Sơ đồ mạch được thiết kế cho khuếch đại thuật toán THS 3201 hoạt động trong chế độ non-inverting được trình bày trong Hình 3.23. Sơ đồ nguyên lý và mạch in được thực hiện bằng phần mềm OrCAD.
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu
Phần mềm lấy mẫu, xử lý tín hiệu, lưu trữ, chuẩn hóa, hiển thị kết quả đo được lập trình trên nền Labview (hãng National Instruments) để điều khiển dao động ký số Picoscope. Phần mềm đã được phát triển tại Viện Vật lý cho hệ LIDAR phục vụ nghiên cứu son khí khí quyển. Phần mềm cho phép:
Khởi tạo các thông số đo: chọn kênh đo, tốc độ lấy mẫu, chọn kênh trigger, mức trigger, chế độ đo, thời gian đo, số xung laser cần lấy trung bình
Đếm photon, truyền số liệu tới máy tính Hiển thị số liệu đo, số file số liệu
Chọn đường dẫn, ghi số liệu vào file
Hình 3.24. Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL hoạt động
trong vùng bước sóng tử ngoại
Phần mềm xử lý tín hiệu được xây dựng trên nền Matlab để: Làm trơn kết quả đo nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Xác định cường độ tín hiệu lidar tại khoảng cách xa (~20 km) để loại bỏ dòng tối và offset của module điện tử thu
Chuyển tín hiệu LIDAR theo khoảng cách P(R,) sang dạng R2P(R,) nhằm
loại bỏ sự phụ thuộc của tín hiệu lidar vào khoảng cách.
Các số liệu LIDAR sau xử lý tại 2 bước sóng on và off sẽ được đưa vào phần mềm tính tốn phân bố nồng độ ozone khí quyển theo độ cao cũng được xây dựng trên nền Matlab.
3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Sự bố trí, sắp xếp hệ LIDAR hấp thụ vi sai gồm bộ phát và bộ thu được minh họa trong Hình 3.25 theo sơ đồ khối được trình bày trong Hình 3.26. Để 2 hệ laser màu phản hồi phân bố phát bức xạ laser ở 565,8 nm và 572,8 nm, góc tới của chùm bức xạ bơm φ ở bước sóng 532 nm đến cuvette C1 được tính theo cơng thức (3.2) và cố định ở 61,2o và 52,1o. Telescope của bộ thu và các gương định hướng chùm bức xạ on và off vào trường nhìn của telescope đặt dưới vịm quan trắc. Bảng 3.3 trình bày các thơng số đặc trưng kỹ thuật của hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng tử ngoại.
Hình 3.25. Bố trí hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Thông số đặc trưng
Khối phát
Laser bơm Nd:YAG, 532 nm, xung 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, 48 mJ/xung Chất màu Rhodamine 6G – dung môi ethanol
Góc φ (tới C1) 61,2o 52,1o
Bức xạ laser màu 565,8 nm, ~1,7 mJ/xung 572,8 nm, ~2,4 mJ/xung Bức xạ laser phát 282,9 nm, ~ 30J/xung, độ
phân kỳ < 2 mrad
286,4 nm, ~ 60J/xung, độ phân kỳ < 2 mrad
Khối thu
Telescope Newtonian, mạ nhơm, đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 mm, độ mở f/4,5
Phin lọc băng hẹp FF01-292/27-25 (Semrock -Mỹ), bước sóng trung tâm 292 nm với FWHM 27 nm. Hệ số truyền qua >81% ở 282,9 nm và 286,4 nm Detector R4700U-03 (Hamamatsu). Dải phổ 185-650 nm. Độ nhạy cực đại
tại 420 nm. Điện áp 1000V.
Xử lý tín hiệu Picoscope 4205 (Picotech), ADC 12 bit, 2 kênh ngõ vào tín hiệu, băng thông 200 MHz, tốc độ lấy mẫu 1GSample/sec, kết nối máy tính USB
Với bố trí hệ như vậy, các bước cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai được tiến hành sao cho có thể ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể: Cân chỉnh để hai bước sóng phát tử ngoại đạt công suất lớn nhất bao gồm: cân chỉnh hệ khuếch đại 6 lần truyền qua cuvette C2 và khuếch đại công suất quang qua cuvette C3. Năng lượng phát đạt ở bước sóng on 282,9 nm đạt ~ 30 µJ/xung và ở bước sóng off 286,4 nm đạt ~ 60 µJ/xung. Năng lượng ở bước
sóng off đạt được cao hơn ở bước sóng on do bức xạ ở bước sóng off nằm gần đỉnh phát quang của chất màu Rhodamine 6G.
Chỉnh quang trục telescope và hệ quang học thu dùng một laser bán dẫn phát dọc theo quang trục hệ quang học thu, sau khi phản xạ bởi gương cầu đường kính 40 cm của hệ telescope thì chùm tia phát quay trở lại và trùng khớp với quang trục hệ quang học thu này.
Điều chỉnh bức xạ phát vào trường nhìn của telescope. Do các bức xạ tử ngoại khơng nhìn thấy bằng mắt thường nên phải cân chỉnh tín hiệu LIDAR ở bước sóng 532 nm trước và dựa vào hướng của bức xạ 532 nm để chỉnh hướng của hai bức xa vào trường nhìn của telescope.
Sử dụng dao động ký điện tử nhanh Picoscope để thu ghi tín hiệu LIDAR và tinh chỉnh các gương định hướng phát bức xạ laser để có thể thu được tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on và off ở trường xa nhất. Với telescope đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 m của bộ thu, trường nhìn của telescope lớn hơn trên 10 lần độ phân kỳ của các bức xạ laser phát. Do vậy, khi hiệu chỉnh để thu tín hiệu LIDAR xa nhất sẽ tương ứng với chùm phát chồng chập hồn tồn với trường nhìn của telescope.
Hiệu chỉnh khuếch đại khối module điện tử thu. Khi tiến hành đo đạc tín hiệu LIDAR, nhiễu dòng tối ~200xung/s sẽ được bù trừ trong xử lý tính tốn bằng phần mềm, nhiễu nền của dao động ký điện tử nhanh Picoscope ~ 1mV không ảnh hưởng đến kết quả đếm photon.
Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để đo đạc thử nghiệm với thời gian đếm 10 phút ở mỗi bước sóng dựa trên kết quả mơ phỏng. Các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sẽ được thu ghi trong 6 tập tin (files), mỗi tập tin có 1000 Wf (Waveform) tương ứng với thời gian đo. Một waveform bao gồm các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sau một xung laser phát ra. Mức ngưỡng thu tín hiệu được đặt ở 5 mV để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on và
off (xem Hình 3.27). Với tốc độ lấy mẫu của dao động ký điện tử Picoscope 125
MSamples/s và áp dụng kỹ thuật lọc số liệu bằng cách lấy trung bình trên một số điểm đo để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, độ phân giải khơng gian của phép đo
LIDAR hấp thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18% (xem Hình 4.3). Độ phân giải khơng gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai có thể lựa chọn nhỏ hơn, tuy nhiên sai số thống kê sẽ cao. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai không ghi nhận được tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 5 km như tính tốn mơ phỏng có thể giải thích là do bề dày trung bình 5 km của son khí trên bầu trời Hà nội [81]. Lớp son khí này làm tán xạ các bức xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược và hạn chế độ cao đo đạc.
Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở bước
sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017)
Kết luận Chương 3
Chương 3 trình bày việc nghiên cứu phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp. Các kết luận chính của Chương 3 như sau:
Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển lần đầu tiên trên cơ sở phát triển 2 laser màu phản hồi phân bố, với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G pha trong dung môi ethanol, được bơm bằng một laser Nd:YAG phát ở bước sóng họa ba bậc hai là 532 nm, tần số xung 10Hz và độ rộng xung 5 ns.
Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát hai bức xạ tử ngoại ở bước sóng
on 282,9 nm và off 286,4 nm. Cặp bước sóng này thích hợp để đo đạc phân
bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.
Khối quang học thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai với bộ phận thu ghi tín hiệu LIDAR tán xạ ngược là một telescope đường kính lớn 40 cm được nghiên cứu
chế tạo trong nước từ khâu mài thơ, mài tinh phơi kính quang học đến phủ nhôm cùng với lớp phủ bảo vệ trong môi trường chân không.
Khối điện tử thu sử dụng PMT hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại. Hệ mạch điện tử thu và phần mềm được thực hiện để có thể đếm xung tín hiệu LIDAR trong chế độ đếm đơn photon.
Hệ LIDAR hấp thụ vi sai sau khi cân chỉnh và hoạt động đồng bộ đã có thể đo đạc tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 4 km với độ phân giải 480 m.
CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
Chương 4 của luận án trình bày kết quả đo đạc thử nghiệm nồng độ ozone phân bố theo độ cao trên cơ sở phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Nội dung của chương bao gồm các phần về xử lý số liệu đo đạc, xây dựng chương trình tính tốn phân bố nồng độ ozone, kết quả đo đạc và phân tích đánh giá sai số.
4.1 Xử lý số liệu
Để cải thiện hơn độ chính xác của phép đo trước khi tính tốn phân bố ozone, các dữ liệu thu được trong các tập tin dạng *.txt sẽ được hiệu chuẩn theo thời gian, hiệu chỉnh nền và lấy trung bình. Việc xử lý số liệu được thực hiện theo các bước sau:
Hiệu chuẩn tín hiệu LIDAR theo thời gian: dịch chuyển mức trigger của tín hiệu về mốc 0 thời gian.
Hiệu chỉnh về cường độ: làm trơn (smooth) và trừ tín hiệu nền. Tín hiệu nền được lấy trung bình từ 1 s sau của các tín hiệu LIDAR khi lúc này được xem là khơng có tín hiệu tán xạ ngược.
Lọc tín hiệu để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Số liệu cuối cùng được tổng hợp từ các phép đo ứng với 6000 xung laser trong thời gian đo 10 phút liên tục.
4.2 Tính tốn phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Nồng độ phân bố ozone 𝑁 𝑅 giữa độ cao R và R+R được tính theo biểu thức (1.34), và là tổng của ba số hạng:
Ns(R) : số hạng tín hiệu đo (s – signal)
Nb(R) : số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược vi sai (b – backscattering)
Ne(R) : số hạng hiệu chỉnh suy hao vi sai (e – extinction)
Trong các số hạng trên, chỉ có Ns(R) được tính trực tiếp từ số liệu đo, các số
hạng hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) được tính theo các biểu thức (1.41) và (1.42) tương
mật độ phân bố ozone 𝑁 𝑅 được xác định bằng phương pháp lặp được trình bày trong Mục 1.3.6
Trong tính tốn phân bố mật độ ozone từ kết quả đo LIDAR hấp thụ vi sai, tỷ số LIDAR S được xác định là 30 sr-1 căn cứ theo các nghiên cứu về son khí tại Hà Nội [81], nghiên cứu về son khí trong mơi trường đơ thị và có ơ nhiễm [63,76]. Giá trị số mũ Angstrom thường biểu thị cho kích thước hạt son khí. Giá trị >2 tương ứng với kích thước son khí là khói bụi cơng nghiệp loại nhỏ, các giá trị <1 tương ứng với son khí có nguồn gốc đại dương và có kích thước lớn. Các cơng trình nghiên cứu về đo đạc số mũ Angstrom của son khí tầng đối lưu đều cơng bố giá trị của nó xung quanh bước sóng 300 nm thay đổi từ 0 đến 2 [82,83]. Áp dụng cho trường hợp cặp bước sóng LIDAR hấp thụ vi sai trong vùng tử ngoại, được xem xét với tương đối nhỏ và bằng 0,5 cho son khí đơ thị [39].
Các bước tính tốn phân bố mật độ ozone có thể tóm tắt như sau: Bước 1: tính phân bố mật độ ozone lần thứ nhất theo biểu thức (1.35).
Bước 2: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ nhất, tính hệ số tán xạ ngược son khí 𝛽 𝜆 , 𝑅 cho bước sóng off theo biểu thức (1.46) và lặp lại (vịng lặp son khí) với giá trị hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 theo biểu thức (1.48) để
nhận được giá trị 𝛽 𝜆 , 𝑅 thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,01.
Bước 3: tính các số hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) theo biểu thức (1.41) và (1.42),
từ đó suy ra phân bố mật độ ozone lần thứ hai theo biểu thức (1.34).
Bước 4: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ hai, quay trở lại bước 2. Vòng lặp ozone này kết thúc khi thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,001.
Chương trình tính phân bố ozone được viết trên nền Matlab có giản đồ thuật tốn trình bày trong Hình 4.1. Các dữ liệu đầu vào chính của chương trình là: số liệu đo cường độ tín hiệu LIDAR Pon(R) và Poff(R) ở hai bước sóng on và off , tiết diện hấp thụ vi sai của ozone Δ𝜎 , tỷ số LIDAR : S, số mũ Angstrom , mật độ phân tử khí quyển (lấy theo số liệu khí tượng), tần số lấy mẫu fSample và số điểm lấy trung bình giá trị đo (bin). Thơng thường, các vịng lặp son khí và vịng lặp ozone dừng lại sau 2 vịng lặp. Chương trình cho kết quả đầu ra là cường độ tín hiệu LIDAR hiệu
chỉnh theo độ cao P(R)*R2, độ phân giải không gian, phân bố mật độ ozone theo độ cao và mật độ ozone trung bình trên khoảng độ cao đo đạc.
4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, dùng nguồn phát là 2 laser màu phản hồi phân bố, đã được triển khai đo đạc thử nghiệm phân bố ozone vào các đêm trời trong, ít mây. Phần mềm Matlab được sử dụng để xử lý số liệu, hiệu chỉnh tín hiệu LIDAR theo độ cao, tính tốn mật độ phân bố ozone theo độ cao khí quyển. Hình 4.2 trình bày kết quả phân bố mật độ ozone liên tục vào tháng 01/2017, từ khoảng 1,2 km đến độ cao trên 4 km, với độ phân giải khơng gian 480 m và thời gian đếm tích hợp 10 phút. Các tín hiệu LIDAR ở dưới độ cao 1,2 km được loại ra do ảnh hưởng bởi hàm chồng chập giữa chùm laser phát và trường nhìn của telescope bộ thu.
Hình 4.2. Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội.
Từ mật độ ozone trung bình được trình bày trong Hình 4.2, chúng ta có thể nhận thấy nồng độ ozone tại Hà Nội từ độ cao khoảng 1200 m tới 4000 m biến động giảm trung bình từ 2.1012 đến 5.1011 phân tử/cm3, tương đương từ 80 đến 20 ppbv. Xu hướng giảm này phù hợp với phân bố ozone đặc trưng trong tầng đối lưu. Do khơng có các số liệu đo phân bố ozone bằng bóng thám khơng vào cùng thời điểm đo đạc nên Hình 4.2 sử dụng phân bố ozone tại Hà Nội, đo bằng đầu dị ozone đặt
trên bóng thám khơng, độ phân giải 1 km, được cơng bố tại hội nghị về khí tượng ở Hàn Quốc năm 2007 [4] để minh họa xu hướng giảm và so sánh, đánh giá sự tương đương về bậc của số liệu đo phân bố mật độ ozone.
4.4 Phân tích sai số đánh giá kết quả đo đạc
Sai số trong thu ghi tín hiệu DIAL có thể phân thành 4 loại: 1. Sai số thống kê 1 do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu
2. Sai số 2 do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2, son khí)
3. Sai số 3 do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone 4. Sai số 4 có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử.
Trong đó 1 là sai số ngẫu nhiên; 2, 3 và 4 là sai số hệ thống. 1 được xác định theo thống kê Poisson trong biểu thức (1.51) [66]. Hình 4.3 trình bày đánh giá sai số thống kê cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với thời gian đo 10 phút và độ phân giải không gian 480 m. Giá trị sai số 1 bé hơn 18% ở độ cao dưới 4 km.
Hình 4.3. Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp 10