CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển được trình bày trong Hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Hệ bao gồm các cấu phần chính sau:
+ Khối phát tín hiệu quang học (laser bơm, hai laser màu phản hồi phân bố, bộ phận biến đổi tần số quang phi tuyến, bộ phận chuẩn trực – anten phát quang học):
phát hai bức xạ laser ở hai bước sóng λon và λoff trong vùng tử ngoại thuộc dải hấp thụ Hartley của ozone, các bước sóng này có thể điều chỉnh được và chuẩn trực phù hợp với việc đo đạc phân bố ozone.
+ Khối thu tín hiệu quang học (telescope, bộ phận quang học thu): thiết kế với linh kiện quang và quang điện làm việc tốt trong vùng tử ngoại, lọc bước sóng nhiễu + Phần điện tử, chương trình xử lý tín hiệu và tính tốn phân bố ozone: PMT chuyển đổi quang điện, hệ điện tử nhanh có thể hoạt động trong chế độ đếm đơn photon, phần mềm xử lý số liệu, tính tốn nồng độ ozone và hiệu chỉnh kết quả.
2.1.2 Khối phát quang học
Như trong phần 1.3 Chương 1 đã trình bày, cặp bước sóng dùng trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai địi hỏi phải là hai bước sóng laser tử ngoại được lựa chọn phù hợp với bước sóng on phải nằm trong vùng có tiết diện hấp thụ ozone cao, và bước sóng off nằm trong vùng có tiết diện hấp thụ ozone thấp hơn. Để đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, cặp bước sóng này cịn cần phải đáp ứng điều kiện nằm trong miền phổ có bước sóng từ 266 nm đến 320 nm (băng Hartley).
Các cơng nghệ có thể tạo ra nguồn bức xạ laser phát mạnh để đo phân bố ozone trong tầng đối lưu là sử dụng các bức xạ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG hay bức xạ của laser krypton-fluoride và các bức xạ là các dịch chuyển Raman kích thích của chúng từ các ống Raman chứa H2, D2, He hoặc CO2 [48-52]. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thiết kế như vậy đã có khả năng đo đạc phân bố ozone đến độ cao 12 km vào ban đêm và 8 km vào ban ngày, thậm chí có thể đạt đến độ cao 16 km lúc trời trong vào mùa đông [52] nhưng việc áp dụng cơng nghệ này phải có các ống Raman chứa H2, D2, He hoặc CO2 và chưa khả thi để phát triển trong nước. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai Raman đo phân bố ozone có nhiều thuận lợi như có thể đo đạc ozone trong vùng khơng đồng nhất về son khí, hệ thiết bị đơn giản. Tuy nhiên, do tín hiệu Raman yếu nên độ cao đo đạc thường bị giới hạn [3].
Trên thế giới hiện nay, các laser màu rất được chú ý để sử dụng làm nguồn phát cho các hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo đạc nồng độ ozone khí quyển sau khi các bức xạ laser màu được nhân tần để phát ra bức xạ tử ngoại. Sử dụng laser màu cũng có tính khả thi cao do công nghệ laser màu là một trong những công nghệ nền, không quá tốn kém và đã được phát triển thành công tại Viện Vật lý. Laser màu
thường sử dụng làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai là loại laser màu thơng thường có chứa các yếu tố lọc lựa bước sóng trong buồng cộng hưởng. Yêu cầu của hệ laser màu là buồng cộng hưởng phải có độ phẩm chất tốt để đủ khả năng phát laser. Ưu điểm của loại laser màu này là có thể điều chỉnh bước sóng và độ đơn sắc cao.
Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback Dye Laser –DFDL) là loại laser cũng đã được phát triển thành công tại Viện Vật lý [67 – 72]. Với công suất phát dự kiến đủ để có thể ghi nhận tín hiệu LIDAR, các laser màu phản hồi phân bố cịn có một số ưu điểm khi so sánh với laser màu có yếu tố lọc lựa phổ trong buồng cộng hưởng. Laser màu có khoảng tinh chỉnh bước sóng hẹp, chỉ vài nm quanh đỉnh phát quang của chất màu cịn laser màu DFDL có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn hơn (10 – 20 nm tùy loại chất màu dùng làm mơi trường hoạt tính) nên thuận lợi trong việc chọn các cặp bước sóng cho hệ DIAL đo ozone, giúp tránh ảnh hưởng của khí nhiễu lên kết quả đo. Laser màu thơng thường có độ rộng xung cỡ ns, trong khi DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên nếu phát năng lượng như nhau thì mật độ năng lượng DFDL tăng hơn cỡ gấp 3 bậc. Độ rộng xung ps của DFDL cũng cho hiệu suất tốt hơn trong việc nhân tần tạo bước sóng UV. Ngồi ra, laser DFDL cịn có kết cấu đơn giản. Chính vì những phân tích ở trên cùng với khả năng làm chủ cơng nghệ DFDL và với mong muốn tăng thêm độ cao quan trắc ozone, luận án lựa chọn laser màu DFDL làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai.
2.1.3 Khối thu quang học
Bộ phận chính của khối thu quang học trong hệ LIDAR nói chung và hệ LIDAR hấp thụ vi sai là một telescope. Telescope cho phép thu nhận các tán xạ ngược đàn hồi của bức xạ laser phát bởi các phân tử và son khí trong khí quyển. Trong phương trình LIDAR (1.21), diện tích A của bộ thu quang học, hay diện tích của telescope, tỷ lệ với cường độ tín hiệu LIDAR. Vì vậy, diện tích của telescope đóng vai trị quan trọng đối với độ nhạy phát hiện của hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Để tăng hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR, bộ thu quang học của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được thiết kế với telescope đường kính lớn tối thiểu là 40 cm.
Mặt khác, vùng bước sóng làm việc của hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo phân bố ozone trong khí quyển là vùng tử ngoại. Một trong những khó khăn là các
telescope có sẵn trên thị trường được sử dụng trong quan sát thiên văn nên có tích hợp kính Schmidt hiệu chỉnh quang sai và độ truyền qua trong vùng tử ngoại rất thấp. Do vậy, ngồi việc chế tạo phơi kính quang học đường kính lớn cho telescope của bộ quang học thu, phơi kính quang học này cần được phủ nhơm để telescope có thể thu nhận tín hiệu tốt trong vùng tử ngoại.
2.1.4 Khối thu quang điện tử
Khối thu điện tử của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm ba bộ phận chính: chuyển đổi quang điện, tiền khuếch đại và bộ đếm đơn photon. Bộ chuyển đổi quang điện sử dụng nhân quang điện (Photomultiplier Tube – PMT), được lựa chọn có hiệu suất lượng tử cao trong vùng tử ngoại để tăng hiệu suất phát hiện của PMT trong vùng bước sóng này. Tín hiệu LIDAR là tín hiệu có cường độ thấp nên các photon tán xạ ngược đàn hồi về thiết bị trở thành các xung rời rạc. Do vậy, bộ thu điện tử cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai sẽ được thực hiện theo phương pháp đếm đơn photon. Phương pháp này là phương pháp hiệu quả để có thể thu nhận tín hiệu LIDAR. Phương pháp đếm photon cũng có ưu điểm hơn nhiều so với phương pháp thu nhận tín hiệu tương tự do tính ổn định, hiệu suất phát hiện và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise ratio) cao [73]. Để thực hiện đếm đơn photon, bộ thu điện tử sẽ phải được thiết kế với các mạch điện tử đáp ứng nhanh.
2.1.5 Phần mềm xử lý, tính tốn
Chức năng, nhiệm vụ của phần mềm được thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu: Thu ghi, lưu dữ liệu cường độ tín hiệu LIDAR tán xạ ngược ở hai kênh
bước sóng on và off.
Xử lý dữ liệu: lấy trung bình, làm trơn (fitting) số liệu
Tính tốn phân bố ozone theo phương thẳng đứng: thực hiện các vịng lặp son khí và vịng lặp ozone.
Trong các phần mềm trên, phần mềm thu ghi, lưu dữ liệu cường độ tín hiệu LIDAR viết trên nền Labview đã được phát triển tại Viện Vật lý.