CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
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 cơng 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.