CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL) có khả năng phát hiện các thành phần khí trong khí quyển, nhất là những khí có hàm lượng nhỏ, với độ nhạy cao [3,37]. Kỹ thuật DIAL sử dụng vạch hấp thụ đơn hoặc băng phổ hấp thụ rộng của các loại khí. Bằng việc phát hai bước sóng λon và λoff, bước sóng λon được hấp thụ mạnh hơn bước sóng λoff, hệ số hấp thụ phân tử vi sai của hai bước sóng Δ𝛼 , sẽ được xác định. Nếu tiết diện hấp thụ vi sai Δ𝜎 . cho hai bước sóng được biết, nồng độ của phân từ hay ngun tử khí có thể được trực tiếp suy ra. Kỹ thuật DIAL có thể ứng dụng để đo đạc phân bố các loại khí như O3, NO2, NO, N2O, SO2, CH4, HCl, NH4 và những loại khí khác. DIAL cũng rất được quan tâm để dùng quan trắc hơi nước vì nó là loại khí nhà kính quan trọng nhất [3]. Do các vạch hấp thụ hẹp của phân tử H2O, DIAL hơi nước đòi hỏi ánh sánh laser phát xạ phải ổn định, và đơn sắc và phải xem xét đến hiệu ứng mở rộng Doppler với ánh sáng tán xạ ngược. Thêm vào đó, kỹ thuật DIAL có khả năng sử dụng đo phân bố nhiệt độ theo độ cao do các vạch hấp thụ của oxy phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, trong trường hợp nồng độ của oxy được biết và tiết diện hấp thụ vi sai có chứa thơng tin nhiệt độ được đo [3].
Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật DIAL được mơ tả ở Hình 1.21, trong đó: Laser xung phát cả 2 bước sóng on và off
Xung tới đập vào đối tượng khảo sát như phân tử khí, nguyên tử hay son khí trong khí quyển và một số photon tán xạ ngược lại
Bộ thu trong hệ DIAL phát hiện và đếm các photon tán xạ trở lại. Thời gian trễ cho phép xác định khoảng cách và tỉ số giữa 2 photon cộng hưởng on và off cho phép suy ra nồng độ phân tử khí cần đo.
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ơ nhiễm [38].
Trong Hình 1.21, hệ quang học thu sử dụng một bản chia chùm và hai kính lọc để tách riêng bước sóng on và off trước khi đến các bộ phận chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu quang điện tương ứng.
Để tính ra mật độ khí khảo sát bằng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, chúng ta bắt đầu từ phương trình LIDAR [1.21] và viết cho một hệ DIAL hoạt động ở hai bước sóng λon và λoff, mà loại khí khảo sát có tiết diện hấp thụ lớn hơn và nhỏ hơn tương ứng với hai bước sóng này. Pon là tín hiệu LIDAR ở bước sóng λon và Poff là tín hiệu ở λoff. Giả sử sự khác nhau trong hệ số suy hao khí quyển chỉ duy nhất đóng góp bởi một loại khí, nên:
Δ𝛼 𝑁Δ𝜎 (1.22)
với:
trong đó σ là tiết diện hấp thụ phân tử. Chúng ta cũng giả sử rằng hệ số tán xạ ngược khí quyển ở hai bước sóng là giống nhau, trong trường hợp lý tưởng hóa này, chúng ta có thể suy ra mật độ của khí khảo sát N [3]:
N ln (1.24)
Biểu thức (1.24) cho thấy DIAL là một kỹ thuật đo tự định chuẩn: tất cả các hằng số bị loại bỏ do việc lấy tỉ số, tìm logarit và lấy đạo hàm theo khoảng cách. Tuy nhiên, cần lưu ý trong các phân tích trên đã giả sử khơng có những sự khác nhau phụ thuộc khoảng cách trong các tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng. Hệ thống thực nghiệm có thể gây ra những sự khác nhau hệ thống ở hai bước sóng và do đó là gây sai số trong giá trị đo N. Các sai lệch có thể đến từ cả các hiệu ứng khí quyển và hệ thống, bao gồm độ nhạy với áp suất và nhiệt độ của phổ khí khảo sát, sự mở rộng Doppler của tín hiệu tán xạ Rayleigh, độ rộng và dịch chuyển có thể của vạch laser, độ tin cậy trong độ sạch của phổ và bước sóng trung tâm.
Trong thực tế, các tín hiệu LIDAR được thu nhận và được phân tích khơng phải là những hàm liên tục mà là những giá trị trong những loạt khoảng cách rời rạc. Biểu diễn đạo hàm trong biểu thức (1.24) theo các số hạng có sự gia tăng khoảng cách ΔR, chúng ta có [3]:
𝑁 ln (1.25)
Các số liệu DIAL tầng đối lưu thường được đo đạc trên những loạt khoảng cách nhỏ, chẳng hạn 1,2 – 15 m, và được phân tích với độ phân giải khơng gian 50 - 800m do phải thực hiện lấy các đường làm khớp số liệu và lọc số liệu nhằm tăng thêm tỷ số tín hiệu trên nhiễu [3, 39].
Trong trường hợp tổng quát, hệ số tán xạ ngược khí quyển là khơng như nhau ở hai bước sóng DIAL và có suy hao vi sai do các phân tử khơng khí, son khí và các khí gây nhiễu (interfering gasses) đối với khí ta khảo sát. Các hiệu ứng phụ thuộc bước sóng địi hỏi một tập hợp các hiệu chỉnh cho biểu thức (1.25) như sau [3]:
𝑁 ln 𝑙𝑛 , , , , 𝐷 𝐸 𝐹 (1.26) Trong đó:
𝐷 (1.27) là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các phân tử khơng khí,
𝐸 (1.28)
là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các son khí, và
𝐹 ∆𝛼𝐼𝐺∆𝜎 NIGΔ𝜎𝐼𝐺Δ𝜎 (1.29)
là do suy hao phụ thuộc bước sóng của một khí nhiễu (interfering gas – IG). Đại lượng Δ𝜎 ⁄Δ𝜎 đơi khi cịn được gọi là độ nhạy QIG.