Trong chương 3, chúng tôi trình bày 2 phần kết quả chính của luận văn. Phần thứ nhất trình bày kết quả nghiên cứu những thiết kế, chế tạo và cải tiến được thực hiện trên khối phát laser Nd: YAG công suất cao với đặc tính là dễ tháo lắp, công suất
cao, đáp ứng được mục đích nghiên cứu di động trong hệ lidar sử dụng quan trắc cho khí quyển tầng đối lưu. Phần thứ hai chúng tôi trình bày những kết quả xác định một số đặc trưng vĩ mô và vi mô cơ bản của lớp mây Ti tầng cao từ tín hiệu của hệ lidar di động sử dụng khối phát laser xung đã được cải tiến. Trong đó chúng tôi cũng đưa ra phương pháp đánh giá chất lượng tín hiệu của hệ đo bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu cả tín hiệu tương tự và tín hiệu đếm photon. Qua đó đánh giá chất lượng hệ đo lidar di động và chất lượng khối phát laser công xuất cao tại bước sóng 532 nm là hoàn toàn đáng tin cạy và đảm bảo ổn định tốt trong thời gian quan trắc kéo dài liên tục vài giờ liên tục.
KẾT LUẬN
Với mục đích cải tiến tính năng quan trắc di động của hệ lidar khảo sát miền khí quyển tầng cao tới 20 km sử dụng một khối phát xung chủ động lần đầu tiên được chế tạo tại Việt Nam với các tính năng kĩ thuật có thể thay đổi linh động tùy theo các mục đích nghiên cứu khác nhau. Những kết quả đạt được của tác giả được thể hiện trong luận văn như sau:
1. Thực hiện thiết kế chế tạo và cải tiến thành công 01 khối laser phát xung công suất cao tại bước sóng 1064 nm và 532 nm. Các thông số đặc trưng về xung laser được khảo sát như: Tần số lặp lại có thể thay đổi từ 1 – 15 Hz, công suất xung thay đổi được và đạt năng lượng tối ưu 250 mJ/xung tại tần số 6 Hz, góc mở chùm tia dưới 1 mrad, kích thước chùm tia thay đổi được. Hệ laser đó được chế tạo cho phép hoàn toàn chủ động điều chỉnh các thông số kỹ thuật theo mục đích sử dụng khác nhau.
2. Tích hợp laser công suất cao phát xung tại bước sóng xanh 532 nm vào hệ lidar di động nhằm mục đích quan trắc khí quyển tầng cao tới 20 km ở cả chế độ tương tự vào ban ngày và đếm photon vào ban đêm.
3. Tiến hành quan trắc ở cả chế độ tương tự và đếm photon, ghi nhận dữ liệu tại Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và Quảng Bình, đánh giá chất lượng tín hiệu ghi nhận, xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu để đánh giá chất lượng tín hiệu đo cũng như chất lượng hệ đo lidar và nguồn phát laser đã được chế tạo.
4. Tìm hiểu thuật toán giải tích, các chương trình số nhằm xác định các thông số đặc trưng của mây Ti, sử dụng các chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Matlab xác định các thông số quang đặc trưng của tín hiệu ghi nhận từ hệ lidar di động. So sánh tín hiệu và kết quả thu được với hệ lidar cố định và bàn luận về các đặc trưng vật lý đó của mây Ti.
Trong giới hạn của luận văn , tôi đã thực hiện trọn vẹn được hai vấn đề cơ bản về kỹ thuật theo đăng kí ban đầu đó là: xây dựng thành công 01 khối phát laser công suất cao tại bước sóng 532 nm đảm bảo tính năng kỹ thuật trong nghiên cứu quang phổ nhanh và đã tích hợp khối phát xung laser trong 01 hệ lidar di động sử dụng quan trắc lớp mây Ti tầng cao tại ba địa điểm ở Việt Nam là Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Quảng Bình. Kết quả nghiên cứu của luận văn đã được đăng trong 01 bài báo tại Hội nghị Quang học Quang phổ toàn Quốc lần thứ 9 năm 2017.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân Tuấn, Vũ Thị Hoàn. 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung công suất
cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng trong hệ lidar quan trắc khí quyển tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN 1859 – 4271. 233
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Bùi Văn Hải (2013), Sử dụng kỹ thuật Lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son
khí trong tầng khí quyển, Luận án Tiến sĩ, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam.
[2] Nguyễn Văn Thiệu (2016), nghiên cứu đặc trưng mây ci tầng cao bằng kỹ thuật
lidar, Luận văn Cao học, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
[3] Đỗ Quốc Khánh (2010), nghiên cứu vật lý và phát triển công nghệ laser rắn nd:yvo4 pi-cô giây biến điệu thụ động, bơm bằng aser bán dẫn, Viện Vật lý -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
[4] Phan Thế Hiếu, Nguyễn Đại Hưng (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống
lidar ứng dụng trong đo đạc các thông số khí quyển, Báo cáo tổng hợp kết quả
nghiên cứu khoa học công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ.
Tiếng Anh
[5] O. Svelto, (1998), "Principles of lasers", 4th ed, New York, NY Plenium.
[6] C. Honninger et al, (1999), Q-switching stability limits of continuos-way
passive mode-locking, J. Opt. Soc. Am. B, Vol 16, No1, p46-56.
[7] G. Li, S. Zhao, K. Yang and J. Liu, (2005), Control of pulse width in diode-
pumped passively Q-swiched Nd:YVO4/KTP green laser with GaAs saturable absorber, Opt. and QE, vol 37, pp 635 – 647.
[8] P.K.Mukhopadhyay et al, (2004), Ananlysis of laser diode end-pumped intral (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cavity frequency doubled passive Q-swicthed and mode locked Nd:YVO4 laser,
App. Opt, B79, p713-720.
[9] U. Keller, K. J. Weingarten et al, (1996), "Semiconductor saturable absorber
mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid- state lasers" IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol. 2,
pp. 435-453.
[10] A. Penzkofer, (1988), Passive Q-Switching and Mode-Locking for the
Generation of Nanosecond to Femtosecond Pulses, Appl. Phys. B 46, pp.
[11] B. E Buoma et al. (1997), Compact resonator design for mode locked solid state
laser, App. Opt, B65, pp 213-220.
[12] D. H. Sutter, I. D. Jung et al, (1998), "Self-starting 6.5 fs pulses from a
Ti:sapphire laser using a semiconductor saturable absorber and double-chirped mirrors", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol. 4, pp.
169-178. [13] http://pgdn.dvrlists.com/air-atmospheric-gas-britannica.html [14] http://scied.ucar.edu/imagecontent/cirrus-clouds [15] https://googlegroups.com/a/bantinhanghai.com/group/ddhh/attach/CLOUDS.p df [16] https://oceanology.hcmus.edu.vn/home/view/phan-biet-cac-loai-may-tren-bau- troi [17] https://physics.byu.edu [18] https://4warnwxteam.com [19] https://en.wikipedia.org [20] https://freebigpictures.com [21] https://spaceplace.nasa.gov/review/clouds/NOAA-NASA-CloudChart.pdf [22] https://wisegeek.com [23] https://weatherwizkids.com [24] https://isleofskyeweather.co.uk
[25] Bùi Văn Hải, Đinh Văn Trung, Phạm Minh Tiến, Trần Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân Tuấn, Vũ Thị Hoàn. 2017, Phát triển khối phát laser Nd: YAG phát xung
công suất cao sử dụng tinh thể hấp thụ bão hòa ứng dụng trong hệ lidar quan trắc khí quyển tầng cao, Kỉ yếu hội nghị Quang học Quang phổ toàn quốc, ISSN
1859 – 4271. 233 - 237.
[26] A. Ansmann, M. Riebesell, et al (1992), Combined Raman Elastic-Backscatter
lidar for vertical profiling of moisture, Aerosol extinction, backscatter, and lidar ratio, Applied Physics B, B 55, 18-28.
[27] David. S. H, Kevin. S. R, John .A. R, John .L. C, Development of a high spectral
resolution lidar based on confocal Fabry–Perot spectral filters, Applied Optics
[28] Flamant, C. Pelon, J. Flamangt, P. and P. Durand (1997), Lidar
determination of the entrainment zone thickness at the top of the unstable marine atmosphere mixing layer, Bound-Lay Meteorol, 83, P. 247-284.
[29] Paul Schmid and Dev Niyogi (2011) A method for estimating planetary
boundary layer height and its application over the ARM southern great plains site, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 29, P. 316-322.
[30] W. P. Hooper, and E. W. Eloranta (1986), Lidar measurements of wind in the
planetary boundary layer: the method, accuracy, and results from foint measurements with radiosonde and kytoon, J. Clim. Appl. Meteorol, Vol. 25, P.
990-1001.
[31] I. Veselovskii et al (2009), Demonstration of Aerosol properties by
multiwavelenth lidar under varying relative humidity conditions, American
Meteorological Society, doi: 10.1175.
[32] R. M. Measures (1983), laser remote sensing fundamentals and application, A (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Wiley – Interscience Publication.
[33] Frederick G. Fernald et al (1971), Detrmination of Aerosol Height distribution
by lidar, Journal of Applied Meteorology, Vol 11, 482-489.
[34] Japan Analytical Instrument Manufacturers’ Association (1986), Guide to
Analytical Instruments, 3rd Edition.
[35] H. Baars, A. Ansmann, R. Engelmann, and D. Althausen (2008), Continuous
monitoring of the boundary-layer top with lidar, Atmos. Chem. Phys. Discuss,
Vol. 8, P. 10749-10790.
[36] Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and
Nguyen Thanh Binh (2012), Monitoring the boundary layer over Hanoi using a
compact lidar system, The Second Academic Conference On Natural Science
For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Proceedings P. 389-392, ISBN: 978-604-913-088-5.
[37] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi
using a compact lidar system, Communication in Physics, Vol. 22, No. 4, 357-
[38] Nguyen Xuan Tuan, Bui Van Hai, Dinh Van Trung (2014), Normally off-gated
photomultiplier tube module in photon-counting mode for use in light detection and ranging measurements, Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 8, 083536. [39] P. J. Conlon, Y. P. Tong, P. M. W. French, and J. R. Taylor, (1994), “Passive mode locking and dispersion measurement of a sub-100-fs Cr4:YAG laser”, OPTICS LETTERS, Vol. 19, pp1468-1470.
[40] P. Augustine et.al, (2004), Rep. Prog. Phys. 67, 813-855.
[41] F. Kartner et al, (1998), "Slow and Fast Saturable Absorbers for Modelocking of Solid-State Lasers - What's The Difference?", IEEE J SEL. Topics QE, pp. 159- 168.
[42] R. Paschotta, U. Keller, (2001), "Passive mode locking with slow saturable absorbers", Appl. Phys. B, vol. 73, pp. 653-662.
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Chương trình kết nối máy tính viết trên ngôn ngữ Labview của hệ lidar di động đa kênh
1. 1. Khối kết nối thiết bị
1.3. Khối thu hoạt động ở chế độ đếm photon
Phụ lục 2: Chương trình chuẩn hóa tín hiệu
2.1. Hàm gọi tín hiệu radiosonde lấy làm chuẩn để so sánh
function [z,bmol,bb,sk] = ham_radiosonde(b,z,hss,lizz,tb)
h = b(:,1);%km
mdkhi = b(:,2)+b(:,3);% mat do khi that cua nasa
bm = mdkhi;%phantu/m3
lmdkhi = log(bm); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a = polyfit(h,mdkhi,30);
bmol = polyval(a,z);
bb = log(bmol); …VV
2.2. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu của hệ đo ở chế độ tương tự
%load file
clc; clear all; close all;
filename = 'e:\lidar\photon counting\gate_tuan\gate121.txt';
kenh = 3;
a = load(filename);
z0 = t/2*c*1e-12;% z - km
% lam tron tin hieu lan 1
p0 = smooth(a(:,kenh),100);
n = length(t);k = 0;…VV for i=d:tr
if p(i+1)>lan*p(i)& p(i+2)>p(i+1)&p(i+3)>p(i+2)&p(i+4)>p(i+3)...
p(i+5)>p(i+4)&p(i+6)>p(i+5) …VV
2.3. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu đối với phép đo của hệ ở chế độ đếm photon
%1. chon diem triger
%2. chon diem so sanh
%3. chon bin can thiet
clc; clear all; close all;
filename = 'e:\lidar\photon counting\2012\905\boundary\05oct18h10.3000.45o.50.txt';
a = load(filename);
kenh = 2;
t = a(:,1);c = 3*1e8; % thoi gian: 1e-6(s)- r(km)
z0 = t/2*c*1e-12;% z - km
p0 = smooth(a(:,kenh),100);
n = length(t);
%ve den dau
xa = 25;% km
hss = 10;% km - vi tri lay so sanh hai tin hieu va radiosonde data (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tb = 10;% so diem lay trung binh gia tri so sanh 2 duong tin hieu …VV
2.4. Chương trình chuẩn hóa tín hiệu trường gần tính tới hàm chồng chập của hệ lidar
%chuan tin hieu tinh toi ham overlap
function[z,ov,i,izz,lizz,izzcu] =
ham_chuantinhieu_tinhtoi_overlap(a,b,kenhe,kenhr,sm,xa,hss,tb,duoi,tren,khackhong);
[z,p,pzz,p4] = ham_chuanphoton(a,kenhr,sm,xa,hss,tb);
%z,p,pzz,log(pzz): tuong ung
for i = 1:length(z)….
end …VV
2.5. Chương trình xác định tỉ số tín hiệu trên nhiễu
% Tinh sai so cua tin hieu counting
noi = 0;nn = length(Z);
for i = round(7*nn/10):1:(10*nn/10);
noi = noi + p0(i);
end
noi = noi/(3*nn/10+1);
snr = (P2 - noi)./sqrt(P2-noi + 2*noi); …VV
2.6. Chương trình xác định các thông số đặc trưng của mây Ti
%Ve tin hieu mua trung tam tham khong quoc gia
clc; close all; clear all;
filename1 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_8_9_2011.txt';
filename2 = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\7h_11_5_2011.txt';
A9 = load(filename9);z9 = A9(:,3)*1e-3;t9 = A9(:,5);A10 = load(filename10);z10 = A10(:,3)*1e-3;t10 = A10(:,5);
z=[z1(:) z2(:) z3(:) z4(:) z5(:) z6(:) z7(:) z8(:) z9(:) z10(:) z11(:) z12(:) z13(:) z14(:) z15(:)];
t=[t1(:) t2(:) t3(:) t4(:) t5(:) t6(:) t7(:) t8(:) t9(:) t10(:) t11(:) t12(:) t13(:) t14(:) t15(:)];…
%Do cao may Cirrus
file = 'E:\LIDAR\Solieu_Khi tuong\Tham khong data da chinh sua_Hai\Macro_properties_cirrus.txt';
A = load(file);tg = A(:,5);
h = A(:,2);%Do cao dinh cua may cirrus
%Tim nhiet do tuong ung voi vi tri may Cirrus… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
for i = 1:length(h)
tci(i) = t(vt,i);%nhiet do vi tri dinh lop may cirrus
figure(4)%ve theo do cao dinh lop may cirrus
plot(tci,h,'vr',tci(:),ytc,'^--b','LineWidth',3);grid on;
legend('Top height of Cirrus','Averaged Height')
ylabel('Height (km)');
xlabel('Temperature of cirrus'); …VV
Phụ lục 3: Dữ liệu lidar quan trắc sử dụng hệ lidar di động đa kênh ghi nhận ở chế độ tương tự và đếm photon.
Tín hiệu ở chế độ tương tự
Ngày đo, giờ đo, số file đo tối đa Nhiệt độ Độ ẩm Sáng Chiều Tối 1064 or 2 kênh pc 532 Boundar y layer Số file và số lần có mây Cirrus cloud Phép đo tại Hà Nội
2017july01_0840am020 X X Cirrus 2017july02_0840am020 X X Cirrus 2017july03_0840am020 X X Cirrus
Phép đo tại Hồ Chí Minh
25.2.A.15h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 26.2.A.15h00.Sum.18Mi.Cir X X Cirrus 27.2.A.15h50.Sum.25Mi.Cir x X Cirrus
Phép đo tại Quảng Bình
2.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 3.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 5.12.A.7h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus
Tín hiệu ở chế độ đếm photon
Ngày đo, giờ đo, số file đo tối đa Nhiệt độ Độ ẩm Sáng Chiều Tối 1064 or 2 kênh pc 532 Boundar y layer Số file và số lần có mây Cirrus cloud Phép đo tại Hà Nội
11.January.2017.Sum.0.5h.Cir X X Cirrus 25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 10.22.0h25.G.Sum.Cir X X Cirrus
Phép đo tại Hồ Chí Minh
25.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 26.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus 27.2.A.0h24.Sum.12Mi.Cir X X Cirrus
Phép đo tại Quảng Bình
1.12.A.23h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 2.12.A.21h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus 4.12.A.22h00.Sum.30Mi.Cir X X Cirrus