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 KHOA VẬT LÝ LÊ QUANG CHÂU NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LIDAR TRONG VIỆC PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH ĐẶC TÍNH CỦA BỤI KHÍ QUYỂN Ngành : Sư phạm Vật Lý Mã số : 102 Giáo viên hướng dẫn TS Cao Anh Tuấn Thành phố Hồ Chí Minh 2013 MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng biểu sơ đồ .8 Danh mục hình vẽ biểu đồ PHẦN MỞ ĐẦU .11 PHẦN TỔNG QUAN .14 Chương 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 28 1.5.1 Dụng cụ 28 1.5.2 Nguyên lý hoạt động 30 Chương BỤI KHÍ QUYỂN 32 2.1 Các hạt sol khí khí 32 2.2 Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu Trái đất 33 2.2.1 Sol khí núi lửa 33 2.2.2 Bụi sa mạc 34 2.2.3 Sol khí tạo người .35 2.2.4 Mục đích nghiên cứu Sol khí khí 36 2.2.4.1 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu trái đất 36 2.2.4.2 Tác động Sol khí lên nhiệt độ bề mặt 37 2.2.4.3 Tác động Sol khí lên mây giáng thủy 37 2.2.4.4 Tác động Sol khí đến lượng xạ mặt trời đến bề mặt trái đất 38 2.2.4.5 Tác động Sol khí đến hồn lưu khí .39 Chương 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 xạ laser với mơi trường khí 40 3.2.1 Quá trình hấp thụ 40 3.2.2 Sự tán xạ ánh sáng 41 3.3 Phân loại 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 sol khí 45 3.4 LIDAR tán xạ ngược đàn hồi 47 3.5 LIDAR Raman LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) 51 3.6 Xác định phân bố, bán kính hiệu dụng mật độ hạt khí 57 Chương 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 67 4.6 Hệ thống mạng LIDAR 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 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 : mơ hình số độ cao DSM : mơ hình số bề mặt A : ma trận chuyển vị I (λ ) : cường độ chùm tia tới I(λ) : cường độ chùm sáng thu D(λ ) : phổ suy giảm cường độ μ a : hệ số hấp thụ dài α aer : hệ số suy giảm hạt α mol : hệ số suy giảm phân tử Kθ : hệ số tán xạ ánh sáng góc tán xạ θ K aer : hệ số tán xạ ngược hạt K mol : hệ số tán xạ ngược phân tử V : thể tích tán xạ R : khoảng cách từ thể tích tán xạ tới điểm quan sát k : số Bolztmann T : nhiệt độ tuyệt đối δ : hệ số nén động học vật chất môi trường ρ : mật độ môi trường n : chiết suất môi trường n aer : chiết suất hạt ν : tần số ánh sáng N : mật độ hạt r : bán kính hạt m : chiết suất phức Qaer (r,m,λ) : hiệu suất tán xạ hạt N(r) : hàm phân bố hạt theo bán kính n(r) : hàm mật độ hạt theo bán kính σ : độ lệch chuẩn hàm phân bố P(R) : tín hiệu LIDAR thu từ tượng tán xạ E0 : lượng phát xung laser η L : số LIDAR O(R) : hàm Overlap sr : đơn vị góc khối sr = m2.1 m-2 = S(R) : biến hiệu chỉnh tín hiệu LIDAR theo khoảng cách Laer ( R) : tỉ lệ LIDAR HSRL : LIDAR quang phố độ phân giải cao GPS : Hệ thống xác định vị trí vệ tinh nhân tạo Danh mục bảng biểu sơ đồ Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản 15 Sơ đồ 1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng xung phản xạ 16 Sơ đồ 1.3 Hoạt động Hệ thống trắc địa kỹ thuật LIDAR 23 Sơ đồ 1.4 Hệ LIDAR kháo sát thành phần khí 27 Bảng 3.1 Tỉ lệ LIDAR loại sol khí khác đo phương pháp LIDAR Raman 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 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 cơng nghệ LIDAR 22 Hình 1.8 Khảo sát phân bố rừng 26 Hình 1.9 Các dụng cụ hệ LIDAR khảo sát khí 28 Hình 1.10 Máy vi tính xử lý phân tích tín hiệu LIDAR 29 Hình 1.11 Mơ hình LIDAR mini 30 Hình 2.1 Hạt sol khí khác khí 31 Hình 2.2 Núi lửa Pinatubo phun trào 33 Hình 2.3 Vị trí phân bố hạt sol khí thị 35 Hình 3.1 Cường độ ánh sáng tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ tán xạ Rayleigh 43 Hình 3.2 Cường độ sáng phụ thuộc vào góc tán xạ tán xạ Mie 44 Hình 4.1 Hệ số tán xạ ngược hệ số suy giảm đo Nghĩa Đơ, Hà Nội 67 Hình 4.2 Hệ số tán xạ ngược, hệ số suy giảm tỉ lệ LIDAR đo Ấn Độ dương 67 Hình 4.3 Các thơng số sol khí đo vào ngày 04/04/1992 68 Hình 4.4 Mật độ sol khí thay đổi theo thời gian 69 PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Công nghệ Laser ứng dụng vào ngành kỹ thuật từ năm 60 kỷ trước, trắc địa áp dụng để đo khoảng cách máy đo dài cho độ xác tới mức centimeter Cùng với thời gian phát triển vượt bậc công nghệ định vị vệ tinh công nghệ số, công nghệ Laser có bước đột phá thiết bị công nghệ Tới năm cuối kỷ trước năm đầu kỷ 21, công nghệ LIDAR (Light Detecting and Ranging) hay gọi công nghệ đo vẽ Laser phát triển mạnh mẽ áp dụng rộng rãi cách hiệu cơng tác khảo sát địa hình, lập đồ không gian 3D nhiều ứng dụng khác LIDAR bao gồm phương pháp công nghệ tiên tiến lĩnh vực định vị vệ tinh, laser ảnh số kết hợp với để xác định xác bề mặt địa hình trái đất địa vật hệ tọa độ khơng gian thống Bụi khí cịn gọi Sol khí đóng vai trị quan trọng nhiều q trình khí Mặc dù có số thành phần nhỏ khí có ảnh hưởng đáng kể vào lượng xạ Trái Đất, tính chất, chất lượng khơng khí, mây, mưa q trình hóa học tầng bình lưu tầng đối lưu Sự xuất hiện, thời gian tồn tại, tính chất vật lý, thành phần hóa học đặc điểm phức tạp hạt sol khí, tính chất quang học có liên quan đến khí hậu đa dạng tầng đối lưu nguồn gốc tự nhiên khác biệt q trình khí tượng Do phép đo theo độ cao để xác định tính chất vật lý quang học hạt mật độ hạt, khối lượng, kích thước mức độ suy giảm hạt Để quan sát, đo đạc theo độ cao để xác định thông số thực LIDAR Với ứng dụng đầy tiềm thực tiễn phương pháp LIDAR, đồng thời hướng theo yêu cầu phát triển tương lai khoa Vật Lý trường Đại học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh việc xây dựng hệ đo LIDAR liên kết với Viện Vật lý Hà Nội hợp tác với trung tâm LIDAR Pháp Tôi chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật LIDAR việc phân tích đặc tính bụi khí quyển” đề tài mong muốn đóng góp vào phát triển hệ đo LIDAR Khoa Vật Lý tương lai MỤC ĐÍCH Mục đích đề tài tìm hiểu kỹ thuật LIDAR, nghiên cứu lý thuyết phương pháp LIDAR, tìm hiểu số ứng dụng cụ thể kỹ thuật LIDAR nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR quan sát phân tích đặc tính bụi khí ĐỐI TƯỢNG Nghiên cứu phân tích, tổng hợp từ tài liệu, báo nước, từ internet kỹ thuật LIDAR PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật LIDAR - Xây dựng bước chung cho số ứng dụng kỹ thuật LIDAR - Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật LIDAR việc quan sát phân tích đặc tính bụi khí - Lập kế hoạch dự kiến xây dựng hệ đo sử dụng kỹ thuật LIDAR Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Qua đề tài nghiên cứu giúp hiểu kỹ thuật LIDAR, ứng dụng cụ thể ưu điểm kỹ thuật Đề tài bước đầu giúp cho bạn sinh viên tiếp tục nghiên cứu phát triển kỹ thuật LIDAR áp dụng cho hệ đo LIDAR tương lai khoa Vật lý PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu tài liệu liên quan đến kỹ thuật LIDAR Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:  Nguyên tắc hoạt động thực hành đo vận tốc ánh sáng, ứng dụng ý tưởng kỹ thuật LIDAR  Phân tích số số liệu LIDAR thu số tài liệu, báo PHẦN TỔNG QUAN Trong trường hợp khảo sát khí quyển, chùm sáng chiếu vào mơi trường khí Các photon chùm sáng bị tán xạ theo hướng khác phân tử hạt khí Một phần số bị tán xạ ngược trở lại hệ LIDAR Các photon thu kính thiên văn hội tụ vào tách sóng quang để đo số photon tán xạ hàm khoảng cách hệ LIDAR phần tử tán xạ Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi sử dụng rộng rãi để khảo sát thành phần đám mây lớp sol khí kể từ đầu năm 1960 Fiocco Grams lần báo cáo LIDAR nguồn gốc sol khí tầng bình lưu Nhưng năm gần cơng nghệ tiến đáng kể người ta thực số nghiên cứu định lượng thơng số, tính chất sol khí khí phương pháp LIDAR Dùng hai phương pháp quan trọng để xác định thơng số từ quan sát LIDAR với phương pháp vật lý khác để thu nhận tính chất vật lý sol khí tầng bình lưu tầng đối lưu Kỹ thuật tính tốn hệ số tán xạ đàn hồi nhờ tín hiệu quay trở lại với đặc điểm đàn hồi tán xạ ngược hệ LIDAR Phương pháp LIDAR tán xạ đàn hồi xác định tổng số tán xạ khí mà khơng cần tách bạch tín hiệu hạt phân tử bị tán xạ ngược trở lại Hạn chế phương pháp không xác định thông số đáng tin cậy mật độ hạt, hệ số suy giảm hạt Hệ số suy giảm suy từ hệ số tán xạ ngược Phương pháp LIDAR Raman hay LIDAR quang phổ độ phân giải cao (HSRL) xác định trực tiếp hệ số suy giảm Ngoài ra, phương pháp thu giá trị hệ số tán xạ ngược Sol khí khảo sát LIDAR Raman hay HSRL xác định hai dịng tín hiệu, gồm tín hiệu hạt tín hiệu phân tử Quá trình quét kỹ thuật LIDAR kỹ thuật để xác định hệ số suy giảm theo phương thẳng đứng Yêu cầu cần thiết phép đo theo phương ngang phải có đồng hệ số tán xạ ngược hệ số suy giảm theo tất chiều cao đo Phương pháp sử dụng, quan sát, đo đạc lớp biên tầng đối lưu Đo đồng thời hệ số suy giảm hệ số tán xạ ngược bước sóng từ 300 đến 1100 nm điều kiện quan trọng để thu kết xác tính chất vật lý quang học hạt tầng đối lưu Sol khí tầng đối lưu lục địa thường chứa hỗn hợp phức tạp hạt có nguồn gốc tự nhiên (muối biển, bụi sa mạc, bụi núi lửa…) nhân tạo (chủ yếu Sunfat muội than) nên đặc tính riêng biệt khó tìm Hơn nữa, thay đổi nguồn, ngưng tụ, trộn lẫn, di chuyển q trình phân hủy sol khí nên kích thước hạt, xác đường kính hạt thay đổi từ vài nanomet đến vài micromet thường cho thấy hình dạng phức tạp hệ sol khí Chương NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT LIDAR 1.1 Nguyên lý hoạt động Thuật ngữ LIDAR viết tắt cụm từ tiếng Anh “Light Detection And Ranging” dùng để cơng nghệ thăm dị từ xa sử dụng xạ điện từ Hệ thống LIDAR hệ thống laser hoạt động nguyên tắc tương tự hệ radar hay sóng siêu âm Sơ đồ 1.1 Một hệ LIDAR đơn giản Ta giải thích ngun lý hoạt động LIDAR sau: Nguồn Laser phát chùm tia định hướng cao phía mục tiêu (target) ghi nhận ánh sáng phản xạ ngược trở lại đầu dò xạ quang học đặt sau lọc đơn sắc tín hiệu quang học biến đổi thành tín hiệu điện, sau đưa tới lọc xung, qua biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), tín hiệu số máy vi tính (MVT) xử lí.[7] Tùy thuộc vào loại tương tác tia laser với vật chất vùng khảo sát, LIDAR ghi nhận xạ tán xạ ngược trở tín hiệu tán xạ Rayleigh, Mie, Raman LIDAR thường phân loại theo phổ tín hiệu mà ghi nhận được, ví dụ LIDAR Raman, LIDAR Rayleigh v.v… 1.2 Đo vận tốc ánh sáng Nguyên lý sử dụng phép đo vận tốc ánh sáng giống hoàn toàn hệ LIDAR 1.2.1 Sơ đồ khối Sơ đồ 1.2 Thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng phương pháp xung phản xạ 1.2.2 Hoạt động Dùng đèn phát xung ánh sáng cực ngắn Ta cho ánh sáng phát qua kính bán mạ G: - Một phần ánh sáng xung phản xạ mặt gương G đập vào gương phản chiếu T Tia phản xạ truyền ngược trở lại qua kính bán mạ G vào diode tiếp nhận ánh sáng Ánh sáng gây xung điện ghi hình dao động kí âm cực - Một phần ánh sáng xung truyền khúc xạ qua kính bán mạ G qua thấu kính hội tụ L, truyền thẳng đến gương phản xạ T , đặt cách xa xung, đập vào bị phản xạ ngược trở lại, truyền qua thấu kính L xuyên vào kính bán mạ G phản xạ vào kính diode tiếp nhận, biến thành xung điện thứ hai ghi hình dao động kí âm cực Đo khoảng thời gian chênh lệch hai xung ánh sáng Δt Đo quãng đường truyền chênh lệch d ánh sáng ta suy vận tốc ánh: C= 2d 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 diode tiếp nhận ánh sáng -Thấu kính hội tụ L có f = 200mm -2 gương phản xạ T T -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 Thấu kính hội tụ Hình 1.4 Gương phản xạ