Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển

2.4. Xử lý tín hiệu lidar

2.4.4. Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển

Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar tổng quát 2.1 trong đó tích phân: 𝑂𝐷 = [𝜎0𝑧 𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧 (2.6) OD (Optical Depth) được hiểu là độ sâu quang học của lớp khí nằm trong khoảng cách từ vị trí đặt hệ lidar tới khoảng cách đo z.

𝑇 = 𝑒𝑥𝑝 −2 [𝜎0𝑧 𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧 (2.7) Biểu thức 2.7 xác định hệ số truyền qua T (transmission factor) của miền khí quyển từ mặt đất tới khoảng cách z. Mã chương trình xác định độ sâu quang Hình 2.32: a): Khoảng khơng gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt, b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí [57].

Độ c

học của son khí theo tín hiệu lidar trong khoảng đo z được trình bày chi tiết trong phụ lục 2.6.

2.4.5. Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu Raman

Trong mục này chúng ta tìm hiểu về lý thuyết tốn mà hiện tượng tán xạ phi đàn hồi - tán xạ Raman tuân theo. Ví dụ với tán xạ Raman của phân tử khí Ni tơ kích thích ở bước sóng kích 532 nm và tán xạ ở bước sóng 607 nm. Đóng góp tán xạ ngược tại bước sóng đặc trưng của khí Ni tơ 607 nm được đặc trưng bởi hệ số tán xạ ngược 𝛽𝑁 𝜆𝑁, 𝑧 . Trong khi đó đóng góp vào yếu tố suy hao của

tín hiệu quay về gồm cả suy hao do phân tử và đóng góp của son khí ở bước sóng kích cơng với sự suy hao ở bước sóng tán xạ ngược đặc trưng Raman theo chiều về của cả hai yếu tố đó. Phương trình lidar cơ bản cho hiện tượng tán xạ Raman tuân theo là [109]:

𝑃 𝜆𝑁, 𝑧 = 𝑃 𝜆0 . 𝐶 𝜆0, 𝜆𝑁 . 𝐴.𝑂 𝑧

𝑍2 . 𝛽𝑁 𝜆𝑁, 𝑧 .

𝑒𝑥𝑝 − 𝛼0𝑧 𝑚𝑜𝑙 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆𝑁, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆𝑁, 𝜉 𝑑𝜉 (2.8)

Trong đó z là khoảng cách đo, 𝑃 𝜆0 là công suất chùm laser phát đi tại

bước sóng kích thích 532 nm, 𝐶 𝜆0, 𝜆𝑁 là hằng số chuẩn hóa cho hệ đo, A là

tiết diện mặt của telescope, 𝑂 𝑧 là hàm chồng chập đặc trưng theo thiết kế

quang hệ, 𝛽𝑁 𝜆𝑁, 𝑧 = 𝑁𝑁 𝑧 .𝑑𝜎𝑁(𝜋)

𝑑Ω là hệ số tán xạ ngược, 𝑁𝑁 𝑧 𝑣à 𝑑𝜎𝑁(𝜋) 𝑑Ω là mật độ khí Ni tơ trong khí quyển và tiết diện tán xạ Raman vi phân đặc trưng của khí Ni tơ tương ứng tại bước sóng 𝜆𝑁 khi kích bởi bước sóng 𝜆0,

𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝜉 + 𝛼𝑚𝑜𝑙 𝜆𝑁, 𝜉 + 𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆𝑁, 𝜉 là hệ số suy hao của

phân tử, của son khí lần lượt tại hai bước sóng kích thích và bước sóng tán xá ngược: (𝜆0) và (𝜆𝑁), 𝑃 𝜆𝑁, 𝑧 là cơng suất tín hiệu quay về ứng với bước sóng

Raman đặc trưng của Ni tơ tại khoảng đo z.

Từ đó chúng ta có thể suy ra biểu thức xác định hệ số suy hao của son khí là [109]:

𝛼𝑎𝑒𝑟 𝜆0, 𝑧 = 𝑑 𝑑𝑧 𝑁 𝑁 𝑧 𝑃 𝜆 𝑁 ,𝑧 .𝑧2 −𝛼𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑐𝑟 𝜆0,𝑧 −𝛼𝑚𝑜𝑙𝑠𝑐𝑟 (𝜆𝑁,𝑧) 1+(𝜆 0 𝜆 𝑁)𝑛 (2.9) Trong đó 𝑁𝑁 𝑧 , 𝛼𝑚𝑜𝑙𝑠𝑐𝑟 𝜆0, 𝑧 𝑣à 𝛼𝑚𝑜𝑙𝑠𝑐𝑟 (𝜆𝑁, 𝑧) lần lượt là mật độ khí Ni tơ,

hệ số suy hao gây ra bởi khí Ni tơ trong khí quyển tại bước sóng kích thích 𝜆0 và tại bước sóng dịch chuyển Raman 𝜆𝑁. Ở biểu thức 2.9 xuất hiện mẫu:

1 + (𝜆0

𝜆𝑁)𝑛 thể hiện sự đóng góp vào hệ số tán xạ ngược do sự khác nhau về kích thước của son khí với bước sóng kích thích. Nếu kích thước hạt xấp xỉ bước sóng ánh sáng kích thích ta lấy n = 1 ví dụ đối với các giọt nước nhỏ, nếu các hạt tán xạ là các tinh thể băng có kích thước rất lớn so với bước sóng kích thì n được lấy bằng 0 [6,109].

Ở đây mật độ khí Ni tơ có được theo dữ liệu Radiosonde, hệ số suy hao đặc trưng của khí Ni tơ chúng ta cũng đã có lý thuyết tính tốn tại bước sóng kích thích 532 nm và bước sóng đặc trưng Raman 607 nm. Vì vậy từ tín hiệu tán xạ Raman hồn tồn có thể tính được hệ số suy hao của son khí trong miền khảo sát. Chương trình tính tốn hệ số suy hao của son khí từ tín hiệu Raman được tơi đưa ra trong phụ lục 2.7.

2.4.6. Xác định hệ số tán xạ ngƣợc của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi

Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi (2.1):

𝑃 𝑧 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂 𝑧 . 𝑍−2 𝛽𝑎 𝑧 + 𝛽𝑚 𝑧 exp⁡ −2 [𝜎0𝑧 𝑎 𝑧 + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧

Từ đó chúng ta biến đổi giải tích có được phương trình tìm hệ số tán xạ ngược của son khí biến đổi theo các đại lượng khác theo phương trình sau: Biểu thức cuối cùng tôi đưa ra đây là biểu thức xác định hệ số tán xạ ngược khi đã biết hệ số suy hao của son khí:

𝛽1 𝐼 − 1 = 𝑋 (𝐼) 𝑋(𝐼−1)

𝛽 1(𝐼)+𝑆1[𝑋 𝐼 +𝑋(𝐼−1)]∆𝑧

(2.10) Khi mà hệ số suy hao được xác định như sau:

𝜎1 𝐼 − 1 = 𝑋 (𝐼) 𝑋(𝐼−1)

𝜎 1(𝐼)+[𝑋 𝐼 +𝑋(𝐼−1)]∆𝑧

(2.11)

Trong đó X biểu diễn tường minh ở biểu thức 2.4. Áp dụng phương pháp tìm hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của son khí tại Hà Nội bằng thuật tốn trên chúng tôi xây dựng trên nền tảng ngơn ngữ Matlab, chi tiết chương trình tơi trình bày trong phần phụ lục 2.8.

2.4.7. Xác định tỉ số lidar đặc trƣng của son khí

Từ hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao được xác định độc lập theo dữ liệu của hai phép đo Raman và tín hiệu đàn hồi của cùng hệ lidar nhiều bước sóng trong cùng một thời điểm. Tơi tiến hành tìm tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp theo biểu thức:

𝑆𝜆𝑎𝑒𝑟0 𝑧 = 𝛼𝜆𝑎𝑒𝑟0 𝑧 ./𝛽𝜆𝑎𝑒𝑟0 (𝑧) (2.12) Và chương trình số viết để xác định tỉ số này được trình bày trong phụ lục 2.9.

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 công 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 tơi 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.