CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ
1.3.7 chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai
Độ chính xác của một phép đo LIDAR hấp thụ vi sai được xác định bởi sai số thống kê do đặc trưng ngẫu nhiên của q trình phát hiện tín hiệu mà nó sẽ tn theo thống kê Poisson [37]. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào các gần đúng được áp dụng để suy ra mật độ số của ozone từ tín hiệu thu được. Nó phụ thuộc vào độ tuyến tính của tín hiệu LIDAR.
Theo thống kê Poisson, sai số thống kê của nồng độ ozone được viết theo biểu thức [37,39,55]:
𝜀 𝑅 ∑ ,
, , , (1.48)
với λ là λon hoặc λoff ; P(λ,R) là tín hiệu lidar ở bước sóng λ, độ cao R; Nλ là số xung laser (laser shots) ở bước sóng λ; Pb(λ,R) là bức xạ nền. Trong biểu thức (1.48), sai số thống kê tỷ lệ nghịch với độ phân giải không gian R, nên nếu R càng nhỏ thì 𝜀 𝑅 lại trở nên lớn. Sai số thống kê cuối cùng cịn phải tính đến sự phụ thuộc vào các thông số hệ thống thực nghiệm, thời gian thu ghi tín hiệu, phân giải độ cao thẳng đứng theo mối liên hệ sau [37,39,55]:
𝜀 𝑅 ∝ 𝐴Δ𝑅 𝑃 𝑇 (1.49)
Trong đó a là diện tích telescope; P0 là cơng suất laser phát; Ta là thời gian thu ghi. Độ chính xác của phép đo cũng phụ thuộc vào độ chính xác của tiết diện hấp thụ ozone và sự gần đúng liên quan đến độ đơn sắc của các bức xạ laser. Bảng 1.4 chỉ ra các nguồn sai số và các sai số chưa tính tới của phép đo sau hiệu chỉnh [55].
Bảng 1.4. Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh [55]
Nguồn sai số Sai số chưa
tính đến Tiết diện hấp thụ ozone
Giá trị tuyệt đối (Bass & Paur) 2%
Ảnh hưởng nhiệt độ <0.5%
Độ rộng vạch laser <0.3%
Suy hao Rayleigh <0.6%
Hấp thụ khác
SO2 – điều kiện bình thường Bỏ qua
SO2 – sau núi lửa phun trào 1%
NO2 <0.3%
Tán xạ ngược và suy hao do son khí
Có núi lửa phun: hiệu chỉnh bằng đo phân bố kích thước 30% Có núi lửa phun: dùng kênh Raman <5%
Đối với ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tiết diện hấp thụ ozone và số hạng suy hao Rayleigh, sự hiệu chỉnh cần phải có đường áp suất – nhiệt độ hàng ngày được cung cấp bởi các đầu dị radio gắn trên các bóng thám khơng, so sánh với các số liệu vệ tinh hay nhiệt độ được đo bởi các hệ LIDAR ở lớp khí quyển tầng cao. Đối với các sai số liên quan đến ơxít nitơ, một đường trung bình hàng năm thường được sử dụng để hiệu chỉnh.
Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được chế tạo có thể tác động tới độ tuyến tính của tín hiệu lidar và gây sai số cho nồng độ phân bố ozone. Các vấn đề chính trong kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai là:
Sai số thẳng hàng: để đo đạc ozone chính xác, trục của các tia laser và telescope thu phải thẳng hàng. Sự sai lệch trong thẳng hàng sẽ tác động tới độ dốc của tín hiệu và do đó ảnh hưởng tới mật độ ozone thu được.
Nhiễu cảm ứng tín hiệu trong ống nhân quang điện PMT: hiệu ứng này gây bởi cường độ cao từ ánh sáng tán xạ của bức xạ laser trong vài kilomet đầu. Nó sẽ sinh ra một sự giảm tín hiệu một cách chậm chạp mà nó sẽ chồng lên ánh sáng nền [41]. Ảnh hưởng này có thể dễ nhận biết ở khoảng cách cao, nơi tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp. Để tránh hiệu ứng này, người ta thường sử dụng những chặn ngắt cơ khí khi thiết kế thực nghiệm vì ngắt điện tử trên mạch điện hay nhân quang điện thường kém hiệu quả.
Sự bão hòa của hệ thu: ở những độ cao thấp, các hệ đếm photon không thể xử lý được cường độ mạnh thu bởi các ống nhân quang điện. Đa số các hệ lidar dùng một vài kênh điện tử cho một bước sóng cho phép duy trì độ tuyến tính của tín hiệu bằng cách chuyển kênh. Về mặt này, sử dụng các kênh Raman là rất có lợi vì cường độ thấp của chúng cho phép kiểm tra độ tuyến tính của các kênh Rayleigh ở những khoảng độ cao thấp.
Kết luận Chương 1
Tóm lại, Chương 1 đã khái quát sơ lược về ozone trong khí quyển, giới thiệu các phương pháp, kỹ thuật quan trắc phân bố ozone theo độ cao được sử dụng chủ yếu trong mạng lưới quan trắc ozone hiện nay trên thế giới và đi sâu trình bày kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone. Các kết luận chính rút ra từ Chương 1 như sau:
Khơng giống như ozone trong tầng bình lưu đóng vai trị hữu ích bởi sự hấp thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại mặt trời có hại về mặt sinh học, ozone trong lớp khí quyển tầng thấp tiếp xúc trực tiếp và có tác động tiêu cực tới các dạng hình thái của sự sống, sức khỏe của con người, mùa màng, thực vật, các cơng trình kiến trúc và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính.
Để đo đạc phân bố thẳng đứng của ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, các kỹ thuật được sử dụng chủ yếu hiện nay là đầu dị điện hóa bay theo bóng thám khơng thời tiết, kỹ thuật viễn thám dùng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hoặc vệ tinh và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai hiện đang được chú trọng nghiên cứu và phát triển.
LIDAR hấp thụ vi sai là kỹ thuật viễn thám quang học chủ động. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát vào khí quyển hai xung laser (hoặc nhiều hơn hai) và thu ghi các bức xạ tán xạ ngược sau quá trình các xung laser bị tán xạ và hấp thụ bởi các phân tử và son khí trong khí quyển, trong đó có ozone. Để đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, cặp bước sóng on và off được lựa chọn nằm trong băng hấp thụ Hartley có bước sóng nhỏ hơn 300 nm để tăng thêm độ nhạy phát hiện. Từ độ trễ thời gian của tín hiệu thu về, độ cao của vị trí tán xạ được xác định. Phân bố nồng độ ozone theo độ cao được tính từ phương trình LIDAR và tỷ số tín hiệu tại hai bước sóng on và off.
Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai có hạn chế là khơng thể đo đạc phân bố ozone trong mọi điều kiện thời tiết như dùng đầu dị ozone trên bóng thám khơng, khơng cung cấp bản đồ phân bố ozone tồn cầu (với độ phân giải khơng gian thấp, lớn hơn 5 km) như sử dụng các quang phổ kế đặt trên vệ tinh, nhưng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai cho phép đo phân bố ozone với độ phân giải cao về khơng gian và có thể đo liên tục theo thời gian cả ngày lẫn đêm.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
Nội dung Chương 2 sẽ bao gồm 4 phần: thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai, lựa chọn cặp bước sóng, mơ phỏng tín hiệu LIDAR, kết quả mơ phỏng và bàn luận. Với mục tiêu phát triển được một hệ LIDAR hấp thụ vi sai, làm việc trong vùng bước sóng tử ngoại, đo đạc phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hệ LIDAR hấp thụ vi sai cần phải được thiết kế thích hợp với độ cao đo đạc, độ phân giải, giảm thiểu ảnh hưởng lên sai số bởi son khí và các khí can thiệp, giảm nhiễu nền ánh sáng ban ngày, phù hợp với điều kiện vật tư, thiết bị và các cơng nghệ nền sẵn có. Các kết quả mơ phỏng sẽ giúp đánh giá mơ hình thiết kế và lựa chọn thơng số đo đạc.