3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 3.1 là đồ thị của tín hiệu sau khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo. Vị trí đỉnh của lớp son khí được hiểu là vị trí sườn dốc xuống của cường độ son khí khi bắt đầu suy giảm đột ngột. Vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt sẽ được xác định theo phương pháp đạo hàm - gradient đã được trình bày trong chương 1 của luận án. Kết quả của phương pháp đạo hàm này được thể hiện cụ thể trong Hình 3.5 áp dụng đối với 3 tín hiệu lidar đàn hồi trường gần, tại ba thời điểm
khác nhau trong một ngày, cho phép xác định vị trí và sự thay đổi độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt theo thời gian[72].
Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật tốn đạo hàm, tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi sẽ được chuẩn hóa theo tọa độ [48]. Trong Hình 3.1 a tơi đưa ra đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu đã chuẩn hóa theo độ cao. Từ đồ thị 3.1 a sẽ chỉ ra vị trí đỉnh của lớp son khí tầng thấp tương ứng đối với tín hiệu đo thể hiện trong hình 3.1 b.
3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode
Phép đo tín hiệu tán xạ đàn hồi sử dụng hệ lidar nhỏ thực hiện quan trắc lớp son khí bề mặt vào thời gian ban đêm, khi nhiễu nền do tán xạ của bức xạ mặt trời khơng cịn nữa. Một kết quả điển hình của hệ đo được thực hiện lúc 20h Hình 3.1: a) Đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo thời gian, xác định đỉnh lớp son khí bề mặt theo phương pháp gradient. b) Tín hiệu đàn hồi của lớp son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
-500 0 500
Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2x 10 4 a) b) Độ cao (km) I.z 2 (a.u) H(z ) (a.u) Đỉnh lớp son khí bề mặt
ngày 4 tháng 7 năm 2012, tại thời điểm quan trắc lớp son khí bề mặt có mật độ thấp chúng ta hiểu đó là một ngày trời khá trong. Tín hiệu ghi nhận thấy có sự xuất hiện của Mây Ti tầng cao ~7 km, điều đó thể hiện điều kiện đo có khí quyển trong và chất lượng tín hiệu ghi nhận có độ phẩm chất cao. Sau khi chuẩn hóa cường độ tín hiệu theo độ cao chúng ta thấy được miền son khí lớp bề mặt tồn tại dưới độ cao ~1,5 km như trong Hình 3.2.
Trước khi xác định thông số độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt từ tín hiệu lidar sử dụng laser diode 905 nm, chúng tơi đánh giá chất lượng tín hiệu của phép đo bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu như trong Hình 3.3. Đối với tín hiệu lidar sử dụng laser diode năng lượng nhỏ chúng ta thấy chất lượng tín hiệu hồn tồn đáng tin cậy trong khoảng đo dưới 3,5 km hoặc trong miền tồn tại Mây Ti ~6,5 km – 7,5 km. Trên khoảng cách 3,5 km là miền son khí tự do tồn tại với mật độ hạt thấp do đó tín hiệu tán xạ Mie giảm mạnh. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được đánh giá bằng thuật toán và sử dụng chương trình xử lý số xây dựng theo lý thuyết của nhóm tác giả B. Heese và cộng sự được thể hiện trong Hình 3.3.
Hình 3.2: Tín hiệu trường gần của hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình trong thời gian 30 s vào lúc 20h ngày 4/7/2012. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 10 20 30 40 50 60 Khoảng cách (km) I.z 2 Lớp son khí bề mặt
Trên khoảng cách miền son khí bề mặt, trên ~2 km cho tới vị trí dưới lớp Mây Ti ~6,5 km, chúng ta thấy có sự sụt giảm mạnh tín hiệu tán xạ ngược. Điều này dễ hiểu bởi tại đó là miền son khí tự do có mật độ cư trú thấp. Ở đó tín hiệu tán xạ đàn hồi ngược trở về giảm mạnh bởi đóng góp của tín hiệu tán xạ Rayleigh là chủ yếu, mà bước sóng dài 905 nm sẽ cho cường độ tán xạ rất nhỏ, cường độ tán xạ trên phân tử khí tỉ lệ với 𝜆−4 [103], điều đó giải thích tại sao chúng ta khơng sử dụng lidar YAG bước sóng 1064 nm khảo sát khí quyển miền tự do dù cơng suất phát tại bước sóng đó lớn hơn rất nhiều so với cơng suất phát tại bước sóng 532 nm. Tuy nhiên với đầu thu APD phân giải đơn photon đang mở ra một bài toán thú vị là kết hợp hệ lidar YAG cơng suất cao phát bước sóng 1064 nm sử dụng đầu đo APD mới để quan trắc các lớp mây tầng cao. Với mục đích nâng cấp, cải tiến với mong muốn khai thác tối đa hiệu năng của hệ lidar và cơ sở vật chất hiện có của nhóm cho mục đích quan trắc mơi trường từ xa.
Sử dụng chương trình tính tốn số viết bằng ngôn ngữ Matlab, phụ lục 2.5, theo phương pháp Gradient xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt. Trong Hình 3.4 chúng ta thấy độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt vào thời điểm đo tồn tại ở vị trí ~1,45 km. Tại đó ứng với cực tiểu của đồ thị H 𝑧ℎ = ∆𝑋
∆𝑧 = 𝑑𝑋 𝑑𝑍
(như trong công thức 2.5) phụ thuộc vào khoảng cách đo.
Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2.
1 2 3 4 5 6 7 8 2 4 6 8 10
Vị trí tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng 1
Khoảng cách T ỉ số tín h iệu tr ên n h iễu