2.4. Xử lý tín hiệu lidar
2.4.8. Xác định tỉ số khử phân cực của son khí
Tỉ số khử phân cực (depolarization ratio) - Δ được định nghĩa bằng tỉ số của tín hiệu theo phương phân cực vng góc với tín hiệu theo phương phân cực song song, theo biểu thức sau [125]:
Δ = 𝑃⊥
𝑃∥ (2.13)
Hướng phân cực của tín hiệu thu về được gọi là song song hay vng góc so với hướng phân cực của chùm laser phát đi. Để xác định hướng phân cực của chùm tia laser chúng tôi sử dụng một bản kính 𝜆/2 đặt trước chùm laser phát đi để sử dụng trong quá trình chuẩn hệ số khuếch đại hai kênh phân cực. Để phân tách tín hiệu theo hai kênh phân cực song song và vng góc trước khi tới hai đầu thu, chúng tôi sử dụng một bản tách chùm phân cực, cho phép tách chùm tín hiệu theo phương phân cực. Chùm tín hiệu đi thẳng có phương phân cực song song so với phương phân cực của chùm tia laser và một chùm tia phản xạ vng
góc có phương phân cực vng góc so với phương phân cực ban đầu của chùm laser. Sơ đồ khối và đặc điểm cấu tạo của các linh kiện quang trong hệ lidar phân cực được trình bày chi tiết trong mục 2.1.1 của luận án.
Phép đo tín hiệu phân cực được thực hiện trên một hệ đo ở chế độ tương tự. Tín hiệu đo được chuẩn hóa theo cường độ tín hiệu tán xạ ngược tại khoảng cách ~10 km, khi mật độ son khí bằng khơng. Khi chuẩn hóa tín hiệu tức là chúng ta làm phép so sánh với mục đích hiệu chuẩn hệ số khuếch đại giữa hai kênh đo và tìm mức khuếch đại phù hợp giữa hai kênh đo. Chương trình xác định tỉ số khử phân cực được trình bày trong phụ lục 2.10.
2.4.9. Đánh giá sai số của các thông số đặc trƣng
Đối với mỗi hệ đo tín hiệu yếu việc đánh giá chất lượng tín hiệu, tìm hiểu các ngun nhân gây ra sai số, đóng góp của sai số do từng nguyên nhân và sai số tổng hợp sẽ cho chúng ta thông tin về độ tin cậy của tham số khi sử dụng các thông số khảo sát đánh giá đối tượng. Hiểu biết về nguồn gốc gây ra sai số phép đo cũng cho phép chúng ta từng bước khắc phục những nguyên nhân gây ra sai số, nâng cấp chất lượng hệ đo cũng như áp dụng các thuật tốn phù hợp để tìm giá trị vật lý đặc trưng của đối tượng.
Ở đây phương pháp xác định sai số dựa trên quá trình gây ra và thu nhận tín hiệu của hệ lidar, từ khi tín hiệu lidar tương tác với đối tượng trong khí quyển, và tiếp tục là các quá trình gián tiếp chuyển đổi từ photon thu thành tín hiệu số ghi nhận của hệ đo. Như vậy chúng ta có thể hiểu được những tác nhân ảnh hưởng trực tiếp tới tín hiệu thu nhận đó là: khí quyển, ánh sáng nền và các tham số đặc trưng của hệ thu. Sai số gặp phải phát sinh do chính đặc tính về cường độ của tín hiệu lidar thu nhận, do q trình lan truyền photon tán xạ, do sự có mặt và biến động của mật độ phân tử khí, các tham số hiệu chuẩn hệ đo [22, 103].
Chúng tơi xây dựng phương trình giải tích dựa theo ngun tắc của nhóm tác giả [32], cuối cùng tơi xin trình bày ngắn gọn kết quả cuối cùng của giá trị sai số gặp phải đối với tham số tỉ số lidar như sau:
Khi đó biểu thưc cuối cho phép xác định sai số của tỉ số lidar viết lại [103]:
𝛿𝑅 𝑅 2 = 𝛿𝑠 𝑠 2 + 𝛿𝑞 𝑞 2 + 𝛿 𝐹𝑀 𝐹𝑀 2 + 𝛿 𝐹𝑀 ∗ 𝐹𝑀 ∗ − 2 𝐶𝐹𝐹∗ 2 𝐹𝑀𝐹𝑀 ∗ + 𝛿 𝑅𝑚𝑖𝑛 𝑅𝑚𝑖𝑛 2 (2.14) Trong biểu thức 2.14 thể hiện đầy đủ các nguyên nhân gây ra nhiễu và mức đóng góp vào nhiễu tổng thể của tín hiệu lidar xác định tỉ số tán xạ ngược giữa tán xạ toàn phần và tán xa phân tử khí, .
Ở đây chúng ta cần hiểu nguyên nhân gây ra các sai số thành phần được kể tới:
𝛿𝑠 𝑠
2
là sai số gây ra bởi hệ thu nhận tín hiệu.
𝛿𝑞 𝑞
2
là sai số hàm truyền gây ra do các tác nhân mà bức xạ kích thích và tín hiệu đàn hồi gặp trên q trình lan truyền trong khí quyển.
𝛿 𝐹𝑀 𝐹𝑀
2
là sai số gây ra do mật độ phân tử thay đổi trong quá trình ghi nhận tín hiệu.
𝛿 𝑅𝑚𝑖𝑛 𝑅𝑚𝑖𝑛
2
là sai số gây ra do việc chọn điểm thấp nhất coi như khơng có sự tham gia của son khí.
Trong nội dung này tơi xin trình bày ngắn gọn về phương pháp đánh giá các nguyên nhân sinh ra nhiễu, trình bày kết quả giải tích để phục vụ việc viết chương trình số phân tích nhiễu tín hiệu gặp phải trong việc xác định tỉ số lidar từ tín hiệu của hệ đo đa kênh xây dựng tại Viện Vật lý. Kết quả cụ thể tơi sẽ trình bày và thảo luận trong chương 3 khi viết về kết quả quan trắc các đại lượng đặc trưng của lớp son khí tầng thấp sử dụng hệ đo xa đa kênh nhiều bước sóng.
2.5. Kết luận chƣơng II
Trong chương II, chúng tơi trình bày ngun lý hoạt động, cấu trúc, kỹ thuật xây dựng hệ lidar Raman phân cực nhiều bước sóng và hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode bên cạnh đó chúng tơi cũng trình bày lý thuyết, các chương trình tính tốn số xác định các tham số quang học đặc trưng của son khí trong tầng khí quyển.
1. Trình bày nguyên lý, cấu trúc hệ lidar Raman phân cực nhiều bước sóng. Nghiên cứu, phát triển, tối ưu hệ lidar Raman phân cực xây dựng lần đầu tiên tại Việt Nam, phục vụ mục đích quan trắc các thành phần son khí trong khí quyển tới độ cao trên 20 km. Chúng tôi tập trung nghiên cứu, tối ưu về cấu trúc quang học, cấu trúc điện tử của hệ lidar này đáp ứng mục đích ghi nhận tính hiệu quang yếu hoạt động ở chế độ đếm photon với kênh tín hiệu Raman, ở chế độ đo tương tự hoặc đếm photon với kênh tín hiệu đàn hồi theo hai phương phân cực khác nhau.
2. Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn, dễ điều chỉnh, giá rẻ sử dụng laser diode công suất cao cho phép quan trắc lớp son khí bề mặt và có khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao ở phân bố dưới 10 km trong mọi điều kiện thời tiết vào thời gian ban đêm.
3. Sự khác biệt của hệ lidar nhỏ gọn và di động là kết hợp sử dụng laser diode hoạt động ở tần số ~1,25 kHz, với độ rộng xung ~70 ns, cơng suất trung bình ~9,7 mW. Hệ đầu thu quang điện sử dụng là diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 hoạt động ở chế độ Geiger, khi được làm lạnh tới nhiệt độ -20oC bằng bộ làm lạnh sử dụng Pin nhiệt điện hai lớp và buồng hút ẩm. Đầu thu hoạt động ở mức thế ngược -138V đảm bảo mức nhiễu dưới 2.103
xung/giây. Ăng ten quang học sử dụng là telescope loại nhỏ LX200 EMC đường kính 20 cm loại Cassegrain.
4. Với tuổi thọ của laser diode có thể lên tới hàng chục nghìn giờ (laser đang sử dụng có tuổi thọ ~14.000 giờ) cho phép hệ đo hoạt động liên tục trong thời
gian lâu dài (~3 năm) và chi phí duy trì cực thấp sẽ đặc biệt phù hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại Việt Nam.
5. Tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu trúc khối điện tử và sự khác biệt giữa chế độ ghi nhận tín hiệu tương tự, chế độ đếm photon của hệ lidar trên cơ sở sử dụng đầu thu là ống nhân quang điện PMT hoặc diode quang thác lũa APD đưa ra điều kiện hoạt động phù hợp với đối tượng đo cụ thể nhằm đạt chất lượng tín hiệu tối ưu.
6. Trong thời gian tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển hệ lidar quan sát trường gần theo các mục đích sau:
Tăng cơng suất laser diode, tăng độ nhạy của đầu thu nhằm tối ưu hệ lidar nhỏ gọn và khả năng di động, tăng chất lượng tín hiệu quan trắc lớp khí quyển tầng thấp.
Sử dụng nhiều loại laser diode công suất cao phát ở các bước sóng khác nhau cho phép xây dựng hệ lidar nhiều bước sóng có khả năng quan trắc sự phân bố kích thước hạt son khí trong khơng gian trường gần biến đổi theo thời gian [43, 44].
Nghiên cứu xây dựng hệ lidar nhỏ có tính năng qt 3 chiều, tự động xử lý dữ liệu, xác định các thông số vật lý đặc trưng của đối tượng quan trắc theo thời gian thực.
7. Trong chương này, chúng tơi trình bày chi tiết các bước chuẩn hóa tín hiệu, các chương trình số xác định các tham số quang học đặc trưng của son khí viết trên ngơn ngữ Matlab. Áp dụng xác định các thông số vật lý đặc trưng quan trọng của son khí trong miền quan trắc tại Hà Nội. Đồng thời phân tích ý nghĩa của các thông số đặc trưng cho hệ đo, các thông số quang đặc trưng cho đối tượng đo.
8. Các thuật toán sử dụng khai thác dữ liệu từ các hệ lidar quan trắc môi trường cho tới thời điểm hiện tại là khá hoàn chỉnh về cơ sở lý thuyết tốn học. Tuy nhiên, việc tìm hiểu nghiên cứu và chủ động xây dựng lại các chương trình xử lý số là một nhiệm vụ cần thiết đối với nhóm nghiên cứu khi bắt đầu hồn
tồn mới trong lĩnh vực này. Trong thời gian tiếp sau chúng tôi sẽ tiếp tục tìm hiểu và xây dựng các chương trình tính tốn số nhằm khai thác cơ sở dữ liệu lidar xác định các thông số đặc trưng khác của đối tượng son khí được quan trắc như đặc trưng phân bố kích thước, đặc trưng phân bố mật độ...
CHƢƠNG III
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của lớp son khí tầng thấp
Chiếm tới 50% tổng lượng son khí trong khí quyển tập trung dưới độ cao 5 km, lớp son khí bề mặt Trái Đất có ý nghĩa quan trọng trong mơ hình khí quyển của trái đất và ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng khí của sinh quyển tại đó. Trong chương III chúng tơi trình bày chi tiết về các tính chất và vai trị của lớp son khí bề mặt trái đất, những kết quả thực nghiệm nghiên cứu được khai thác từ dữ liệu quan trắc bằng hệ lidar Raman phân cực đa kênh được xây dựng lần đầu tiên tại Việt Nam.
Cấu trúc lớp khí quyển trái đất đã được trình bày chi tiết trong chương đầu tiên của luận án. Trong nội dung chương 3 chúng tơi sẽ trình bày những kết quả nghiên cứu cụ thể được nhóm áp dụng với đối tượng son khí trường gần trái đất. Lớp son khí tầng thấp được hiểu là phần vật chất hạt bụi, mù, sương… tồn tại gần bề mặt trái đất thường phân bố trong khoảng độ cao từ 0 ÷ ~5 km. Trong khoảng không gian quan trắc này được phân ra thành hai lớp: lớp dưới gần bề mặt trái đất khoảng 1,5 km sẽ được gọi là lớp son khí bề mặt và phần còn lại được gọi là lớp son khí tự do tầng thấp từ ~1,5 km đến ~5 km [28, 30, 48, 116, 119].
3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 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 tốn 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 không 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