Xác định độ cao đỉnh, đáy lớp mây Ti tầng cao
Trong thực nghiệm có nhiều phương pháp để xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt cũng như độ cao của lớp mây Ti tầng cao. Một trong các phương pháp phổ biến là: phương pháp đạo hàm – gradient, đưa ra bởi nhóm tác giả Flamant [28, 29], phương pháp phân tích sự thay đổi được đưa ra bởi nhóm Hooper and Eloranta [30], hay như phương pháp đánh giá phương sai của nhóm tác giả Brooks [31].
Xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi tổng quát [32, 33, 34]:
𝑃(𝑧) = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂(𝑧). 𝑍−2[𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp[−2 ∫ [𝜎0𝑧 𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧](2.1) Chuẩn hóa tín hiệu theo khoảng cách đo và các tham số đặc trưng của hệ ta có biểu thức sau:
𝑋(𝑧) = 𝑃(𝑧).𝑍2
𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟..𝐶.𝐴.𝑂(𝑧)= [𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp[−2 ∫ [𝜎0𝑧 𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧]
(2.2) Khi đó hàm X(z) là một hàm tỉ lệ trực tiếp với mật độ son khí và phân tử khí tại khoảng đo z. Chương trình số chuẩn hóa tín hiệu lidar về dạng 3.2 được viết code theo thứ tự lần lượt trong phần phụ lục 2.1, 2.2, 2.3, 2.4.
Theo khái niệm về vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt là điểm uốn gây ra sự tụt dốc mạnh của mật độ son khí kể từ mặt đất. Vậy đơn giản chúng ta lấy đạo hàm biểu thức X(z) theo đối số z như sau:
H(𝑧ℎ) =∆𝑋
∆𝑧 = min (𝑑𝑋(𝑧)
𝑑𝑧 ) (2.3)
Tại vị trí zh thảo mãn phương trình 3.3 chính là tọa độ đỉnh lớp son khí bề mặt được xác định theo phương pháp gradient được nhóm tác giả Flamant đưa ra. Cụ thể hơn như trong Hình 2.16 chúng ta thấy đặc điểm tín hiệu và đồ thị hàm xác định vị trí đỉnh lớp son khí theo phương pháp gradient. Code chương trình viết cho phương pháp gradient được nhóm tác giả viết trong phụ lục 2.6.
Hình 2.16: a): Khoảng không 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 [35].
Với mây Ti chúng ta cũng tiến hành các bước tương tự, đáy của lớp mây là đỉnh cực đại và đỉnh của lớp mây là vị trí cực tiểu trong biểu thức lấy đạo hàm đó. Chương trình Matlab được trình bày trong phần phụ lục 2.6. Kết quả xác định phân bố độ cao đỉnh lớp son khí tầng thấp đã được nhóm công bố trong bài báo [36] năm 2012 và độ cao lớp mây Ti tầng trên được công bố t
rong bài báo [37] cùng năm đó.
Xác định độ sâu quang học của lớp mây Ti
Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar tổng quát 3.1 trong đó tích phân:
𝜏 = ∫ [𝜎𝑧 𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧
0 (2.4)
Được hiểu là độ sâu quang học của lớp khí nằm trong khoảng từ o tới khoảng cách đo z. Trị số của biểu thức sau được hiểu là Hiểu là hệ số truyền qua của tín hiệu trong khoảng cách z [32]:
𝑇 = 𝑒𝑥𝑝[−2 ∫ [𝜎𝑧 𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧
0 ] (2.5)
Mã chương trình xác định độ sâu quang học của son khí theo tín hiệu lidar trong khoảng đo được trình bày chi tiết trong mục lục 2.6.
Độ cao (k
Xác định hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti từ tín hiệu lidar đàn hồi
Chúng ta xuất phát từ phương trình lidar đàn hồi sau [32]:
𝑃(𝑧) = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟. 𝐶. 𝐴. 𝑂(𝑧). 𝑍−2[𝛽𝑎(𝑧) + 𝛽𝑚(𝑧)]exp[−2 ∫ [𝜎0𝑧 𝑎(𝑧) + 𝜎𝑚(𝑧)]𝑑𝑧]
(2.6) 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)
𝛽1(𝐼)+𝑆1[𝑋(𝐼)+𝑋(𝐼−1)]∆𝑧
(2.7)
Khi mà hệ số suy hao được xác định như sau:
𝜎1(𝐼 − 1) = 𝑋(𝐼) 𝑋(𝐼−1)
𝜎1(𝐼)+[𝑋(𝐼)+𝑋(𝐼−1)]∆𝑧
(2.8)
Áp dụng phương pháp tìm hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của son khí tại Hà Nội bằng thuật toán trên chúng tôi xây dựng trên nền tảng ngôn ngữ Matlab, chi tiết chương trình tôi trình bày trong phần phụ lục 2.6.
Xác định tỉ số lidar đặc trưng của mây Ti tầng cao
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. Tôi tiến hành tìm tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp theo biểu thức [1, 2]:
𝑆𝜆𝑎𝑒𝑟0 (𝑧) = 𝛼𝜆𝑎𝑒𝑟0 (𝑧)./𝛽𝜆𝑎𝑒𝑟0 (𝑧) (2.9) Và chương trình số viết để xác định tỉ số này được trình bày trong phụ lục 2.6. Trong chương 2, chúng tôi trình bày những hiểu biết cơ bản về cấu trúc khí quyển bao quanh Trái đất, những thông số cơ bản như thành phần vật chất trong miền khí quyển, tổng khối lượng, sự hình thành, ảnh hưởng của sinh quyển tới khí quyển và ảnh hưởng cũng như vai trò trực tiếp của khí quyển tới sinh quyển. Trong đó tác
giả tập trung luận giải về vai trò của lớp son khí tầng cao đó là lớp mây Ti với độ cao phân bố từ 6 – 18 km, diện tích bao phủ khoảng 30% tổng diện tích khí quyển Trái đất, và vai trò của chúng đối với các mô hình dự báo thời tiết hiện đại.
Bên cạnh đó, chúng tôi cũng trình bày nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản của một hệ lidar 4 kênh quan trắc cả tín hiệu Raman và đàn hồi, hoạt động cả chế độ tương tự và đếm photon đã được thiết kế và duy trì quan trắc khí quyển tại Hà nội từ năm 2010 tới nay. Cùng với đó là các phương trình giải tích và các chương trình số viết bằng ngôn ngữ Matlab cũng được đề cập trong phần phụ lục để xác định các tham số vật lý đặc trưng của lớp mây Ti tầng cao thông qua tín hiệu từ hệ lidar đàn hồi. Sang chương tiếp sau sẽ là những kết quả chính của tác giả cùng nhóm nghiên cứu thực hiện trên khối phát laser rắn công suất cao và các kết quả ứng dụng tích hợp trong một hệ lidar phục vụ các mục đích nghiên cứu di động đáp ứng mục đích nghiên cứu mở rộng cả về không gian phân bố cũng như tại nhiều vùng miền khác nhau.
CHƯƠNG 3
THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG ĐÃ CHẾ TẠO VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG HỆ LIDAR DI ĐỘNG
Lidar (Light detection and ranging) là một kỹ thuật quan trắc từ xa hiệu quả đặc biệt phù hợp với các đối tượng phân bố trong miền không gian rộng có mật độ phân bố thấp. Các đặc tính vượt trội của kỹ thuật lidar phải kể tới như khả năng phân giải không gian và thời gian rất cao. Tuy nhiên, một trong những bộ phận quan trọng của mỗi hệ lidar là các nguồn xung quang học, laser công suất cao, luôn là một thách thức với các nhà nghiên cứu thực nghiệm đặc biệt trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam như hiện nay bởi giá thành còn cao và chúng ta hoàn toàn bị động về khả năng làm chủ kỹ thuật [25].
Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế một nguồn phát laser đáp ứng công suất cao, có thể thay đổi cấu hình BCH, thay đổi công suất phát, thay đổi tần số phát trong một miền biến đổi rộng là rất cấp thiết cho việc ứng dụng trong nghiên cứu cũng như ứng dụng trong công nghiệp tại Việt Nam. Trong chương này của luận văn chúng tôi trình bày các kết quả về cải tiến các chi tiết cơ khí đối với BCH, cải tiến về mạch điện tử điều chỉnh công suất và tần số lặp lại của laser phát, tiếp sau đó là một vài kết quả của hệ lidar di động sử dụng chính nguồn bơm là laser đã được tối ưu đó để xác định một số đặc trưng quan trọng của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội với độ cao lên tới gần 20 km.