Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

Mở đầu Nhiệt độ và mật độ phân tử khí quyển là hai tham số then chốt cần được xác định trong nghiên cứu khí quyển. Bởi vì chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như: Vật lý khí quyển, Khí tượng, Khí hậu, Hóa học khí quyển... Nhiệt độ là thông số động lực mô tả trạng thái tức thời của khí quyển có tính địa phương nên nó xuất hiện trong các bản tin dự báo thời tiết hàng ngày. Phân bố nhiệt độ khí quyển thẳng đứng chỉ ra cấu trúc và đặc trưng của khí quyển tại nơi khảo sát. Hơn nữa, nhiệt độ và mật độ là hai tham số đầu vào cơ bản trong các quá trình mô phỏng và mô hình hóa dự báo thời tiết và khí hậu. Phân bố nhiệt độ của tầng bình lưu khí quyển (stratosphere) có liên hệ mật thiết tới nồng độ khí ô zôn (ô zôn) trong tầng khí quyển này. Bởi vì nồng độ khí ô zôn được cho là yếu tố gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong tầng khí quyển này. Sự suy giảm nồng độ khí ô zôn là một vấn đề có tính thời sự trong nghiên cứu khí quyển. Vì vậy, khuynh hướng của phân bố nhiệt độ ở tầng bình lưu trong dài hạn có thể cung cấp thông tin quan trọng về sự biến đổi nồng độ ô zôn trong tầng khí quyển này [77]. Bên cạnh đó, tầng bình lưu và tầng đối lưu của khí quyển có mối liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các quá trình liên kết (coupling) và trao đổi (exchange) năng lượng và xung lượng. Mối liên hệ này có thể chỉ ra sự biến đổi khí hậu trên một diện rộng. Sự biến đổi khí hậu đã trở thành hiện tượng có thể trông thấy trực tiếp ngày nay bởi các hiện tượng thời tiết cực đoan như La Nina, El Nino. Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề của các quá trình biến đổi khí hậu này. Vì vậy nghiên cứu xu hướng biến đổi nhiệt độ của khí quyển trở thành một nhu cầu cấp thiết không chỉ trong khoa học mà cả trong đời sống. Hai kỹ thuật chủ yếu đang được sử dụng đo đạc nhiệt độ và mật độ khí quyển hiện nay là kỹ thuật đo đạc trực tiếp và kỹ thuật viễn thám (remote sensing). Kỹ thuật đo đạc trực tiếp sử dụng các đầu đo gắn trên các thiết bị chuyển động trên không như: kỹ thuật thám không vô tuyến (balloon-based radiosonde), kỹ thuật dùng tên lửa (rocketsonde), và dùng máy bay. Trong khi đó, kỹ thuật viễn thám sử dụng các nguồn bức xạ thụ động hoặc các nguồn bức xạ chủ động để xác định phân bố nhiệt độ. Ngày nay kỹ thuật thám không vô tuyến vẫn là kỹ thuật đo nhiệt độ chủ yếu cung cấp thông tin cho các bản tin dự báo thời tiết ở Việt Nam cũng như các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, kỹ thuật thám không vô tuyến không bao phủ hết tầng bình lưu (độ cao cực đại đạt được khoảng 30 km do giới hạn của bóng thám không) và kết quả là một phân bố rời rạc và tọa độ thay đổi do sự trôi của bóng thám không. Số lần đo hạn chế với 2 lần trong ngày ở Việt Nam. Kỹ thuật đo đạc dùng tên lửa chỉ dùng cho trường hợp nghiên cứu đặc biệt vì quá đắt đỏ và yêu cầu hạ tầng kỹ thuật cao. Phép đo dùng máy bay không cho phân bố thẳng đứng ở tại một vị trí quan sát. Mặc dù phép đo mật độ phân tử và nhiệt độ khí quyển bằng nguồn ánh sáng đèn flash đã được thực hiện bởi L. Elterman, 1953 [60], tuy nhiên, từ khi laser được phát minh thì việc ứng dụng chúng vào một kỹ thuật tương tự như radar (radio wave detection and ranging) trong việc nghiên cứu khí quyển mới bước sang một trang mới. Với các nguồn laser xung có mật độ công suất cao, lidar (light detection and ranging) đã trở thành một kỹ thuật viễn thám chủ động tiên tiến trong nghiên cứu khí quyển. Dựa trên các kết quả quan trắc phân bố thẳng đứng của mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ với độ phân giải thời gian và không gian cao của khí quyển từ lidar, nhiều hiện tượng và quá trình của khí quyển Trái đất như: sóng trọng lực (gravity wave), sóng hành tinh (planetary wave), thủy triều khí quyển (atmospheric tide) mới được nghiên cứu đầy đủ và chi tiết hơn. Ngày nay, các kỹ thuật lidar đã được phát triển cho việc đo phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ của khí quyển như: kỹ thuật lidar tích phân (integration lidar) [9], kỹ thuật lidar Raman quay (rotation Raman lidar) [65], kỹ thuật lidar huỳnh quang cộng hưởng (resonance fluorescence lidar) [7], kỹ thuật lidar hấp thụ vi phân (diferential absorption lidar) [91], và kỹ thuật lidar phân giải phổ cao (high spectral resolution lidar) [59]. Kết quả thu được các phân bố có thể bao phủ từ mặt đất tới tầng nhiệt khí quyển (thermosphere) với thời gian từ vài phút đến hàng tuần quan sát liên tục tại một trạm quan sát có sự kết hợp của nhiều kỹ thuật lidar khác nhau. Kỹ thuật lidar tích phân sử dụng tán xạ Rayleigh hoặc tán xạ Raman dao độngquay để xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển. Bằng cách lấy tích phân phương trình thủy tĩnh của khí quyển kết hợp với phương trình khí lý tưởng, phân bố nhiệt độ có thể được dẫn ra từ phân bố mật độ phân tử sau khi sử dụng một giá trị nhiệt độ tham khảo ở vị trí biên [88]. Giá trị nhiệt độ tham khảo này có thể nhận được từ một dữ liệu khác (thám không vô tuyến hoặc mô hình khí quyển). Mật độ phân tử khí quyển có thể được xác định trực tiếp từ các phân bố tín hiệu lidar như: tín hiệu lidar Rayleigh, tín hiệu lidar Raman. Trong vùng khí quyển mà mật độ của sol khí (aerosol) là rất thấp so với mật độ phân tử, dẫn đến đóng góp của tán xạ ngược của sol khí vào tín hiệu lidar đàn hồi tổng cộng là rất nhỏ thì tín hiệu lidar Rayleigh có thể được dùng để xác định mật độ phân tử. Khi mở rộng xuống vùng khí quyển chứa sol khí, thì tán xạ Raman có thể được sử dụng để xác định mật độ phân tử với giả thiết là nồng độ của phân tử tán xạ Raman là không đổi trong khí quyển, hoặc kết hợp cả hai tín hiệu lidar Raman và tín hiệu lidar đàn hồi để hiệu chỉnh tán xạ ngược của sol khí trong tín hiệu lidar đàn hồi, rồi từ đó xác định được mật độ phân tử. Hiện nay, việc mở rộng kỹ thuật này xuống vùng khí quyển thấp nơi có đối lưu mạnh (dưới 3 km) bị giới hạn vì giả thiết cân bằng thủy tỉnh của khí quyển có thể không còn tin cậy nữa. Phép đo mật độ và nhiệt độ của quyển đầu tiên dùng lidar Rayleigh được thực hiện bởi A. Hauchecorne và M. Chanin [9] bằng cách dùng một giá trị áp suất tham khảo ở biên. Kết quả thu được phân bố nhiệt độ và mật độ từ 30 km tới tầng trung lưu thấp (mesosphere). Bằng cách dùng một nhiệt độ tham khảo và lấy tích phân của cả khối khí quyển, Shibata. T và đồng nghiệp cũng thu được kết quả tương tự [88]. W. N. Chen và đồng nghiệp đã mở rộng phép đo xuống vùng cao của tầng đối lưu khí quyển (upper troposphere) chứa mật độ sol khí loãng [102]. Nhóm tác giả đánh giá sai số nhiệt độ của sol khí bằng phương pháp do J. D. Klett đề xuất để hiệu chỉnh tán xạ của sol khí [101]. Ngày nay, kỹ thuật lidar Rayleigh có thể xác định phân bố nhiệt độ đến vùng thấp của tầng nhiệt khí quyển (thermosphere) [65].

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2016 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 công bố ……………………………………134 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………… …136 Phụ lục…………………………………………………………………………………i DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Nguyên lí lidar Hình 1.2 Cấu trúc khí theo độ cao Hình 1.3 Phân bố mật độ ô zôn 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 mô hình MSISE-90 (b) Hình 2.13 Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách file liên thang lôgarít 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 không (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 nuôi 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 không 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 vòng 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 ô zôn Hình 3.4 Tỉ số tán xạ tán xạ tương đối Raer(z) sol khí, sử dụng mật độ mô hình khí (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar không lặp (mầu đỏ) lặp (màu xanh) Hình 3.5 Hệ số truyền qua vòng khí sol khí xác định từ lidar, (đen): sử dụng mật độ mô 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 mô 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 mô 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 vòng khí (b) ozone tầng đối lưu Hình 3.15 Hệ số dập tắt sol khí αaer(z) (a) hệ số truyền qua khí vòng 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 vô tuyến, hệ số truyền qua môt vòng 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 không vô 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 thô, (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 không (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 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), “Ô zôn 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)[...]... mật độ và nhiệt độ từ vùng thấp tầng đối lưu tới vùng thấp tầng nhiệt của khí khí quyển Tuy nhiên chưa có một kết quả nghiên cứu nào sử dụng kỹ thuật lidar tích phân này để xác định phân bố nhiệt độ bao phủ đồng thời từ tầng đối lưu đến tầng bình lưu Mục đích của luận án này là nghiên cứu và phát triển các hệ lidar đo phân bố nhiệt độ và mật độ phân tử của khí quyển theo phương thẳng ứng sử dụng tín... tử và phân bố nhiệt độ với độ phân giải thời gian và không gian cao của khí quyển từ lidar, nhiều hiện tượng và quá trình của khí quyển Trái đất như: sóng trọng lực (gravity wave), sóng hành tinh (planetary wave), thủy triều khí quyển (atmospheric tide) mới được nghiên cứu đầy đủ và chi tiết hơn Ngày nay, các kỹ thuật lidar đã được phát triển cho việc đo phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ của khí quyển. .. hàng ngày Phân bố nhiệt độ khí quyển thẳng ứng chỉ ra cấu trúc và đặc trưng của khí quyển tại nơi khảo sát Hơn nữa, nhiệt độ và mật độ là hai tham số đầu vào cơ bản trong các quá trình mô phỏng và mô hình hóa dự báo thời tiết và khí hậu Phân bố nhiệt độ của tầng bình lưu khí quyển (stratosphere) có liên hệ mật thiết tới nồng độ khí ô zôn (ô zôn) trong tầng khí quyển này Bởi vì nồng độ khí ô zôn được... đếm photon 1.4 Nguyên lý của lidar xác định phân bố nhiệt độ Kỹ thuật lidar xác định phân bố mật độ phân tử trong luận án này sử dụng các tín hiệu tán xạ ngược bao gồm tán xạ đàn hồi và tán xạ Raman dao động-quay Từ phân bố mật độ phân tử, phân bố nhiệt độ khí quyển được rút ra theo giả thiết cân bằng thủy tĩnh và khí lí tưởng của khí quyển Trong trường hợp sử dụng tín hiệu lidar đàn hồi thì yêu cầu cần... gian từ vài phút đến hàng tuần quan sát liên tục tại một trạm quan sát có sự kết hợp của nhiều kỹ thuật lidar khác nhau 2 Kỹ thuật lidar tích phân sử dụng tán xạ Rayleigh hoặc tán xạ Raman dao độngquay để xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển Bằng cách lấy tích phân phương trình thủy tĩnh của khí quyển kết hợp với phương trình khí lý tưởng, phân bố nhiệt độ có thể được dẫn ra từ phân bố mật độ phân. .. xạ Raman dao động-quay và kết hợp đồng thời cả hai tán xạ trên Mục tiêu đặt ra cho luận án là các phép đo các phân bố này có thể bao phủ liên tục từ tầng đối lưu đến hết tầng bình lưu Luận án tiến sỹ Vật lý với tiêu đề Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển bao gồm 4 chương sau: Chương 1 Nguyên lý của lidar xác định mật độ và nhiệt độ Chương đầu... ngày trong năm sẽ được trình bày và thảo luận Việc so sánh kết quả lidar tại Hà Nội với một số kết quả lidar khác cũng sẽ được thảo luận 5 Chương 1 Nguyên lý của lidar xác định mật độ phân tử và nhiệt độ Phân bố nhiệt độ của khí quyển có thể được xác định từ phân bố mật độ phân tử của khí quyển theo điều kiện cân bằng thủy tĩnh và khí lí tưởng Trong khi đó, phân bố mật độ phân tử có thể được xác định từ... như: kỹ thuật lidar tích phân (integration lidar) [9], kỹ thuật lidar Raman quay (rotation Raman lidar) [65], kỹ thuật lidar huỳnh quang cộng hưởng (resonance fluorescence lidar) [7], kỹ thuật lidar hấp thụ vi phân (diferential absorption lidar) [91], và kỹ thuật lidar phân giải phổ cao (high spectral resolution lidar) [59] Kết quả thu được các phân bố có thể bao phủ từ mặt đất tới tầng nhiệt khí quyển. .. lý của lidar xác định phân bố mật độ phân tử và nhiệt độ của khí quyển Phần đầu chương trình bày vắn tắt về nguyên lí chung của kỹ thuật lidar Tiếp theo, cấu trúc và thành phần khí quyển được nêu một cách ngắn gọn, tập trung chủ yếu vào sự biến đổi của mật độ phân tử và nhiệt độ Ba loại tán xạ do tương tác của ánh sáng với các thành phần khí quyển như tán xạ Rayliegh, Mie, Raman ứng dụng trong lidar. .. tĩnh và khí lí tưởng sẽ có độ tin cậy cao, chính vì vậy kỹ thuật lidar Rayleigh đã trở thành kỹ thuật chủ yếu nghiên cứu mật độ phân tử và nhiệt độ trong các tầng khí quyển này Thứ hai, kỹ thuật lidar Rayleigh có thể đo được cả ban đêm và ban ngày, nếu trạm lidar được đặt ở nơi có rất ít mây và trên độ cao của lớp sol khí mặt đất thì chúng ta có thể tập hợp dữ liệu liên tục trong năm Thứ ba, các kỹ thuật