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

 BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học PGS. TS. ĐINH VĂN TRUNG GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG  BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Đinh Văn Trung thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Thầy là tấm gương và là người định hướng cho tôi trong chuyên môn khi tôi tham gia học tập và nghiên cứu tại Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũng như thời gian học tập tiếp sau này. Tôi cũng muốn được gửi lời cảm ơn tới các cô, các chú, các anh, các chị và toàn thể các bạn trong Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp và Phòng Sau đại học của Viện Vật lý đã dành cho tôi những tình cảm chân thành cùng sự giúp đỡ tốt nhất để tôi được học tập, trao đổi công việc và chia sẻ cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn Tác giả B

BỘ GIÁODỤC VIỆNHÀNLÂM VÀĐÀOTẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAMVIỆNVẬT LÝ  BÙIVĂNHẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNGVẬTLÝCỦA SON KHÍTRONGTẦNGKHÍQUYỂN LUẬNÁNTIẾNSỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang họcMãsố: 62 44 11 01 Ngườihướngdẫnkhoahọc HàNội 2014 BỘ GIÁODỤC VIỆNHÀNLÂM VÀĐÀOTẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT PGS.TS NAMVIỆNVẬT LÝ ĐINH VĂN TRUNGGS.TS NGUYỄNĐẠIHƯNG HàNội 2014 BỘ GIÁODỤC VIỆNHÀNLÂM VÀĐÀOTẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAMVIỆNVẬT LÝ  BÙIVĂNHẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNGVẬTLÝCỦA SONKHÍTRONGTẦNGKHÍQUYỂN LUẬNÁNTIẾNSỸVẬTLÝ HàNội.2014 LỜICẢMƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Đinh Văn Trung thầy đãhướngd ẫ n , g i ú p đ ỡ v c h o t ô i m ộ t k h ô n g g i a n l m v i ệ c c h u y ê n n g h i ệ p t r o n g suốtqtrìnhthựchiệnluậnán Tơi xin bày tỏ kính trọng tới GS TS Nguyễn Đại Hưng Thầy tấmgương người định hướng cho chuyên môn tham gia học tậpvà nghiên cứu Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũngnhưthờigianhọctậptiếpsaunày Tôi muốn gửi lờic ả m n t i c c c ô , c c c h ú , c c a n h , c c c h ị toàn thể bạn Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹthuật, Phòng Quản lý Tổng hợp Phòng Sau đại học Viện Vật lý dànhcho tơi tình cảm chân thành giúp đỡ tốt để học tập,trao đổicôngviệcvà chia sẻcuộc sống Xin chân thành cảmơn! Tác giả BùiVănHải Lờicamđoan Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lýcủa son khí tầng khí quyển” thực Trung tâm Điện tử họclượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam sựhướngdẫn củaPGS.TS.Đinh Văn TrungvàGS.TS.Nguyễn Đại Hưng Tôi xin cam đoan kết làm việc Nhóm lidar cá nhân tácgiả hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung Các số liệu kếtquả nêu luận án trung thực chưa công bố trước vàngoài nước Tác giả BùiVăn Hải MỤCLỤC Danh mụccáckýhiệu,chữviếttắtvàtiếng Anh i Danhm ụ c c c đ t h ị v h ì n h v ẽ ii Danhmụccácbảngbiểu viii Mởđ ầ u ChươngI Cơsởlýthuyếtkhảosátcácđặctrưngvậtlýcủasonkhítrongkhíquyểntráiđ ấ t 1.1.Khíquyểntráiđất 1.1.1.Cấutrúckhíquyển 6 1.1.2.S o n k h í t ầ n g t h ấ p 11 1.1.2.1.Lớpsonkhíbềmặt 13 1.1.2.2.Lớpsonkh ítựd o tầngthấp 16 1.1.2.3.Vaitròcủa son khítầngthấp 16 1.1.2.4.Cácđặctrưngcơbảncủalớpsonkhítầngthấp 24 1.1.3.M â y T i t ầ n g c a o 24 1.1.3.1.CơchếhìnhthànhmâyTi 24 1.1.3.2.VaitrịcủamâyTiđốivớikhíquyểntầngđốilưu 32 1.1.3.3.Cácđặctrưng cơbảncủamâyTi 33 1.1.3.4.K ỹthuậtkhảos t m â y Ti 34 1.2.Cáckỹthuậtquantrắckhíquyển 35 1.3.Kỹthuậtlidar 37 1.3.1.N gu yên lý c ấu tạ o h ệ lid a r 37 1.3.2.Tương táccủabứcxạvớikhí 42 1.3.2.1.L ýt h u y ế t t n x ạR a y le ig h 43 1.3.2.2.L ýt h u y ế t t n x M ie 48 1.3.2.3.L ýt h u y ế t t n x R a m a n 55 1.4.KếtluậnchươngI 61 ChươngII Kỹt h u ậ t v h ệ đ o l i d a r 63 2.1.Hệlidar 63 2.1.1.H ệ l i d a r n h i ề u b c s ó n g 63 2.1.1.1.Khốiphát 63 2.1.1.2.Khốithu 64 2.1.2.H ệ l i d a r s d ụ n g l a s e r d i o d e 2.1.2.1.Khốiphát 2.1.2.2.Khốithu 2.1.3.Đ ầ u t h u q u a n g đ i ệ n c h o h ệ l i d a r 2.1.3.1.Đầuthunhânquangđiện (PMT) 2.1.3.2.Đầuthuphotodiodetháclũ(APD) 2.2.K ỹ thuậtđotínhiệulidar 67 71 77 81 81 85 88 88 89 2.2.1.Kỹthuậtđotương tự 93 2.2.2.Kỹthuậtđếmphoton 94 2.3.P h n g t r ì n h l i d a r 2.4.X l ý t í n h i ệ u l i d a r 2.4.1.C h u ẩ n h ó a t í n h i ệ u 94 98 104 105 106 2.4.2 Xác địnhhàmchồngchậpđặctrưngcủahệlidar 107 2.4.3 Xác địnhđộ cao đỉnhlớp sonkhí bề mặt vàlớp mâyTitầngcao 108 2.4.4 Xác địnhđộsâuquanghọccủason khí phânbốtrongkhí 108 2.4.5 Xácđịnhhệ sốsuyhaotrựctiếptừtínhiệulidarRaman 109 2.4.6 Xácđịnhhệsốtánxạngượccủasonkhítừ tínhiệulidar đànhồi 2.5.Kếtluậnc hươngII 2.4.7.X c đ ị n h t ỉ s ố l i d a r đ ặ c t r n g c ủ a s o n k h í 2.4.8.X c đ ị n h t ỉ s ố k h p h â n c ự c c ủ a s o n k h í 2.4.9.Đ n h g i s a i s ố c ủ a c c t h ô n g s ố đ ặ c t r n g ChươngIII Quantrắccácđặctrưngvậtlýcủalớpsonkhítầngthấp 3.1.Xácđịnhđộcaođỉnhlớpsonkhíbềmặt 3.1.1.B ằ n g h ệ l i d a r s d ụ n g l a s e r N d : Y A G 3.1.2.B ằ n g hệlidarsửdụnglaserdiode 114 114 115 3.2.Q uantrắ csự t h a y đổiđ ộ cao đ ỉ n h lớ psonk h í bềm ặ t 118 3.2.1.B ằ n g h ệ l i d a r s d ụ n g l a s e r N d : Y A G 118 3.2.2.Bằnghệlidarsửdụnglaserdiode 120 3.2.3.Đánhgiákếtquảđocủahệlidarsửdụnglaserdiode 122 3.3.Đặctrưngđộsâu quanghọc 123 3.4.Đặctrưngsuyhao 3.5.Đ ặ c t r n g t n x n g ợ c 124 3.6.Đặctrưngtỉsốlidar 126 3.7.K ế t l u ậ n c h n g I I I 128 125 ChươngIV Quantrắc cácđặctrưngvậtlýcủamâyTitầngcao 129 4.1.Đặctrưngphânbốkhônggian 4.1.1.B ằ n g h ệ l i d a r s d ụ n g l a s e r N d : Y A G 129 4.1.2.Bằnghệlidarsửdụnglaserdiode 139 4.2.Đặctrưngđộsâu quanghọc 141 4.3.Đ ặ c t r n g t n x n g ợ c 142 4.4.Đ ặ c t r n g k h p h â n c ự c 144 4.5.KếtluậnchươngIV 146 KẾTL U Ậ N DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNHKHOAHỌCĐÃCƠNGBỐ 148 TÀIL I Ệ U T H A M K H Ả O PHỤLỤC 152 129 150 i Danhmụccáckýhiệu,chữviếttắtvà tiếng Anh Kýhiệu