Kết quả mô phỏng và thảo luận

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận

Hình 2. 3 mơ phỏng tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao với cùng năng lượng

xung phát 30 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm. Các đường tín hiệu LIDAR có dạng của đường phân bố mật độ phân tử khí trong khí quyển. Cường độ các bức xạ tán xạ ngược giảm theo mật độ các thành phần khí tán xạ trong khí quyển. Tuy nhiên, ở bức xạ bước sóng on tương ứng với tiết diện hấp thụ cao hơn của ozone, dạng đường tín hiệu LIDAR thể hiện sự suy hao nhiều hơn ở bước sóng off do sự hấp thụ mạnh hơn bởi các phân tử ozone.

Hình 2.3. Mơ phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm, bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển (N2 và O2) theo độ cao

Cường độ bức xạ laser tử ngoại ở hai bước sóng on và off phụ thuộc nhiều vào cường độ các laser màu phản hồi phân bố và ảnh hưởng tới độ cao đo đạc phân bố ozone. Hình 2.4 và Hình 2.5 trình bày mơ phỏng cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng này thay đổi theo

cường độ bức xạ laser phát. Cường độ bức xạ laser phát thay đổi từ 1 J/xung đến 70 J/xung là phạm vi cường độ phát dự kiến của hệ có thể đạt được. Cường độ bức xạ laser phát tăng, độ cao phân bố ozone cũng sẽ tăng. Với tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N = 3 đủ để có thể phân biệt tín hiệu với nhiễu, kết quả mơ phỏng theo cường độ laser phát cho thấy có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở bước sóng on đến độ cao từ 5 km (năng lượng 1 J/xung) đến 10 km (năng lượng 70 J/xung), đỉnh của tầng đối lưu. Hình 2.6 và 2.7 biểu diễn sự thay đổi cường độ tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng on thay đổi theo thời gian đếm photon (5, 10, 20 và 30 phút) với năng lượng xung phát 30J/xung. Tăng thời gian đếm xung sẽ giúp tăng cường độ tín hiệu LIDAR và nâng cao độ cao đo đạc phân bố ozone. Với năng lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon có thể lựa chọn là 10 phút, vừa đảm bảo yêu cầu về độ cao, vừa giảm thiểu ảnh hưởng của động học ozone trong khí quyển . Tính tốn mơ phỏng cũng thực hiện tương tự với bước sóng off.

Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường

độ laser phát 

Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ

Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời

gian đếm photon 

Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian

đếm photon 

Trong thực tế, các bức xạ dao động cộng hưởng trong các laser màu phản hồi phân bố nằm ở các bước sóng có hiệu suất huỳnh quang khác nhau, được khuếch đại bởi các tầng khuếch đại quang học riêng, nên các bức xạ laser màu phản hồi phân bố

có cường độ khơng giống nhau. Trong trường hợp này, dạng tín hiệu LIDAR được mơ phỏng như trình bày trong Hình 2.8 và 2.9 cho hai trường hợp đặc trưng: cường độ bức xạ ở bước sóng on lớn hơn và nhỏ hơn ở bước sóng off.

Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung 

Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

Hình 2.10 mơ phỏng tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, thay đổi theo đường kính của telescope 40 cm và 60 cm. Nếu hệ LIDAR hấp thụ vi sai có telescope đường kính 60 cm được sử dụng, độ khuếch đại của bộ thu sẽ tăng và cường độ tín hiệu LIDAR tăng thêm 2,5 lần so với hệ dùng telescope đường kính 40 cm, dẫn đến tăng thêm độ cao đo đạc và khả năng có thể giảm thời gian đếm photon.

Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm

Kết luận Chương 2

Chương 2 đã trình bày những sự lựa chọn trong thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai và mơ phỏng tín hiệu LIDAR tán xạ ngược để tính tốn phân bố nồng độ ozone trong khí quyển. Các kết luận chính rút ra từ Chương 2 như sau:

 Hai bức xạ tử ngoại của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được nhân tần từ hai nguồn phát laser màu phản hồi phân bố.

 Cặp bước sóng on và off được lựa chọn là 282,9 nm và 286,4 nm.

 Với thiết kế dự kiến, năng lượng phát 1 J/xung – 70 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm, kết quả mơ phỏng cường độ tín hiệu LIDAR cho thấy hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc ozone đến độ cao trên 5 km.

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP

Nội dung Chương 3 tập trung trình bày việc nghiên cứu phát triển các bộ phận cấu thành hệ LIDAR hấp thụ vi sai, hoạt động trong vùng tử ngoại, để đo đạc phân bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng. Chương 3 sẽ bao gồm các phần sau:

 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone

 Xây dựng khối phát quang học dùng laser màu phản hồi phân bố

 Chế tạo telescope hoạt động trong vùng tử ngoại cho bộ thu quang học của hệ LIDAR hấp thụ vi sai

 Phát triển hệ điện tử và phần mềm thu ghi tín hiệu LIDAR  Đo đạc đánh giá đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai