NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LIDAR TRONG VIỆC PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐẶC TÍNH CỦA BỤI KHÍ QUYỂN - Full 10 điểm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠ I H ỌC SƯ PHẠ M THÀNH PH Ố H Ồ CHÍ MINH KHOA V Ậ T LÝ LÊ QUANG CHÂU NGHIÊN C Ứ U K Ỹ THU Ậ T LIDAR TRONG VI ỆC PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐẶ C TÍNH C Ủ A B Ụ I KHÍ QUY Ể N Ngành : Sư phạ m V ậ t Lý Mã s ố : 102 Giáo viên hướ ng d ẫ n TS Cao Anh Tu ấ n Thành ph ố H ồ Chí Minh 2013 MỤC LỤC M Ụ C L Ụ C 1 Danh m ụ c ký hi ệ u và ch ữ vi ế t t ắ t 5 Danh m ụ c b ả ng bi ểu và sơ đồ 8 Danh m ụ c hình v ẽ và bi ểu đồ 9 PH Ầ N M Ở ĐẦ U 11 PH Ầ N T Ổ NG QUAN 14 Chương 1 NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘ NG VÀ Ứ NG D Ụ NG K Ỹ THU Ậ T LIDAR 16 1 1 Nguyên lý ho ạt độ ng 16 1 2 Đo vậ n t ố c ánh sáng 17 1 2 1 Sơ đồ kh ố i 17 1 2 2 Ho ạt độ ng 17 1 2 3 D ụ ng c ụ thí nghi ệ m 18 1 3 V ẽ đị a hình tr ắc đị a 21 1 3 1 T ổ ng quát 22 1 3 2 Nguyên lý ho ạt độ ng 23 1 4 Kh ả o sát phân b ố r ừ ng 27 1 5 H ệ LIDAR kh ả o sát b ụ i khí quy ể n 28 1 5 1 D ụ ng c ụ 28 1 5 2 Nguyên lý ho ạt độ ng 30 Chương 2 B Ụ I KHÍ QUY Ể N 32 2 1 Các h ạ t sol khí trong khí quy ể n 32 2 2 Các lo ại sol khí tác độ ng m ạ nh t ớ i h ệ th ố ng khí h ậ u c ủa Trái đấ t 33 2 2 1 Sol khí núi l ử a 33 2 2 2 B ụ i sa m ạ c 34 2 2 3 Sol khí t ạ o b ởi con ngườ i 35 2 2 4 M ục đích củ a nghiên c ứ u Sol khí c ủ a khí quy ể n 36 2 2 4 1 Sol khí tác độ ng lên h ệ th ố ng khí h ậu trái đấ t 36 2 2 4 2 Tác độ ng c ủ a Sol khí lên nhi ệt độ b ề m ặ t 37 2 2 4 3 Tác độ ng c ủ a Sol khí lên mây và giáng th ủ y 37 2 2 4 4 Tác độ ng c ủ a Sol khí đến năng lượ ng b ứ c x ạ m ặ t tr ời đế n b ề m ặt trái đấ t 38 2 2 4 5 Tác độ ng c ủa Sol khí đến hoàn lưu khí quyể n 39 Chương 3 LÝ THUY Ế T LIDAR DÙNG CHO NGHIÊN C Ứ U SOL KHÍ 40 3 1 Lý thuy ế t tán x ạ 40 3 1 1 Hi ện tượ ng suy gi ảm cường độ 40 3 1 2 Ph ổ suy gi ảm cường độ 40 3 2 Tương tác củ a b ứ c x ạ laser v ới môi trườ ng khí quy ể n 40 3 2 1 Quá trình h ấ p th ụ 40 3 2 2 S ự tán x ạ ánh sáng 41 3 3 Phân lo ạ i các hi ện tượ ng tán x ạ 42 3 3 1 Hi ệ u ứ ng tán x ạ phân t ử 42 3 3 2 Hi ệ u ứ ng tán x ạ Raman 43 3 3 3 Tán x ạ Rayleigh 43 3 3 4 Hi ệ u ứ ng tán x ạ Mie 44 3 3 5 Tán x ạ quang h ọ c b ở i sol khí 45 3 4 LIDAR tán x ạ ngược đàn hồ i 47 3 5 LIDAR Raman và LIDAR quang ph ổ độ phân gi ả i cao (HSRL) 51 3 6 Xác đị nh s ự phân b ố , bán kính hi ệ u d ụ ng và m ật độ c ủ a h ạ t trong khí quy ể n 57 Ch ương 4 Ứ NG D Ụ NG K Ỹ THU Ậ T LIDAR 59 4 1 Phương pháp áp dụ ng 59 4 2 LIDAR tán x ạ đàn hồ i 61 4 2 1 Sơ đồ kh ố i 61 4 2 2 Phương trình sử d ụ ng 62 4 3 LIDAR RAMAN 63 4 3 1 Sơ đồ kh ố i 63 4 3 2 Phương trình sử d ụ ng 63 4 4 LIDAR hai chùm tia 65 4 4 1 Sơ đồ kh ố i 65 4 4 2 Phương trình sử d ụ ng 65 4 5 S ố li ệu thu đượ c 67 4 6 H ệ th ố ng m ạ ng LIDAR ở Châu Âu EARLINET-ASOS 70 K Ế T LU Ậ N 72 KI Ế N NGH Ị V Ề NH Ữ NG NGHIÊN C Ứ U TI Ế P THEO 73 TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O 74 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Filter : B ộ l ọ c ADC : B ộ chuy ể n tín hi ệ u quang sang tín hi ệ u s ố MVT : Máy vi tính C : v ậ n t ố c ánh sáng λ : bướ c sóng ánh sáng β : góc nghiêng máy bay γ : góc l ệ ch máy bay ω : góc xoay máy bay DEM : mô hình s ố độ cao DSM : mô hình s ố b ề m ặ t A : ma tr ậ n chuy ể n v ị 0 ( ) I λ : cường độ chùm tia t ớ i I( λ) : cường độ chùm sáng thu ( ) D λ : ph ổ suy gi ảm cường độ a μ : h ệ s ố h ấ p th ụ dài aer α : h ệ s ố suy gi ả m c ủ a h ạ t mol α : h ệ s ố suy gi ả m c ủ a phân t ử K θ : h ệ s ố tán x ạ ánh sáng dướ i góc tán x ạ θ aer K : h ệ s ố tán x ạ ngượ c c ủ a h ạ t mol K : h ệ s ố tán x ạ ngượ c c ủ a phân t ử V : th ể tích tán x ạ R : kho ả ng cách t ừ th ể tích tán x ạ t ới điể m quan sát k : h ằ ng s ố Bolztmann T : nhi ệt độ tuy ệt đố i δ : h ệ s ố nén độ ng h ọ c c ủ a v ậ t ch ất môi trườ ng ρ : m ật độ môi trườ ng n : chi ế t su ất môi trườ ng n aer : chi ế t su ấ t c ủ a h ạ t ν : t ầ n s ố ánh sáng N 0 : m ật độ h ạ t r : bán kính h ạ t m : chi ế t su ấ t ph ứ c aer Q (r,m, λ) : hi ệ u su ấ t tán x ạ trên m ộ t h ạ t N(r) : hàm phân b ố h ạ t theo bán kính n(r) : hàm m ật độ h ạ t theo bán kính σ : độ l ệ ch chu ẩ n c ủ a hàm phân b ố P(R) : tín hi ệ u LIDAR thu đượ c t ừ hi ện tượ ng tán x ạ 0 E : năng lượ ng phát xung laser L η : h ằ ng s ố LIDAR O(R) : hàm Overlap sr : đơn vị c ủ a góc kh ố i 1 sr = 1 m 2 1 m -2 = 1 S(R) : bi ế n hi ệ u ch ỉ nh tín hi ệ u LIDAR theo kho ả ng cách ( ) aer L R : t ỉ l ệ LIDAR HSRL : LIDAR quang ph ố độ phân gi ả i cao GPS : H ệ th ống xác đị nh v ị trí b ằ ng v ệ tinh nhân t ạ o Danh mục bảng biểu và sơ đồ Sơ đồ 1 1 M ộ t h ệ LIDAR đơn giả n 15 Sơ đồ 1 2 Thí nghi ệm đo vậ n t ố c ánh sáng b ằ ng xung ph ả n x ạ 16 Sơ đồ 1 3 Ho ạt độ ng c ủ a H ệ th ố ng tr ắc đị a b ằ ng k ỹ thu ậ t LIDAR 23 Sơ đồ 1 4 H ệ LIDAR kháo sát thành ph ầ n khí quy ể n 27 B ả ng 3 1 T ỉ l ệ LIDAR c ủ a các lo ạ i sol khí khác nhau được đo bằng phương pháp LIDAR Raman ở bướ c sóng 532 nm 50 Sơ đồ 4 1 Sơ đồ kh ố i h ệ LIDAR tán x ạ đàn hồi ngượ c 61 Sơ đồ 4 2 Sơ đồ kh ố i h ệ LIDAR Raman 63 Sơ đồ 4 3 Sơ đồ kh ố i h ệ LIDAR hai chùm tia 65 Danh mục hình vẽ và biểu đồ Hình 1 1 Dao độ ng kí âm c ự c 18 Hình 1 2 Máy phát xung laser 18 Hình 1 3 Th ấ u kính h ộ i t ụ 19 Hình 1 4 Gương phả n x ạ 19 Hình 1 5 Thí nghi ệm đo vậ n t ố c ánh sáng 20 Hình 1 6 H ệ LIDAR v ẽ tr ắc đị a 20 Hình 1 7 Máy bay tr ắc đị a b ằ ng công ngh ệ LIDAR 22 Hình 1 8 Kh ả o sát phân b ố r ừ ng 26 Hình 1 9 Các d ụ ng c ụ trong h ệ LIDAR kh ả o sát khí quy ể n 28 Hình 1 10 Máy vi tính x ử lý và phân tích tín hi ệ u LIDAR 29 Hình 1 11 Mô hình LIDAR mini 30 Hình 2 1 H ạ t sol khí khác nhau trong khí quy ể n 31 Hình 2 2 Núi l ử a Pinatubo phun trào 33 Hình 2 3 V ị trí phân b ố các h ạ t sol khí ở đô thị 35 Hìn h 3 1 Cường độ ánh sáng tán x ạ ph ụ thu ộ c vào góc tán x ạ trong tán x ạ Rayleigh 43 Hình 3 2 Cường độ sáng ph ụ thu ộ c vào góc tán x ạ trong tán x ạ Mie 44 Hình 4 1 H ệ s ố tán x ạ ngượ c và h ệ s ố suy gi ảm đo tại Nghĩa Đô, Hà Nộ i 67 Hình 4 2 H ệ s ố tán x ạ ngượ c, h ệ s ố suy gi ả m và t ỉ l ệ LIDAR đo đượ c ở Ấn Độ dương 67 Hình 4 3 Các thông s ố c ủa sol khí được đo vào ngày 04/04/1992 68 Hình 4 4 M ật độ sol khí thay đổ i theo th ờ i gian 69 PHẦN MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI Công ngh ệ Laser đượ c ứ ng d ụ ng vào các ngành k ỹ thu ậ t t ừ nh ững năm 60 c ủ a th ế k ỷ trướ c, trong tr ắc địa đượ c áp d ụng để đo khoả ng cách b ằng các máy đo dài cho độ chính xác t ớ i m ứ c centimeter Cùng v ớ i th ờ i gian s ự phát tri ển vượ t b ậ c c ủ a công ngh ệ đị nh v ị v ệ tinh và công ngh ệ s ố , công ngh ệ Laser đã có những bước độ t phá c ả v ề thi ế t b ị và công ngh ệ T ớ i nh ững năm cuố i c ủ a th ế k ỷ trướ c và nh ững năm đầ u c ủ a th ế k ỷ 21, công ngh ệ LIDAR (Light Detecting and Ranging) hay còn g ọ i là công ngh ệ đo vẽ Laser đã phát triể n m ạ nh m ẽ và đượ c áp d ụ ng r ộ ng rãi m ộ t cách r ấ t hi ệ u qu ả trong công tác kh ảo sát đị a hình, l ậ p b ản đồ không gian 3D và nhi ề u ứ ng d ụ ng khác LIDAR bao g ồm các phương pháp công ngh ệ tiên ti ến trong lĩnh vực đị nh v ị v ệ tinh, laser và ả nh s ố đượ c k ế t h ợ p v ới nhau để xác đị nh chính xác b ề m ặt đị a hình c ủa trái đất và các đị a v ậ t trên nó trong m ộ t h ệ t ọa độ không gian th ố ng nh ấ t B ụ i khí quy ể n còn g ọ i là Sol khí đóng vai trò qua n tr ọ ng trong nhi ề u quá trình c ủ a khí quy ể n M ặ c dù ch ỉ có m ộ t s ố thành ph ầ n nh ỏ c ủ a khí quy ể n là có ả nh hưởng đáng kể vào l ượ ng b ứ c x ạ c ủa Trái Đấ t, tính ch ấ t, ch ất lượ ng c ủ a không khí, mây, mưa và các quá trình hóa họ c ở t ầng bình lưu và tầng đối lưu S ự xu ấ t hi ệ n, th ờ i gian t ồ n t ạ i, tính ch ấ t v ậ t lý, thành ph ầ n hóa h ọ c và các đặc điể m ph ứ c t ạ p c ủ a các h ạt sol khí, cũng như tính chấ t quang h ọ c có liên quan đế n khí h ậ u r ất đa dạ ng ở t ầng đối lưu bở i ngu ồ n g ố c t ự nhiên khác bi ệ t và các quá trình khí tượ ng Do đó các phép đo theo độ cao để xác đị nh các tính ch ấ t v ậ t lý và quang h ọ c c ủ a h ạt như mật độ h ạ t, kh ối lượng, kích thướ c và m ức độ suy gi ả m c ủ a h ạt Để quan sát, đo đạc theo độ cao để xác đị nh các thông s ố trên ch ỉ có th ể đượ c th ự c hi ệ n b ở i LIDAR V ớ i nh ữ ng ứ ng d ụng đầ y ti ềm năng và thự c ti ễ n c ủa phương pháp LIDAR, đồ ng th ời hướ ng theo yêu c ầ u phát tri ển tương lai củ a khoa V ậ t Lý trường Đạ i h ọ c Sư Phạ m Tp H ồ Chí Minh trong vi ệ c xây d ự ng m ộ t h ệ đo LIDAR liên k ế t v ớ i Vi ệ n V ậ t lý Hà N ộ i và h ợ p tác v ớ i các trung tâm LIDAR ở Pháp Tôi ch ọn đề tài “ Nghiên c ứ u k ỹ thu ậ t LIDAR trong vi ệc phân tích đặ c tính c ủ a b ụ i khí quy ể n” là m ột đề tài m ớ i và mong mu ốn đóng góp vào sự phát tri ể n c ủ a h ệ đo LIDAR c ủ a Khoa V ậ t L ý trong tương lai 2 M ỤC ĐÍCH M ục đích chính củ a đề tài là tìm hi ể u k ỹ thu ậ t LIDAR, nghiên c ứ u lý thuy ế t c ủa phương pháp LIDAR, tìm hi ể u m ộ t s ố ứ ng d ụ ng c ụ th ể c ủ a k ỹ thu ậ t LIDAR và nghiên c ứ u ứ ng d ụ ng k ỹ thu ậ t LIDAR trong quan sát phân tích đặ c tính c ủ a b ụ i khí quy ể n 3 ĐỐI TƯỢ NG Nghiên c ứ u phân tích, t ổ ng h ợ p t ừ nh ữ ng tài li ệ u, bài báo trong và ngoài nướ c, t ừ internet v ề k ỹ thu ậ t LIDAR 4 PH Ạ M VI NGHIÊN C Ứ U - Tìm hi ể u lý thuy ế t k ỹ thu ậ t LIDAR - Xây d ựng các bướ c chung cho m ộ t s ố ứ ng d ụ ng k ỹ thu ậ t LIDAR - Nghiên c ứ u ứ ng d ụ ng k ỹ thu ậ t LIDAR trong vi ệc quan sát phân tích đặ c tính c ủ a b ụ i khí quy ể n - L ậ p k ế ho ạ ch d ự ki ế n xây d ự ng h ệ đo sử d ụ ng k ỹ thu ậ t LIDAR 5 Ý NGHĨA KHOA HỌ C VÀ TH Ự C TI ỄN ĐỀ TÀI NGHIÊN C Ứ U Qua đề tài nghiên c ứ u giúp chúng ta hi ể u v ề k ỹ thu ậ t LIDAR, nh ữ ng ứ ng d ụ ng c ụ th ể và ưu điể m c ủ a k ỹ thu ậ t Đề tài là bước đầ u giúp cho các b ạ n sinh viên ti ế p t ụ c nghiên c ứ u và phát tri ể n k ỹ thu ậ t LIDAR áp d ụ ng cho h ệ đo LIDAR trong tương lai củ a khoa V ậ t lý 6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U Phương pháp nghiên cứ u lý thuy ế t:  Nghiên c ứ u các tài li ệ u liên quan đế n k ỹ thu ậ t LIDAR Phương pháp nghiên cứ u th ự c ti ễ n:  Nguyên t ắ c ho ạt độ ng c ủ a bài th ực hành đo vậ n t ố c ánh sáng, ứ ng d ụ ng ý tưở ng trong k ỹ thu ậ t LIDAR  Phân tích m ộ t s ố s ố li ệ u LIDAR thu đượ c trong m ộ t s ố tài li ệ u, bài báo PHẦN TỔNG QUAN Trong tr ườ ng h ợ p kh ả o sát khí quy ể n, m ột chùm sáng đượ c chi ế u vào môi trườ ng khí quy ể n Các photon trong chùm sáng đó bị tán x ạ theo các hướ ng khác nhau b ở i các phân t ử và các h ạ t trong khí quy ể n M ộ t ph ầ n trong s ố đó bị tán x ạ ngượ c tr ở l ạ i h ệ LIDAR Các photon n ày đượ c thu b ở i m ộ t kính thiên văn và đượ c h ộ i t ụ vào trong m ộ t b ộ tách sóng quang để đo số photon tán x ạ như là mộ t hàm c ủ a kho ả ng cách gi ữ a h ệ LIDAR và các ph ầ n t ử tán x ạ Phương pháp LIDAR tán x ạ đàn hồi đã đượ c s ử d ụ ng r ộng rãi để kh ả o sát thành ph ần đ ám mây và các l ớ p sol khí k ể t ừ đầ u nh ững năm 1960 khi Fiocco và Grams l ần đầ u tiên báo cáo v ề LIDAR và ngu ồ n g ố c sol khí ở t ầng bình lưu Nhưng ch ỉ trong nh ững năm gần đây thì công nghệ này m ớ i ti ế n b ộ đáng kể khi người ta đã th ự c hi ệ n m ộ t s ố nghiên c ứu định lượ ng các thông s ố , tính ch ấ t sol khí khí quy ể n b ằng phương pháp LIDAR Dùng hai phương pháp quan trọ ng nh ất để xác đị nh các thông s ố chính t ừ quan sát LIDAR và cùng v ới các phương pháp vật lý khác để thu nh ậ n các tính ch ấ t v ậ t lý c ủ a sol khí ở t ầ ng bì nh lưu và tầng đối lưu K ỹ thu ậ t tính toán h ệ s ố tán x ạ đàn hồ i nh ờ tín hi ệ u quay tr ở l ạ i v ới đặ c điểm đàn hồ i và tán x ạ ngượ c trong h ệ LIDAR Phương pháp LIDAR tán x ạ đàn hồ i có th ể xác đị nh t ổ ng s ố tán x ạ trong khí quy ể n mà không c ầ n tách b ạ ch tín hi ệ u c ủ a h ạ t và phân t ử b ị tán x ạ ngượ c tr ở l ạ i H ạ n ch ế c ủa phương pháp này là không xác định đượ c thông s ố đáng tin cậy như mật độ h ạ t, h ệ s ố suy gi ả m h ạ t H ệ s ố suy gi ả m đượ c suy ra t ừ h ệ s ố tán x ạ ngượ c Phương pháp LIDAR Raman hay LIDAR quang ph ổ độ phân gi ả i cao (HSRL) có th ể xác đị nh tr ự c ti ế p h ệ s ố suy gi ảm Ngoài ra, phương pháp này có thể thu đượ c giá tr ị c ủ a h ệ s ố tán x ạ ngược Sol khí đượ c kh ả o sát b ằ ng LIDAR Raman hay HSRL được xác đị nh b ằ ng hai dòng tín hi ệ u, g ồ m tín hi ệ u c ủ a h ạ t và tín hi ệ u c ủ a phân t ử Quá trình quét b ằ ng k ỹ thu ậ t LIDAR là m ộ t k ỹ thu ật để xác đị nh h ệ s ố suy gi ảm theo phương thẳng đứ ng Yêu c ầ u c ầ n thi ế t nh ấ t ở đây là các phép đo theo phương ngang phả i có s ự đồ ng nh ấ t v ề h ệ s ố tán x ạ ngượ c và h ệ s ố suy gi ả m theo t ấ t c ả các chi ề u cao đo Phương pháp này ít đượ c s ử d ụ ng, nh ất là khi quan sát, đo đạ c ở l ớ p biên c ủ a t ầng đối lưu Đo đồ ng th ờ i h ệ s ố suy gi ả m và h ệ s ố tán x ạ ngượ c t ạ i cùng m ột bướ c sóng t ừ 300 đến 1100 nm là điề u ki ệ n quan tr ọ ng nh ất để thu đượ c k ế t qu ả chính xác c ủ a tính ch ấ t v ậ t lý và quang h ọ c c ủ a các h ạ t ở t ầng đối lưu Sol khí ở t ầng đối lưu trên các l ục địa thườ ng ch ứ a h ỗ n h ợ p ph ứ c t ạ p các h ạ t có ngu ồ n g ố c t ự nhiên (mu ố i bi ể n, b ụ i sa m ạ c, b ụ i núi l ử a…) và nhân t ạ o (ch ủ y ế u là Sunfat và mu ộ i than) nên các đặ c tính riêng bi ệ t v ẫ n r ất khó tìm ra Hơn nữ a, do s ự thay đổ i c ủ a ngu ồ n, s ự ngưng tụ , tr ộ n l ẫ n, s ự di chuy ể n và quá trình phân h ủ y c ủa sol khí nên kích thướ c h ạt, chính xác là đườ ng kính h ạt thay đổ i t ừ m ột vài nanomet đế n vài micromet thườ ng cho th ấ y m ộ t hình d ạ ng ph ứ c t ạ p c ủ a h ệ sol khí Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 1 1 Nguyên lý hoạt động Thu ậ t ng ữ LIDAR là vi ế t t ắ t c ủ a c ụ m t ừ ti ế ng Anh “Light Detection And Ranging” dùng để ch ỉ m ộ t công ngh ệ thăm dò từ xa s ử d ụ ng b ứ c x ạ điệ n t ừ H ệ th ố ng LIDAR chính là m ộ t h ệ th ống laser cơ bả n ho ạt độ ng trên nguyên t ắc tương t ự như m ộ t h ệ radar hay sóng siêu âm Sơ đồ 1 1 M ộ t h ệ LIDAR đơn giả n Ta có th ể gi ả i thích nguyên lý ho ạt độ ng c ủ a LIDAR như sau: Nguồ n Laser phát ra chùm tia định hướ ng cao v ề phía m ụ c tiêu (target) và ghi nh ậ n ánh sáng ph ả n x ạ ngượ c tr ở l ạ i b ằng đầ u dò b ứ c x ạ quang h ọc đặ t sau b ộ l ọc đơn sắ c tín hi ệ u quang h ọ c bi ến đổ i thành tín hi ệu điện, sau đó được đưa tớ i b ộ l ọ c xung, qua b ộ bi ến đổ i tín hi ệu tương tự sang tín hi ệ u s ố (ADC), các tín hi ệ u s ố đượ c máy vi tính (MVT) x ử lí [7] Tùy thu ộ c vào lo ại tương tác củ a tia laser v ớ i v ậ t ch ấ t trong vùng kh ả o sát, LIDAR ghi nh ậ n b ứ c x ạ tán x ạ ngượ c tr ở v ề có th ể là tín hi ệ u tán x ạ Rayleigh, Mie, Raman LIDAR thường đượ c phân lo ạ i theo ph ổ tín hi ệ u mà nó ghi nh ận đượ c, ví d ụ LIDAR Raman, LIDAR Rayleigh v v… 1 2 Đo vận tốc ánh sáng Nguyên lý s ử d ụng trong phép đo vậ n t ố c ánh sáng gi ống hoàn toàn như m ộ t h ệ LIDAR 1 2 1 Sơ đồ khối Sơ đồ 1 2 Thí nghi ệm đo vậ n t ố c ánh sáng b ằng phương pháp xung ph ả n x ạ 1 2 2 Hoạt động Dùng m ột cái đèn phát xung ánh sáng cự c ng ắn Ta cho ánh sáng phát ra đi qua m ộ t kính bán m ạ G: - M ộ t ph ầ n ánh sáng c ủ a xung ph ả n x ạ trên m ặt gương G đập vào gương ph ả n chi ế u T 2 Tia ph ả n x ạ truy ền ngượ c tr ở l ạ i qua kính bán m ạ G và đi vào mộ t diode ti ế p nh ậ n ánh sáng Ánh sáng này gây ra m ột xung điệ n ghi trên màn hình c ủ a dao độ ng kí âm c ự c - M ộ t ph ầ n ánh sáng c ủ a xung truy ề n khúc x ạ qua kính bán m ạ G và qua th ấ u kính h ộ i t ụ L, truy ề n th ẳng đế n m ột gươn g ph ả n x ạ T 1 , đặ t cách x a xung, đậ p vào và b ị ph ả n x ạ ngượ c tr ở l ạ i, truy ề n qua th ấ u kính L xuyên vào kính bán m ạ G và ph ả n x ạ đi vào kính diode tiế p nh ậ n, bi ến thành xung điệ n th ứ hai ghi trên màn hình dao độ ng kí âm c ự c Đo khoả ng th ờ i gian chênh l ệ ch c ủ a hai xung ánh sáng Δt Đo quãng đườ ng truy ề n chênh l ệ ch d c ủ a ánh sáng ta suy ra v ậ n t ố c ánh: 2d C= Δt (1 1) 1 2 3 Dụng cụ thí nghiệm -B ộ máy phát xung ánh sáng: có đè n phát xung , gương bán mạ G đặ t nghiêng 45 0 và diode ti ế p nh ậ n ánh sáng -Th ấ u kính h ộ i t ụ L có f = 200mm - 2 gương phả n x ạ T 1 và T 2 - Thước đo khoả ng cách - Dao độ ng kí âm c ực để đo thờ i gian chênh l ệ ch hai xung ánh sáng Hình 1 1 Dao độ ng kí âm c ự c Hình 1 2 Máy phát xung laser Hình 1 3 Th ấ u kính h ộ i t ụ Hình 1 4 Gương phả n x ạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ QUANG CHÂU

NGHIÊN C ỨU KỸ THUẬT LIDAR TRONG

VI ỆC PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐẶC TÍNH CỦA

B ỤI KHÍ QUYỂN

Ngành : Sư phạm Vật Lý

Mã số : 102

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 5

Danh mục bảng biểu và sơ đồ 8

Danh mục hình vẽ và biểu đồ 9

PHẦN MỞ ĐẦU 11

PHẦN TỔNG QUAN 14

Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 16

1.1 Nguyên lý hoạt động 16

1.2 Đo vận tốc ánh sáng 17

1.2.1 Sơ đồ khối 17

1.2.2 Hoạt động 17

1.2.3 Dụng cụ thí nghiệm 18

1.3 Vẽ địa hình trắc địa 21

1.3.1 Tổng quát 22

1.3.2 Nguyên lý hoạt động 23

1.4 Khảo sát phân bố rừng 27

1.5 Hệ LIDAR khảo sát bụi khí quyển 28

1.5.1 Dụng cụ 28

1.5.2 Nguyên lý hoạt động 30

Chương 2 BỤI KHÍ QUYỂN 32

2.1 Các hạt sol khí trong khí quyển 32

2.2.1 Sol khí núi lửa 33

2.2.2 Bụi sa mạc 34

2.2.3 Sol khí tạo bởi con người 35

2.2.4 Mục đích của nghiên cứu Sol khí của khí quyển 36

2.2.4.1 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu trái đất 36

2.2.4.2 Tác động của Sol khí lên nhiệt độ bề mặt 37

2.2.4.3 Tác động của Sol khí lên mây và giáng thủy 37

2.2.4.4 Tác động của Sol khí đến năng lượng bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất 38

2.2.4.5 Tác động của Sol khí đến hoàn lưu khí quyển 39

Chương 3 LÝ THUYẾT LIDAR DÙNG CHO NGHIÊN CỨU SOL KHÍ 40

3.1 Lý thuyết tán xạ 40

3.1.1 Hiện tượng suy giảm cường độ 40

3.1.2 Phổ suy giảm cường độ 40

3.2 Tương tác của bức xạ laser với môi trường khí quyển 40

3.2.1 Quá trình hấp thụ 40

3.2.2 Sự tán xạ ánh sáng 41

3.3 Phân loại các hiện tượng tán xạ 42

3.3.1 Hiệu ứng tán xạ phân tử 42

3.3.2 Hiệu ứng tán xạ Raman 43

3.3.3 Tán xạ Rayleigh 43

3.3.4 Hiệu ứng tán xạ Mie 44

3.3.5 Tán xạ quang học bởi sol khí 45

3.4 LIDAR tán xạ ngược đàn hồi 47

3.5 LIDAR Raman và LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) 51

3.6 Xác định sự phân bố, bán kính hiệu dụng và mật độ của hạt trong khí quyển 57

Chương 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 59

4.1 Phương pháp áp dụng 59

4.2 LIDAR tán xạ đàn hồi 61

4.2.1 Sơ đồ khối 61

4.2.2 Phương trình sử dụng 62

4.3 LIDAR RAMAN 63

4.3.1 Sơ đồ khối 63

4.3.2 Phương trình sử dụng 63

4.4 LIDAR hai chùm tia 65

4.4.1 Sơ đồ khối 65

4.4.2 Phương trình sử dụng 65

4.5 Số liệu thu được 67

4.6 Hệ thống mạng LIDAR ở Châu Âu EARLINET-ASOS 70

KẾT LUẬN 72

KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

Filter : Bộ lọc

ADC : Bộ chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu số

MVT : Máy vi tính

C : vận tốc ánh sáng

λ : bước sóng ánh sáng

β : góc nghiêng máy bay

γ : góc lệch máy bay

ω : góc xoay máy bay

DEM : mô hình số độ cao

DSM : mô hình số bề mặt

A : ma trận chuyển vị

0( )

I λ : cường độ chùm tia tới

I( λ) : cường độ chùm sáng thu

( )

D λ : phổ suy giảm cường độ

a

μ : hệ số hấp thụ dài

aer

α : hệ số suy giảm của hạt

mol

α : hệ số suy giảm của phân tử

Kθ : hệ số tán xạ ánh sáng dưới góc tán xạ θ

aer

K : hệ số tán xạ ngược của hạt

K : hệ số tán xạ ngược của phân tử

V : thể tích tán xạ

R : khoảng cách từ thể tích tán xạ tới điểm quan sát

k : hằng số Bolztmann

T : nhiệt độ tuyệt đối

δ : hệ số nén động học của vật chất môi trường

ρ : mật độ môi trường

n : chiết suất môi trường

naer : chiết suất của hạt

ν : tần số ánh sáng

N0 : mật độ hạt

r : bán kính hạt

m : chiết suất phức

aer

N(r) : hàm phân bố hạt theo bán kính

n(r) : hàm mật độ hạt theo bán kính

σ : độ lệch chuẩn của hàm phân bố

P(R) : tín hiệu LIDAR thu được từ hiện tượng tán xạ

0

E : năng lượng phát xung laser

L

η : hằng số LIDAR

O(R) : hàm Overlap

sr : đơn vị của góc khối 1 sr = 1 m2

.1 m-2 = 1 S(R) : biến hiệu chỉnh tín hiệu LIDAR theo khoảng cách

( )

aer

L R : tỉ lệ LIDAR

HSRL : LIDAR quang phố độ phân giải cao

GPS : Hệ thống xác định vị trí bằng vệ tinh nhân tạo

Danh mục bảng biểu và sơ đồ

Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản 15

Sơ đồ 1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng bằng xung phản xạ 16

Sơ đồ 1.3 Hoạt động của Hệ thống trắc địa bằng kỹ thuật LIDAR 23

Sơ đồ 1.4 Hệ LIDAR kháo sát thành phần khí quyển 27

Bảng 3.1 Tỉ lệ LIDAR của các loại sol khí khác nhau được đo bằng phương pháp LIDAR Raman ở bước sóng 532 nm 50

Sơ đồ 4.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR tán xạ đàn hồi ngược 61

Sơ đồ 4.2 Sơ đồ khối hệ LIDAR Raman 63

Sơ đồ 4.3 Sơ đồ khối hệ LIDAR hai chùm tia 65

Danh mục hình vẽ và biểu đồ

Hình 1.1 Dao động kí âm cực 18

Hình 1.2 Máy phát xung laser 18

Hình 1.3 Thấu kính hội tụ 19

Hình 1.4 Gương phản xạ 19

Hình 1.5 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng 20

Hình 1.6 Hệ LIDAR vẽ trắc địa 20

Hình 1.7 Máy bay trắc địa bằng công nghệ LIDAR 22

Hình 1.8 Khảo sát phân bố rừng 26

Hình 1.9 Các dụng cụ trong hệ LIDAR khảo sát khí quyển 28

Hình 1.10 Máy vi tính xử lý và phân tích tín hiệu LIDAR 29

Hình 1.11 Mô hình LIDAR mini 30

Hình 2.1 Hạt sol khí khác nhau trong khí quyển 31

Hình 2.2 Núi lửa Pinatubo phun trào 33

Hình 2.3 Vị trí phân bố các hạt sol khí ở đô thị 35

Hình 3.1 Cường độ ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ trong tán xạ Rayleigh 43

Hình 3.2 Cường độ sáng phụ thuộc vào góc tán xạ trong tán xạ Mie 44

Hình 4.1 Hệ số tán xạ ngược và hệ số suy giảm đo tại Nghĩa Đô, Hà Nội 67

Hình 4.2 Hệ số tán xạ ngược, hệ số suy giảm và tỉ lệ LIDAR đo được ở Ấn Độ dương 67

Hình 4.3 Các thông số của sol khí được đo vào ngày 04/04/1992 68 Hình 4.4 Mật độ sol khí thay đổi theo thời gian 69

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CH ỌN ĐỀ TÀI

Công nghệ Laser được ứng dụng vào các ngành kỹ thuật từ những năm 60

của thế kỷ trước, trong trắc địa được áp dụng để đo khoảng cách bằng các máy đo dài cho độ chính xác tới mức centimeter Cùng với thời gian sự phát triển vượt bậc của công nghệ định vị vệ tinh và công nghệ số, công nghệ Laser đã có những bước đột phá

cả về thiết bị và công nghệ Tới những năm cuối của thế kỷ trước và những năm đầu

của thế kỷ 21, công nghệ LIDAR (Light Detecting and Ranging) hay còn gọi là công nghệ đo vẽ Laser đã phát triển mạnh mẽ và được áp dụng rộng rãi một cách rất hiệu

quả trong công tác khảo sát địa hình, lập bản đồ không gian 3D và nhiều ứng dụng khác

LIDAR bao gồm các phương pháp công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực định vị

vệ tinh, laser và ảnh số được kết hợp với nhau để xác định chính xác bề mặt địa hình

của trái đất và các địa vật trên nó trong một hệ tọa độ không gian thống nhất

Bụi khí quyển còn gọi là Sol khí đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình của khí quyển Mặc dù chỉ có một số thành phần nhỏ của khí quyển là có ảnh hưởng đáng kể vào lượng bức xạ của Trái Đất, tính chất, chất lượng của không khí, mây, mưa và các quá trình hóa học ở tầng bình lưu và tầng đối lưu

Sự xuất hiện, thời gian tồn tại, tính chất vật lý, thành phần hóa học và các đặc điểm phức tạp của các hạt sol khí, cũng như tính chất quang học có liên quan đến khí hậu rất đa dạng ở tầng đối lưu bởi nguồn gốc tự nhiên khác biệt và các quá trình khí tượng Do đó các phép đo theo độ cao để xác định các tính chất vật lý và quang học của hạt như mật độ hạt, khối lượng, kích thước và mức độ suy giảm của

hạt Để quan sát, đo đạc theo độ cao để xác định các thông số trên chỉ có thể được

thực hiện bởi LIDAR

Với những ứng dụng đầy tiềm năng và thực tiễn của phương pháp LIDAR, đồng thời hướng theo yêu cầu phát triển tương lai của khoa Vật Lý trường Đại học

Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh trong việc xây dựng một hệ đo LIDAR liên kết với Viện

Vật lý Hà Nội và hợp tác với các trung tâm LIDAR ở Pháp Tôi chọn đề tài

“Nghiên c ứu kỹ thuật LIDAR trong việc phân tích đặc tính của bụi khí quyển”

là một đề tài mới và mong muốn đóng góp vào sự phát triển của hệ đo LIDAR của Khoa Vật Lý trong tương lai

2 M ỤC ĐÍCH

Mục đích chính của đề tài là tìm hiểu kỹ thuật LIDAR, nghiên cứu lý thuyết của phương pháp LIDAR, tìm hiểu một số ứng dụng cụ thể của kỹ thuật LIDAR và nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR trong quan sát phân tích đặc tính

của bụi khí quyển

3 ĐỐI TƯỢNG

Nghiên cứu phân tích, tổng hợp từ những tài liệu, bài báo trong và ngoài nước, từ internet về kỹ thuật LIDAR

4 PH ẠM VI NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật LIDAR

- Xây dựng các bước chung cho một số ứng dụng kỹ thuật LIDAR

- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR trong việc quan sát phân tích đặc tính

của bụi khí quyển

- Lập kế hoạch dự kiến xây dựng hệ đo sử dụng kỹ thuật LIDAR

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Qua đề tài nghiên cứu giúp chúng ta hiểu về kỹ thuật LIDAR, những ứng

dụng cụ thể và ưu điểm của kỹ thuật Đề tài là bước đầu giúp cho các bạn sinh viên

tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR áp dụng cho hệ đo LIDAR trong tương lai của khoa Vật lý

6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

 Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến kỹ thuật LIDAR

Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:

 Nguyên tắc hoạt động của bài thực hành đo vận tốc ánh sáng, ứng dụng

ý tưởng trong kỹ thuật LIDAR

 Phân tích một số số liệu LIDAR thu được trong một số tài liệu, bài báo

PHẦN TỔNG QUAN

Trong trường hợp khảo sát khí quyển, một chùm sáng được chiếu vào môi trường khí quyển Các photon trong chùm sáng đó bị tán xạ theo các hướng khác nhau bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển Một phần trong số đó bị tán xạ ngược trở lại hệ LIDAR Các photon này được thu bởi một kính thiên văn và được

hội tụ vào trong một bộ tách sóng quang để đo số photon tán xạ như là một hàm của khoảng cách giữa hệ LIDAR và các phần tử tán xạ

Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi đã được sử dụng rộng rãi để khảo sát thành phần đám mây và các lớp sol khí kể từ đầu những năm 1960 khi Fiocco và Grams lần đầu tiên báo cáo về LIDAR và nguồn gốc sol khí ở tầng bình lưu Nhưng

chỉ trong những năm gần đây thì công nghệ này mới tiến bộ đáng kể khi người ta đã

thực hiện một số nghiên cứu định lượng các thông số, tính chất sol khí khí quyển

bằng phương pháp LIDAR

Dùng hai phương pháp quan trọng nhất để xác định các thông số chính từ quan sát LIDAR và cùng với các phương pháp vật lý khác để thu nhận các tính chất

vật lý của sol khí ở tầng bình lưu và tầng đối lưu

Kỹ thuật tính toán hệ số tán xạ đàn hồi nhờ tín hiệu quay trở lại với đặc điểm đàn hồi và tán xạ ngược trong hệ LIDAR Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi

có thể xác định tổng số tán xạ trong khí quyển mà không cần tách bạch tín hiệu của

hạt và phân tử bị tán xạ ngược trở lại Hạn chế của phương pháp này là không xác định được thông số đáng tin cậy như mật độ hạt, hệ số suy giảm hạt Hệ số suy giảm được suy ra từ hệ số tán xạ ngược

Phương pháp LIDAR Raman hay LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) có thể xác định trực tiếp hệ số suy giảm Ngoài ra, phương pháp này có thể thu được giá trị của hệ số tán xạ ngược Sol khí được khảo sát bằng LIDAR Raman hay HSRL được xác định bằng hai dòng tín hiệu, gồm tín hiệu của hạt và tín hiệu

của phân tử

Quá trình quét bằng kỹ thuật LIDAR là một kỹ thuật để xác định hệ số suy

giảm theo phương thẳng đứng Yêu cầu cần thiết nhất ở đây là các phép đo theo phương ngang phải có sự đồng nhất về hệ số tán xạ ngược và hệ số suy giảm theo

tất cả các chiều cao đo Phương pháp này ít được sử dụng, nhất là khi quan sát, đo đạc ở lớp biên của tầng đối lưu

Đo đồng thời hệ số suy giảm và hệ số tán xạ ngược tại cùng một bước sóng

từ 300 đến 1100 nm là điều kiện quan trọng nhất để thu được kết quả chính xác của tính chất vật lý và quang học của các hạt ở tầng đối lưu Sol khí ở tầng đối lưu trên các lục địa thường chứa hỗn hợp phức tạp các hạt có nguồn gốc tự nhiên (muối

biển, bụi sa mạc, bụi núi lửa…) và nhân tạo (chủ yếu là Sunfat và muội than) nên các đặc tính riêng biệt vẫn rất khó tìm ra Hơn nữa, do sự thay đổi của nguồn, sự ngưng tụ, trộn lẫn, sự di chuyển và quá trình phân hủy của sol khí nên kích thước

hạt, chính xác là đường kính hạt thay đổi từ một vài nanomet đến vài micromet thường cho thấy một hình dạng phức tạp của hệ sol khí

Chương 1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT

LIDAR

1.1 Nguyên lý hoạt động

Thuật ngữ LIDAR là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Light Detection And Ranging” dùng để chỉ một công nghệ thăm dò từ xa sử dụng bức xạ điện từ Hệ

thống LIDAR chính là một hệ thống laser cơ bản hoạt động trên nguyên tắc tương

tự như một hệ radar hay sóng siêu âm

Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản

Ta có thể giải thích nguyên lý hoạt động của LIDAR như sau: Nguồn Laser phát ra chùm tia định hướng cao về phía mục tiêu (target) và ghi nhận ánh sáng

phản xạ ngược trở lại bằng đầu dò bức xạ quang học đặt sau bộ lọc đơn sắc tín hiệu quang học biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó được đưa tới bộ lọc xung, qua bộ

biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), các tín hiệu số được máy vi tính (MVT) xử lí.[7]

Tùy thuộc vào loại tương tác của tia laser với vật chất trong vùng khảo sát, LIDAR ghi nhận bức xạ tán xạ ngược trở về có thể là tín hiệu tán xạ Rayleigh, Mie, Raman LIDAR thường được phân loại theo phổ tín hiệu mà nó ghi nhận được, ví

ụ LIDAR Raman, LIDAR Rayleigh v.v…

1.2 Đo vận tốc ánh sáng

Nguyên lý sử dụng trong phép đo vận tốc ánh sáng giống hoàn toàn như

một hệ LIDAR

1.2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ 1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng bằng phương pháp xung phản xạ

1.2.2 Hoạt động

Dùng một cái đèn phát xung ánh sáng cực ngắn Ta cho ánh sáng phát ra đi qua một kính bán mạ G:

- Một phần ánh sáng của xung phản xạ trên mặt gương G đập vào gương

phản chiếu T2 Tia phản xạ truyền ngược trở lại qua kính bán mạ G và đi vào một diode tiếp nhận ánh sáng Ánh sáng này gây ra một xung điện ghi trên màn hình của dao động kí âm cực

- Một phần ánh sáng của xung truyền khúc xạ qua kính bán mạ G và qua

thấu kính hội tụ L, truyền thẳng đến một gương phản xạ T1, đặt cách xa xung, đập vào và bị phản xạ ngược trở lại, truyền qua thấu kính L xuyên vào kính bán mạ G

và phản xạ đi vào kính diode tiếp nhận, biến thành xung điện thứ hai ghi trên màn hình dao động kí âm cực

Đo khoảng thời gian chênh lệch của hai xung ánh sáng Δt

Đo quãng đường truyền chênh lệch d của ánh sáng ta suy ra vận tốc ánh:

2d C=

Δt (1.1)

1.2.3 Dụng cụ thí nghiệm

-Bộ máy phát xung ánh sáng: có đèn phát xung, gương bán mạ G đặt nghiêng 450 và diode tiếp nhận ánh sáng

-Thấu kính hội tụ L có f = 200mm

-2 gương phản xạ T1 và T2

-Thước đo khoảng cách

-Dao động kí âm cực để đo thời gian chênh lệch hai xung ánh sáng

Hình 1.1 Dao động kí âm cực

Hình 1.2 Máy phát xung laser

Hình 1.3 Th ấu kính hội tụ

Hình 1.4 Gương phản xạ