Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm. Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ của ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phạm Minh Tiến NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUANG HỌC Hà Nội, 2017 Cơng trình hồn thành Học Viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Đinh Văn Trung Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học Viện, họp Học Viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa hoc Công nghệ Việt Nam vào hồi … …, ngày … tháng… năm 201… Có thể tìm hiểu luận án : - Thư viện Học Viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc Gia Việt Nam MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Các nội dung nghiên cứu luận án CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Ozone khí quyền tầng thấp 1.1.1 Nguồn gốc phân bố 1.1.2 Tiết diện hấp thụ ozone 1.1.3 Vai trò tác động ozone 1.2 Đo đạc, quan trắc ozone khí 1.2.1 Khái quát chung 1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone khí quyền 1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone 1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng 1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone khí tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 1.3.1 Cơ sở vật lý kỹ thuật LIDAR LIDAR hấp thụ vi sai 1.3.2 Hệ LIDAR phương trình LIDAR 1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai khí tầng thấp 1.3.6 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao 1.3.7 Độ xác phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 2.1.2 Khối phát quang học 2.1.3 Khối thu quang học 2.1.4 Khối thu quang điện tử 2.1.5 Phần mềm xử lý, tính tốn 10 2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát 10 2.3 Mơ tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 10 2.4 Kết mô thảo luận 10 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP 11 3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone 11 3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố 11 3.2.1 Bộ dao động phát 11 3.2.2 Hệ quang học bơm 12 3.2.3 Bộ khuếch đại quang 12 3.2.4 Môi trường hoạt chất 12 3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu 12 3.3 Xây dựng phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc đánh giá 12 3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại khối quang học thu 13 3.4.1 Chế tạo telescope 13 3.4.2 Chế tạo hệ mài phơi kính quang học 13 3.4.3 Khối quang học thu 13 3.5 Phát triển khối điện tử thu 14 3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu 14 3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai 14 CHƯƠNG ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦN SỐ THẤP 15 4.1 Xử lý số liệu 15 4.2 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao 15 4.3 Kết đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao 17 4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết đo đạc 18 KẾT LUẬN CHUNG 20 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 21 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 22 Mở đầu Tính cấp thiết luận án Ozone khí quan tâm đặc biệt thành phần khí có mặt, phân bố, tính chất tác động lớn đến sống hành tinh Với nồng độ cao tầng bình lưu, ozone góp phần vơ quan trọng vào việc bảo vệ trái đất cách hấp thụ hầu hết xạ tử ngoại nguy hiểm từ mặt trời dải bước sóng từ 200 đến 300 nm Trong tầng đối lưu (ở lớp khí sát mặt đất), dù chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần tỷ - ppb), ozone thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi nhiễm, tác nhân ảnh hưởng đến sức khỏe người, sống sinh vật, đóng góp vào hiệu ứng nhà kính Vì thế, việc xác định nồng độ, phân bố ozone khí cần thiết, lớp khí bao quanh mặt đất Ở nước ta, báo cáo Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường (5/2012), lãnh thổ Việt Nam có khoảng 20 trạm khí tượng cao khơng dùng bóng thám khơng để quan trắc số liệu khí khơng có số liệu ozone bảng thông kê hàng năm Nhu cầu thực tế: quan trắc ozone khí quyển, khí tầng thấp, để tăng cường hiểu biết khí hậu, phục vụ cơng tác dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu, phòng chống nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe người xây dựng quy hoạch phát triển tương lai Mục tiêu nghiên cứu luận án Mục tiêu luận án đặt phát triển kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay viết tắt DIAL) hoạt động vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí ozone khí tầng thấp với độ phân giải cao Các nội dung nghiên cứu luận án Nội dung luận án phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc hai bước sóng tử ngoại 282,9 nm 286,4 nm Hệ thu ghi xử lý tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua tính tốn xác định phân bố mật độ ozone theo độ cao lớp khí tầng thấp Hệ bao gồm cấu phần sau: + Phần phát tín hiệu laser quang học vào khí + Phần thu tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi hai bước sóng + Phần điện tử đếm đơn photon, chương trình xử lý tín hiệu tính tốn phân bố oxone Chương Giới thiệu tổng quan 1.1 Ozone khí tầng thấp Ozone (O3) khí màu xanh dương, có mùi đặc trưng, hấp thụ ánh sáng UV có hoạt tính (oxy hóa) cao [2,5] Ozone loại khí có khí trái đất, trung bình 10 triệu phân tử khơng khí có phân tử ozone 1.1.1 Nguồn gốc phân bố Ozone tầng đối lưu sinh thơng qua phản ứng quang hóa với oxít nitơ NOx phân tử hợp chất hữu dễ bay (Volatile Organic Compound – VOC) tác dụng xạ mặt trời Nồng độ ozone cao có xu hướng tập trung xung quanh đô thị, nơi phát sinh tiền chất cần thiết cho trình tạo ozone, thường có đỉnh vào trưa xuống thấp vào ban đêm Nồng độ ozone thay đổi từ ngày sang ngày khác tùy thuộc vào tình trạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, … 1.1.2 Tiết diện hấp thụ ozone Tiết diện hấp thụ ozone vùng bước sóng từ 200 đến 1100 nm bao gồm bốn băng hấp thụ : Hartley, Huggins, Chappuis Wulf Các băng phổ hấp thụ mạnh Hartley Huggins đặc biệt quan trọng quan trắc khí kỹ thuật viễn thám sử dụng quang phổ kế hay thiết bị LIDAR đặt vệ tinh mặt đất 1.1.3 Vai trò tác động ozone Ozone tầng bình lưu chắn che chở tia xạ UV mặt trời, trì sống hành tinh Ngược lại, tầng đối lưu lớp khí bên mặt đất, với hoạt tính oxy hóa mạnh, ozone thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi nhiễm làm giảm chất lượng khơng khí, tác nhân ảnh hưởng đến sức khỏe người, sống sinh vật, đóng góp vào hiệu ứng nhà kính 1.2 Đo đạc quan trắc ozone khí 1.2.1 Khái quát chung Ozone khí đo đạc từ thiết bị đặt mặt đất, vật thể bay Ozone đo kỹ thuật đo trực tiếp (in situ) kỹ thuật viễn thám (remote sensing) 1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone khí 1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone Tổng lượng cột ozone đo kỹ thuật viễn thám (phổ hấp thụ quang học vi sai) với thiết bị đặt mặt đất vệ tinh (như quang phổ kế Dobson, quang phổ kế Brewer) để đo xạ ánh sáng (bức xạ mặt trời trực tiếp, xạ mặt trăng trực tiếp hay xạ từ bầu trời) dải phổ hấp thụ UV ozone 300 340 nm 1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone hàm độ cao hay áp suất môi trường Phân bố ozone thẳng đứng đo đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám quang phổ kế đặt mặt đất gắn vệ tinh thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19] 1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone khí dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 1.3.1 Cơ sở vật lý LIDAR LIDAR hấp thụ vi sai Hệ LIDAR gồm thành phần phát xạ laser; thu xạ tán xạ ngược trở từ khí quyển; điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý phân tích số liệu Trong kỹ thuật LIDAR, xạ laser tương tác với thành phần khí bao gồm phân tử, nguyên tử, son khí nước Khi đó, q trình vật lý xảy bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ tán xạ vi sai (differential absorption and scattering – DAS) Các trình nguyên nhân gây nên suy hao chùm tia xạ laser phát hệ LIDAR Đối với ozone, tiết diện hấp thụ vùng tử ngoại lớn nhiều tiết diện huỳnh quang tiết diện tán xạ Raman Do vậy, suy hao chùm tia laser thích hợp gây ozone phương pháp có độ nhạy cao để xác định mật độ ozone khí 1.3.2 Hệ LIDAR phương trình LIDAR Các phận chức cách thức hoạt động hầu hết hệ LIDAR minh họa Hình 1.17 Một xung lượng quang học mạnh phát laser qua hệ quang học phát thích hợp hướng tới đối tượng quan tâm khảo sát Một phần nhỏ xung trích để đánh dấu thời điểm (trigger) Bức xạ thu nhận quang học thu để qua hệ phân tích phổ đầu dò photon Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan sát lọc lựa bưc xạ bước sóng khác Các telescope Newtonian Cassegrainian phận yếu hệ quang học thu Hình 1.17 Các thành phần phần chủ yếu hệ lidar [3] Tín hiệu LIDAR thu nhận đầu dò biểu diễn dạng phương trính LIDAR: 𝑃(𝑅, 𝜆) = 𝑃0 𝑅 𝑐𝜏 𝑂(𝑅) 𝐴𝜂 𝛽(𝑅, 𝜆) 𝑒𝑥𝑝 [−2 ∫0 𝛼(𝑟, 𝜆)𝑑𝑟] 𝑅 (1.21) P0 cường độ trung bình đơn xung laser, τ độ dài thời gian xung Hệ số ½ quay lại xung laser qua trình tán xạ ngược, c tốc độ ánh sáng A diện tích thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược hiệu suất hệ O(R) hàm 1.3.7 Độ xác phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai Độ xác phép đo DIAL xác định sai số thống kê đặc trưng ngẫu nhiên q trình phát tín hiệu mà tuân theo thống kê Poisson [37] Độ xác phép đo phụ thuộc vào gần áp dụng để suy mật độ số ozone từ tín hiệu thu độ tuyến tính tín hiệu lidar Chương Thiết kế mô hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone khí tầng thấp 2.1 Thiết kế hệ đo LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai 2.1.2 Khối phát quang học Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback Dye Laser – DFDL) loại laser phát triển thành công Viện Vật lý [67 – 72] Với công suất phát dự kiến đủ để ghi nhận tín hiệu LIDAR, laser màu phản hồi phân bố có số ưu điểm kết cấu đơn giản; có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn (10 – 20 nm tùy loại chất màu dùng làm mơi trường hoạt tính) nên thuận lợi việc chọn cặp bước sóng cho hệ DIAL đo ozone, giúp tránh ảnh hưởng khí nhiễu lên kết đo; DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên cho hiệu suất tốt laser màu thơng thường việc nhân tần tạo bước sóng UV Do vậy, luận án lựa chọn laser màu DFDL làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai 2.1.3 Khối thu quang học Bộ phận khối thu quang học hệ LIDAR nói chung hệ LIDAR hấp thụ vi sai telescope Telescope thiết kế nghiên cứu tự chế tạo với đường kính lớn tối thiểu 40 cm để tăng hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR Ngồi ra, phơi kính quang học dùng telescope cần phủ nhôm để thu nhận tín hiệu tốt vùng tử ngoại 2.1.4 Khối thu quang điện tử Khối thu điện tử hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm ba phận chính: chuyển đổi quang điện, tiền khuếch đại đếm đơn photon Bộ chuyển đổi quang điện sử dụng nhân quang điện (Photomultiplier Tube – PMT), lựa chọn có hiệu suất lượng tử cao vùng tử ngoại để tăng hiệu suất phát PMT vùng bước sóng Tín hiệu LIDAR tín hiệu có cường độ thấp nên photon tán xạ ngược đàn hồi thiết bị trở thành xung rời rạc Do vậy, thu điện tử cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai thực theo phương pháp đếm đơn photon Phương pháp đếm photon có ưu điểm nhiều so với phương pháp thu nhận tín hiệu tương tự tính ổn định, hiệu suất phát tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (signal to noise ratio) cao [73] Để thực đếm đơn photon, thu điện tử phải thiết kế với mạch điện tử đáp ứng nhanh 2.1.5 Phần mềm xử lý, tính tốn Chức năng, nhiệm vụ phần mềm thiết kế phải đáp ứng yêu cầu thu ghi, lưu trữ, xử lý số liệu tính tốn phân bố ozone theo phương thẳng đứng 2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát Cặp bước sóng vi sai lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai hai bước sóng tử ngoại 282,9 nm (λon) 286,4 nm (λoff) Tiết diện hấp thụ ozone bước sóng on 29,7.10-23 m2 tiết diện hấp thụ vi sai 𝜎(𝜆𝑜𝑛 ) − 𝜎(𝜆𝑜𝑓𝑓 ) 8,9.10-23 m2 [3] Hai bước sóng kết lựa chọn xem xét hài hòa nhiều yếu tố: hiệu suất huỳnh quang chất màu, độ cao xác định phân bố ozone, giảm ảnh hưởng ánh sáng nền, giảm ảnh hưởng xen vào son khí, tránh ảnh hưởng lên kết đo ozone có mặt có SO2[3] 2.3 Mơ tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone Với kết cấu hệ LIDAR hấp thụ vi sai thiết kế, tính tốn mơ cho hệ thực để dự đốn độ cao đo đạc phân bố ozone xác định thời gian thu ghi tín hiệu LIDAR bước sóng on off Phép mơ tính tốn số photon tán xạ ngược đàn hồi hai bước sóng theo phương trình LIDAR (1.21) 2.4 Kết mơ thảo luận Tín hiệu LIDAR tỷ số tín hiệu nhiễu S/N mô hai bước sóng on 282,9 nm bước sóng off 286,4 nm theo độ cao với thay đổi lượng xung phát, thời gian đếm photon, đường kính telescope Các kết tính mơ cho thấy tín 10 hiệu LIDAR hai bước song on off thu nhận đến độ cao km với thời gian đếm photon 10 phút Chương Nghiên cứu phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo đạc phân bố ozone khí 3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát triển theo lựa chọn trình bày Chương 3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố Các laser màu phản hồi phân bố triển khai cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát bước sóng 565,8 nm 572,8 nm có sơ đồ trình bày Hình 3.2 3.2.1 Bộ dao động phát Trong phận dao động phát DFDL, chùm bơm qua thấu kính trụ L1 chia đôi gương tam giác CM Chúng phản xạ hai gương m1 m2 để hội tụ giao thoa bề mặt môi trường hoạt chất chứa cuvette C1 Vị trí m1 m2 tính tốn thiết kế để DFDL phát bước sóng mong muốn 11 3.2.2 Hệ quang học bơm Bức xạ họa ba bậc hai 532 nm laser Nd:YAG, tần số 10 Hz, độ rộng xung ns, sử dụng để bơm cho hệ laser màu phản hồi phân bố Hệ quang học bơm bao gồm gương M1, M2, M3 M7; hai chia chùm Rm1, Rm2; hai lăng kính P2 P3 để định hướng chùm laser bơm đến cuvette chứa chất màu dao động khuếch đại; kéo dài quãng đường xung laser bơm đến tầng khuếch đại công suất để đảm bảo hiệu suất khuếch đại xung laser màu qua cuvette C3 3.2.3 Bộ khuếch đại quang Bộ khuếch đại quang gồm hệ khuếch đại lần truyền qua (thấu kính L2, gương từ m3 đến m14 cuvette C2 dày mm) tầng khuếch đại cơng suất ngõ (thấu kính trụ L3 cuvette C3) 3.2.4 Môi trường hoạt chất Chất màu Rhodamine 6G hòa tan ethanol sử dụng làm mơi trường hoạt chất cho hệ laser màu phản hồi phân bố 3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu Luận án thiết kế chế tạo bơm ly tâm thủy tinh sử dụng nguyên tắc khuấy từ để làm cánh khuấy đẩy chất màu qua cuvette 3.3 Xây dựng phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc đánh giá Hai hệ laser màu phản hồi phân bố có thiết kế giống nhau, khác góc tới tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1 Năng lượng xạ laser màu DFDL xạ tử ngoại ngõ sau tinh thể nhân tần đo đạc trình bày Bảng 3.2 12 Bảng 3.2: Năng lượng xạ laser phát bơm laser họa ba bậc hai laser Nd:YAG bước sóng 532 nm Bức xạ laser Bước sóng (nm) Năng lượng DFDL 565,8 0,62 mJ/xung 572,8 1,8 mJ/xung UV 282,9 30 J/xung 286,4 60 J/xung 3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại khối quang học thu 3.4.1 Chế tạo telescope Hệ telescope nghiên cứu chế tạo loại Newtonian lắp gương cầu có đường kính tối đa 40 cm Bộ khung cho telescope chế tạo để lắp gương cầu với tiêu cự thay đổi xa 210 cm Hệ khung telescope bao phủ lớp vải đen dày để tránh ánh sáng tán xạ trường gần Quang trục hệ cân chỉnh dùng laser bán dẫn 3.4.2 Chế tạo hệ mài phơi kính quang học Hệ mài tự động phơi kính quang học thiết kế để mài gương cầu (gương sơ cấp telescope) có đường kính từ 20 cm tới tối đa 80 cm Gương cầu quang học kiểm tra, đánh giá bề mặt quang học hệ kết hợp phương pháp Ronchi Foucault [80] thực Viện Vật lý cho thấy phơi kính quang học sau q trình mài có mặt lõm dạng cầu đặn có tiêu cự 1,8m 3.4.3 Khối quang học thu Hệ quang học khối thu hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm telescope, kính lọc bước sóng (F), hai thấu kính L1 L2 13 3.5 Phát triển khối điện tử thu Khối điện tử thu phát triển dựa sở hệ đo LIDAR nhiều bước sóng phát triển Viện Vật lý dùng dao động ký số tín hiệu nhanh Picoscope 5204 với sơ đồ Hình 3.22 để thu nhận tín hiệu LIDAR chế độ đếm đơn photon PMT Bộ khuếch đại băng rộng Dao động ký số tín hiệu nhanh Máy tính: chương trình đếm photon Labview Hình 3.22: Sơ đồ khối điện tử thu chế độ đếm photon 3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu Phần mềm lấy mẫu, xử lý tín hiệu, lưu trữ, chuẩn hóa, hiển thị kết đo lập trình Labview để điều khiển dao động ký số Picoscope Phần mềm phát triển Viện Vật lý cho hệ LIDAR phục vụ nghiên cứu son khí khí Phần mềm xử lý tín hiệu xây dựng Matlab để làm trơn kết đo, loại bỏ dòng tối offset module điện tử thu, chuyển tín hiệu LIDAR theo khoảng cách P(R,) sang dạng R2P(R,) nhằm loại bỏ phụ thuộc tín hiệu vào khoảng cách Các số liệu LIDAR sau xử lý bước sóng on off đưa vào phần mềm tính tốn phân bố nồng độ ozone khí theo độ cao xây dựng Matlab 3.7 Đo đạc, đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai Hệ LIDAR hấp thụ vi sai bố trí cân chỉnh để ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi độ cao cao Sau cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử dụng để đo đạc thử nghiệm ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao km hai bước sóng on off Với tốc độ lấy mẫu dao 14 động ký điện tử Picoscope 125 MSamples/s áp dụng kỹ thuật lọc số liệu cách lấy trung bình số điểm đo để tăng tỷ số tín hiệu nhiễu S/N, độ phân giải không gian phép đo LIDAR hấp thụ vi sai 480 m với sai số thống kê độ cao km ~18% Độ phân giải không gian phép đo LIDAR hấp thụ vi sai lựa chọn nhỏ hơn, nhiên sai số thống kê cao Hệ LIDAR hấp thụ vi sai không ghi nhận tín hiệu LIDAR đến độ cao km tính tốn mơ giải thích bề dày trung bình km son khí bầu trời Hà nội [81] Lớp son khí làm tán xạ xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược hạn chế độ cao đo đạc Chương Đo đạc thử nghiệm phân bố ozone lớp khí tầng thấp 4.1 Xử lý số liệu Để cải thiện độ xác phép đo trước tính tốn phân bố ozone, liệu thu tập tin dạng *.txt hiệu chuẩn theo thời gian, hiệu chỉnh lấy trung bình 4.2 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao Nồng độ phân bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) độ cao R R+R tính theo biểu thức (1.34), tổng ba số hạng: Ns(R) : số hạng tín hiệu đo (s – signal) Nb(R) : số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược vi sai (b – backscattering) Ne(R) : số hạng hiệu chỉnh suy hao vi sai (e – extinction) Trong số hạng trên, có Ns(R) tính trực tiếp từ số liệu đo, số hạng hiệu chỉnh Nb(R) Ne(R) tính theo biểu thức (1.41) (1.42) tương ứng Các hệ số tán xạ ngược 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) mật độ phân 15 bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) xác định phương pháp lặp trình bày Mục 1.3.6 Trong tính tốn phân bố mật độ ozone từ kết đo LIDAR hấp thụ vi sai, tỷ số LIDAR S xác định 30 sr-1 theo nghiên cứu son khí Hà Nội [81], nghiên cứu son khí mơi trường thị có nhiễm [63,76] Giá trị số mũ Angstrom thường biểu thị cho kích thước hạt son khí Các cơng trình nghiên cứu đo đạc số mũ Angstrom son khí tầng đối lưu cơng bố giá trị xung quanh bước sóng 300 nm thay đổi từ đến [82,83] Áp dụng cho trường hợp cặp bước sóng LIDAR hấp thụ vi sai vùng tử ngoại, xem xét với tương đối nhỏ 0,5 cho son khí thị [39] Các bước tính tốn phân bố mật độ ozone tóm tắt sau: Bước 1: tính phân bố mật độ ozone lần thứ theo biểu thức [1.35] Bước 2: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ nhất, tính hệ số tán xạ ngược son khí 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) cho bước sóng off theo biểu thức [1.46] lặp lại (vòng lặp son khí) với giá trị hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) theo biểu thức (1.48) để nhận giá trị 𝑙 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) thỏa mãn điều kiện 𝜉𝑎𝑒𝑟 < 0,01 Bước 3: tính số hiệu chỉnh Nb(R) Ne(R) theo biểu thức (1.41) (1.42), từ suy phân bố mật độ ozone lần thứ hai theo biểu thức (1.34) Bước 4: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ hai, quay trở lại bước Vòng lặp ozone kết thúc thỏa mãn điều kiện 𝜉𝑂𝑘3 < 0,001 Chương trình tính phân bố ozone viết Matlab 16 4.3 Kết đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao Hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, dùng nguồn phát laser màu phản hồi phân bố, triển khai đo đạc thử nghiệm phân bố ozone vào đêm trời trong, mây Hình 4.2 trình bày kết phân bố mật độ ozone liên tục vào tháng 01/2017, từ khoảng 1,2 km đến độ cao km, với độ phân giải không gian 480 m thời gian đếm tích hợp 10 phút Các tín hiệu LIDAR độ cao 1,2 km loại ảnh hưởng hàm chồng chập chùm laser phát trường nhìn telescope thu Hình 4.2: Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 Hà Nội Từ mật độ ozone trung bình trình bày Hình 4.2, nhận thấy nồng độ ozone Hà Nội từ độ cao khoảng 1200 m tới 4000 m biến động giảm trung bình từ 2.1012 đến 5.1011 phân tử/cm3, tương đương từ 80 đến 20 ppbv Xu hướng giảm phù hợp với phân bố ozone đặc trưng tầng đối lưu Do khơng có số liệu đo phân bố ozone bóng thám khơng vào thời điểm đo 17 đạc nên Hình 4.2 sử dụng phân bố ozone Hà Nội, đo đầu dò ozone đặt bóng thám không, độ phân giải km, công bố hội nghị khí tượng Hàn Quốc năm 2007 [4] để minh họa xu hướng giảm so sánh, đánh giá tương đương bậc số liệu đo phân bố mật độ ozone 4.4 Phân tích sai số đánh giá kết đo đạc Sai số thu ghi tín hiệu DIAL phân thành loại: Sai số thống kê 1 nhiễu nhiễu tín hiệu Sai số 2 suy hao tán xạ ngược thành phần khác (như NO2, SO2, son khí) Sai số 3 độ bất định tiết diện hấp thụ ozone Sai số 4 có nguồn gốc từ thiết bị hệ điện tử Trong 1 sai số ngẫu nhiên; 2, 3 4 sai số hệ thống 1 xác định theo thống kê Poisson biểu thức (1.51) [66] Tổng hợp sai số phép đo DIAL phân bố nồng độ ozone trình bày Bảng 4.2 cho độ cao khí km Bảng 4.2: Tổng hợp sai số đo đạc DIAL ozone TT Sai số % 1 - Sai số thống kê 2 - thành phần khác ozone < 18 Son khí < 20 Khí hấp thụ khác < 0,3 Rayleigh < 0,6 3 độ bất định tiết diện hấp < 2,5 thụ ozone 4 SIB thời gian chết