT Hình 2.26 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách 10 file liên tiếp dùng module gatedPMT Hình 2.27 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu lidar (a) tỉ số tín hiệu /nhiễu (b) vào độ phân giải thời gian lidar Rayleigh với độ phân giải khơng gian 24 m Hình 2.28 Sự phụ thuộc cường độ tín hiệu lidar (trái) tỉ số tín hiệu /nhiễu (phải) vào độ phân giải không gian lidar Rayleigh với độ phân giải thời gian 10 phút Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát thuật giải nhiệt độ khí từ lidar Rayleigh Hình 3.2 Mật độ phân tử ozone (a) hệ số truyền qua vịng khí ozone (b) tọa độ lân cận với Hà nội (nguồn: http://igacoo3.fmi.fi/ACSO/ Hình 3.3 Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách (thang logarithm) (a), độ chênh lệch tín hiệu lidar (b) trước sau hiệu chỉnh hấp thụ zơn Hình 3.4 Tỉ số tán xạ tán xạ tương đối Raer(z) sol khí, sử dụng mật độ mơ hình khí (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar khơng lặp (mầu đỏ) lặp (màu xanh) Hình 3.5 Hệ số truyền qua vịng khí sol khí xác định từ lidar, (đen): sử dụng mật độ mơ hình, (đỏ): sử dụng mật độ lidar không lặp, (xanh): sử dụng mật độ lidar lặp Hình 3.6 Tín hiệu lidar đo (đỏ) tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh): (a), độ lệch tương đối tín hiệu đo tín hiệu lidar hiệu dụng (b) Hình 3.7 Mật độ từ tín hiệu lidar đo (đỏ) tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh) Hình 3.8 Độ lệch mật độ tương đối (theo %) tín hiệu đo hiệu dụng (a), lidar mơ hình (b) Hình 3.9 Sai số mật độ phân tử Rayleigh (a), hệ số truyền qua vòng phân tử T2mol(z) từ tín hiệu lidar Rayleigh (b) Hình 3.10 Phân bố nhiệt độ xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh đo (xanh) từ tín hiệu lidar hiệu dụng (đen) phân bố nhiệt độ mơ hình MSISE-90 (đỏ) Hình 3.11 Ảnh hưởng giá trị nhiệt độ tham khảo lên phân bố nhiệt độ Đường đỏ: nhiệt độ tham khảo ban đầu, xanh cây: ±5%, xanh da trời: ±1% Hình 3.12 Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh sol khí (đỏ), hấp thụ ozone (tím), Tref (xanh da trời), nhiễu (xanh cây) lỗi tổng cộng (đen) Hình 3.13 Sơ đồ tổng quát thuật giải nhiệt độ khí từ tín hiệu lidar Raman Hình 3.14 Mật độ phân tử ozone (a) hệ số truyền qua vịng khí (b) ozone tầng đối lưu Hình 3.15 Hệ số dập tắt sol khí αaer(z) (a) hệ số truyền qua khí vịng sol khí xác định tín hiệu lidar Raman tích phân 1h Hình 3.16 Tín hiệu lidar Raman đo (đỏ) Raman hiệu dụng (xanh) 10 phút: (a), độ lệch tương đối tín hiệu Raman đo hiệu dụng (b) Hình 3.17 Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), đỏ: không lặp, xanh: lặp, đen: thám không vơ tuyến, hệ số truyền qua mơt vịng khí phân tử (b) Hình 3.18 Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ tín hiệu lidar Raman (a), đỏ: đo xanh: hiệu dụng, lỗi mật độ phân tử Ni tơ (b) Hình 3.19 Phân bố mật độ phân tử Ni tơ (a) độ chênh lệch mật độ lidar-thám không từ lidar Raman lúc 22 01 phút ngày 26 tháng năm 2013 Hà nội (b) Hình 3.20 Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) không lặp (đỏ) so sánh với phép đo thám không vô tuyến (đen) Hình 3.21 Phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman đo (đỏ) Raman hiệu dụng (xanh) thám khơng vơ tuyến (đen) Hình 3.22 Sai số nhiệt độ lidar Raman (a) sai số tính theo % (b) Hình 3.23 Tín hiệu lidar từ phép đo lidar đàn hồi-Raman kết hợp, (a) tín hiệu lidar thơ, (b) tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách Hình 3.24 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ tổng quát lidar đàn hồi-Raman kết hợp Hình 3.25 Hệ số tán xạ ngược phân tử, sol khí, tổng cộng (a) tỉ số tán xạ ngược tương đối sol khí Raer(z) (b) Hình 3.26 Hệ số dập tắt (a) hệ số truyền qua vòng sol khí Taer(z) (b) Hình 3.27 Tín hiệu lidar đàn hồi đo hiệu chỉnh sol khí (a), tín hiệu lidar đàn hồi đo hiệu dụng hiệu chỉnh khoảng cách (b) Hình 3.28 Mật độ phân tử khí từ tín hiệu lidar (a), lỗi mật độ (b) Hình 3.29 Độ chênh lệch mật độ phân tử lặp không lặp(a) lidar thám không vào 20 10 phút ngày tháng 12 năm 2011 Hà nội Hình 3.30 Phân bố nhiệt độ khí từ tín hiệu lidar kết hợp đàn hồi-Raman Hình 3.31 Độ chênh lệch nhiệt độ tương đối dùng phương pháp lặp không lặp (a), lidar thám khơng (b) Hình 3.31 Sai số nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman (a) sai số nhiệt độ tính theo % (b) Hình 4.1 Phân bố nhiệt độ sai số nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman vào 20 10 phút ngày tháng 12 năm 2011 Hà nội Hình 4.2 Một số phân bố nhiệt độ tháng 12 năm 2011 từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman với ngày cho hình Hình 4.3 Một số phân bố nhiệt độ vào mùa hè Hà nội năm 2012 như: 25 tháng 16 tháng 5, vào mùa thu như: 31 tháng 10 12 tháng 11 Hình 4.4 Một số phân bố nhiệt độ tháng năm 2013 từ lidar Raman (a): ngày 8/6, (b): ngày 12 /6, (c): ngày 19 /6, (d): ngày 26 /6 Hình 4.5 Phân bố nhiệt độ sai số từ lidar Raman vào ngày 26 tháng năm 2013 Hà nội Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ phân bố cường độ tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách (thang ln) cho thấy mối liên hệ lớp đối lưu hạn lớp mây Ti tầng cao Hình 4.7 Phân bố nhiệt độ sai số từ lidar Rayleigh Hà nội ngày 26/6/2013 Hình 4.8 Một số phân bố nhiệt độ tháng 6/2013 từ lidar Rayleigh (a): 20 h 55 phút ngày 8, (b): 23 17 phút ngày 12, 21 13 phút ngày 19, 22 01 phút ngày 26 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Sự phân tầng khí [46] Bảng 2.1 Các thơng số laser Nd:YAG @ 532 nm [69] Bảng 2.2 Một vài thơng số ống nhân quang điện H6780-20 [20] Bảng 2.3 Các thơng số oscilloscopes picoscope 5204 [19] Bảng 2.4 Các thơng số hệ lidar đàn hồi-Raman kết hợp Bảng 2.5 Đặc trưng kỹ thuật hệ lidar Rayleigh-Raman Bảng 2.6 So sánh hệ lidar Rayleigh-Raman Việt Nam với số hệ lidar khác 80 Pavlo A Molchanov, Vincent M.Contarino, Brian M Concannon, Olha V.Asmolova, Yulia Y Podobna (2006), “Nanosecond Gated PMT for LIDAR-RADAR Applications”, Proc of SPIE, Vol 6294, 62940H (1-10) 81 Philip B Russel, Thomas J Swissier, and M Pattick Mc Cormick (1979), “Methodology for error analysis and simulation of lidar aerosol measurements”, Applied Optics 18 (22), pp 3783-3797 82 Philippe Keckhut, M L Chanin, and A Hauchecorne (1990), “Stratosphere temperature measurement using Raman lidar”, Applied Optics 29 (34), pp 5182-5186 83 Ravil Agishev, Barry Gross, Fred Moshary, Alexander Gilerson, Samir Ahmed (2006), “Simple approach to predict APD/PMT lidar detector performance under sky background using dimensionless parametrization”, Optics and Lasers in Engineering 44, pp 779–796 84 Robert Schwarz (2002), Development of a Lidar for measuring the atmospheric transmission for GeV-TeV  astronomy with the 17 m MAGIC telescope, Diplomat thesis, Max Planck Institute for Physics 85 Savitzky, A., and M J E Golay (1964), “Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures”, Anal Chem 36(8), pp 1627-& 86 Sica, R J., Z A Zylawy, and P S Argall (2001), “Ơ zơn Corrections for Rayleigh-Scatter Temperature Determinations in the Middle Atmosphere”, J.Atmos.Ocean Tech 18(7), pp 1223-1228 87 Sica, R J., Z A Zylawy, and P S Argall (2001), “Ozone Corrections for Rayleigh-Scatter Temperature Determinations in the Middle Atmosphere”, J.Atmos.Ocean Tech., 18 (7), pp 1223-1228 88 Su, J., Wu, Y., McCormick, M P., Lei, L., & Lee III, R B (2014) “Improved method to retrieve aerosol optical properties from combined elastic backscatter and Raman lidar data”, Applied Physics B, 116(1), pp 61-67 144 89 T Shibata, M Kobuchi, M Maeda (1986), “Measurements of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar”, Applied Optics 25, pp 685-688 90 Takashi Fujii, Tetsuo Fukuchi (2005), Laser remote sensing, Taylor & Francis, Boca Raton 91 Tetsuo Iwata, Tsuyoshi Takasu, Tsuyoshi Miyata, Tsutomu Araki (2002), “Combination of a gated photomultiplier tube and a phase sensitive detector for use in an intensive pulsed background light situation”, Optical Review (1), pp 18-24 92 Theopold, F A., and J Bösenberg (1993), “Differential absorption lidar measurements of atmospheric temperature profiles: Theory and experiment”, J Atmos Ocean Technol 10, pp 165-179 93 Tuan Nguyen Xuan, Hai Bui Van, Trung Dinh Van (2014), “Normally offgated photomultiplier tube module in photon-counting mode for use in lidght detection and ranging measurements”, Applied Remote Sensing, Vol 8, pp 083536-1- 083536-8, DOI:10.1117/1.JRS.8 083536 94 Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA 95 Uchino Osamu, Mc Cormick, M Patrick, Swissler, Thomas J (1986), “Temperature retrievals by Rayleigh backscatter lidar signals”, Applied Optics 25 (17), pp 2868-2870 96 Ulla Wandinger and Albert Ansmann (2002), “Experimental determination of the lidar overlap profile with Raman lidar”, Applied Optics 41 (3), pp 511514 97 V A Kovalev (2003), “Stable near-end solution of the lidar equation for clear atmospheres,” Applied Optics 42 (3), pp 585-591 98 V A Kovalev, W M.Hao, C Wold, and M Adam (2007), “Experimental method for the examination of systematic distortions in lidar data”, Applied Optics 46, pp 6710-6718 145 99 Valery Shcherbakov (2007), “Regularized algorithm for Raman lidar data processing”, Applied Optics 46 (2), pp 4879-4889 100 Vladimir A Kovalev (2015), Solution in LIDAR profiling of the atmosphere, John Wiley & Sons Inc., New Jersey 101 Vladimir A Kovalev, William E Eichinger (2004), Elastic Lidar, Theory, Practice, and Analysis Methods, John Wiley & Sons Inc., New Jersey 102 W N Chen, C C Tsao, J B Nee (2004), “Rayleigh lidar temperature measurements in the upper troposphere and lower stratosphere”, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 66, pp 39–49 103 Whiteman, David N (2003), “Examination of the traditional Raman lidar technique I Evaluating the temperature-dependent lidar equations”, Applied Optics 42 (15), pp 2571-2592, 104 Wolfram Hergert, Thomas Wriedt (2012), The Mie Theory: Basics and Applications, Springer, New York 105 Wei Gong, Wang, W., Mao, F., & Zhang, J (2015) “Improved method for retrieving the aerosol optical properties without the numerical derivative for Raman–Mie lidar”, Optics Communications, 349, pp 145-150 106 Y.B Acharya, A Jayaraman (2006), “Optimized signal to noise ratio of a PMT based detector system in Mie-Lidar”, Measurement 39, pp 51–56 107 Y.B Acharya, S Sharma, H Chandra (2004), “Signal induced noise in PMT detection of lidar signals”, Measurement 35, pp 269-276 108 Yasuhiro Sasano, Edward V Browell, and Syed Ismail (1985), “Error caused by using a constant extinction/backscattering ratio in the lidar solution”, Applied Optic 24, pp 3929-3932 109 Yiyun Y Gu, Chester S Gardner, Paul A Castleberg, George C Papen, and Micheal C Kelley (1997), “Validation of the Lidar in space technology experiment: stratospheric tempaerature and aerosol measurements”, Applied Optics 36 (21), pp 5148-5157 146 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Chương trình ghi nhận tín hiệu lidar chế độ đếm photon phát triển môi trường labview 1.1 Giao diện chương trình 1.2 Module live 1.3 module vẽ số liệu i 1.4 module chuyển đổi số liệu 1.5 module lưu số liệu ii 1.6 Module đếm photon Phụ lục 2: Chương trình xác định phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Rayleigh 2.1 hàm xử lí tín hiệu lidar để thu tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách function [zo,po,dpo] = gate_rayleigh_1h(A,sm1,sm2,sm3,b,smax) iii t = A(:,1); c = 3*1e+8;z0 = 1/2*c*t*1e-12; p0 = A(:,2);n0 = length(p0);tr = 5; tri = round(tr*n0/100);k = 1; for i = tri:1:n0 z1(k) = z0(i)-z0(tri); p1(k) = p0(i); k = k+1; end n1 = length(p1);st1 = round(n1/10); for i =1:1:st1 if p1(i)>0 p1(i) = 0; end end ma1 = max(p1); for i = 1:1:n1 if p1(i)==ma1 st2 = i; break end end for i = 1:1:st2 if p1(i)>0 p1(i) = 0; end end vi = 200;st3 = vi+st2; for i = 1:1:st3-1 if p1(i)>0 p1(i) = 0; end end display('gate height [km]') zgate = z1(st3) p2 = p1(st3:n1);z2 = z1(st3:n1);n2 = length(p2); p2 = smooth(p2,sm1,'loess'); k = 1; for i = 1:b:n2-b dc = 0; cd = 0; for j = i:1:i+b-1 dc = dc + z2(j); cd = cd + p2(j); end z3(k) = 2*dc/b - z2(i); p3(k) = cd; k = k+1; end n3 = length(p3);bg = mean(p0(0.95*n0:n0));p4 = p3-bg;p5 = smooth(p4,sm2,'loess'); snr = p5./sqrt(p5+2*bg);snr = smooth(snr,21); for i = 1:n3 if snr(i)10 d1 = d2; mdref1 = d1(n2); tmol1 = (8*pi/3)*sg*d1; tl1 = cumsum(tmol1*dz); Tr1 = exp(-2*tl1); C2 = (mdref1*Tr1(n2))/poref; d2 = C2*(p1./Tr1); dmax = max(abs(d1-d2)); num = num+1; end bt2 = sg*d2;F2(n2) = 0; for i = n2:-1:2 F2(i-1) = ((la(i-1)-lm).*bt2(i-1)+(la(i)-lm).*bt2(i))*dz; end num2(n2) = 1; for i = n2:-1:2 num2(i-1) = (po(i-1).*exp(F2(i-1))); vi end ba2(n2) = bt2(n2); for i = n2:-1:2 ba2(i-1) = num2(i-1)./(po(i)./ba2(i)+(la(i).*po(i)+la(i-1).*po(i-1).*exp(F2(i-1)))*dz); end R2 = ba2./bt2;baer2 = ba2-bt2;ea2 = la(1)*baer2;ael2 = cumsum(ea2);T2 = exp(-2*ael2); R01 = R1; R02 = R2; T01 = T1; T02 = T2;Rmax = max(abs(R01-R02)); Tmax = max(abs(T01-T02));p2 = po./(R02.*T02);num = 0; while (Rmax>1e-4)&(Tmax>1e-4) R01 = R02; T01 = T02; d2ref = d2(n2); p2ref = p2(n2); tmol2 = (8*pi/3)*sg*d2; tl2 = cumsum(tmol2*dz); Tr3 = exp(-2*tl2); C3 = (d2ref/p2ref)*Tr3(n2); d3 = C3*(p2./Tr3); bt3 = sg*d3; F3(n2) = 0; for i = n2:-1:2 F3(i-1) = ((la(i-1)-lm).*bt3(i-1)+(la(i)-lm).*bt3(i))*dz; end num3(n2) = 1; for i = n2:-1:2 num3(i-1) = (po(i-1).*exp(F3(i-1))); end ba3(n2) = bt3(n2); for i = n2:-1:2 ba3(i-1) = num3(i-1)./(po(i)./ba3(i)+(la(i).*po(i)+la(i-1).*po(i-1).*exp(F3(i-1)))*dz); end R02 = ba3./bt3; baer3 = ba3-bt3; ea3 = la(1)*baer3; ael3 = cumsum(ea3); T02 = exp(-2*ael3); Rmax = max(abs(R01-R02)); Tmax = max(abs(T01-T02)); num = num+1; end Rm = R1; Tm = T1; Rni = R2; Tni = T2; Ri = R02; Ti = T02; 2.4 Hàm xác định mật độ phân tử khí function [d0,d2] = density_Rayleigh_1h(B,z0,p0) za = B(:,1);mda = B(:,3)+B(:,4); n0= length(p0); for i = 1:1:n0 md(i) = interp1(za,mda,z0(i),'linear'); end zr = 40; %referenece height% for i = 1:1:n0 if z0(i)>=zr vt = i; break end end mdref = mean(md(vt-3:vt+3));p0ref = mean(p0(vt-3:vt+3));sigma = 6.23*(1e-28; dz0 = (z0(2)-z0(1))*1e+5;C1 = mdref/p0ref;d0 = C1*p0; tmol2 = (8*pi/3)*sigma*d0;tl2 = cumsum(tmol2*dz0);Tr2 = exp(-2*tl2);C2 = (d0(vt)/p0ref)*Tr2(vt);d01 = C2*(p0./Tr2); d1 = d0; d2 = d01;dmax = max(abs(d1-d2)); num = 0; vii while dmax>10 d1 = d2; tmol3 = (8*pi/3)*sigma*d1; tl3 = cumsum(tmol3*dz0); Tr3 = exp(-2*tl3); C3 = (d01(vt)*Tr3(vt))/p0ref; d2 = C3*(p0./Tr3); dmax = max(abs(d1-d2)); num = num+1; end 2.5 Hàm xác định nhiệt độ function [T] = tem_Rayleigh(amt,z0,d0,Tref) n0 = length(d0);za = amt(:,1);Ta = amt(:,6); for i = 1:1:n0 Ta0(i) = interp1(za,Ta,z0(i),'linear'); end G = 6.67*1e-11; ME = 5.9737*1e+24; R = 6384*1e+3; for i = n0:-1:2 dz0(i) = ((z0(i)+z0(i-1))/2)*1e+3; %dz0 [m]% end dz0(1) = dz0(2); for i = n0:-1:1 g(i) = G*ME/((R+dz0(i))^2);%gravity accelation% end %second factor% for i = n0:-1:2 ts(i-1) = (d0(i)./d0(i-1))-1; end for i = n0:-1:2 ms(i-1) = log(d0(i)./d0(i-1)); end for i = n0-1:-1:1 tp(i) = ts(i)./ms(i); end M = 28.95949*1e-3; Rg = 8.3144;dz = (z0(3)-z0(2))*1e+3;T(n0) = Tref; for i = n0:-1:2 T(i-1) = (d0(i)./d0(i-1)).*T(i)+(M/Rg)*(dz)*g(i-1).*tp(i-1); end Phụ lục 3: Chương trình xác định phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman 3.1 hàm xử lí tín hiệu lidar để thu tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách function [zo,po,mdn] = gate_raman_tem_1h(A,sm,b,radio,smax) t = A(:,1); c = 3*1e+8; z0 = 1/2*c*t*1e-12;p0 = A(:,3); n0 = length(p0);tr = 5; trigger = round(tr/100*n0);k=1; for i = trigger:1:n0; z1(k) = z0(i)-z0(trigger); p1(k) = p0(i); k = k+1; end n1 = length(p1);n1n = round((1/5)*n1);mean1 = mean(p1(0.9*n1:n1)); viii max1 = max(p1(n1n:n1)); for i = n1n:1:n1 if p1(i)== max1 m1 = i; break end end for i = m1:-1:n1n if p1(i)