Đang tải... (xem toàn văn)
Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học Hà Nội 2014 PGS. TS. ĐINH VĂN TRUNG GS. TS. NGUYỄN ĐẠI HƯNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội. 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Đinh Văn Trung thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và cho tôi một không gian làm việc chuyên nghiệp trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự kính trọng tới GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Thầy là tấm gương và là người định hướng cho tôi trong chuyên môn khi tôi tham gia học tập và nghiên cứu tại Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh cũng như thời gian học tập tiếp sau này. Tôi cũng muốn được gửi lời cảm ơn tới các cô, các chú, các anh, các chị và toàn thể các bạn trong Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp và Phòng Sau đại học của Viện Vật lý đã dành cho tôi những tình cảm chân thành cùng sự giúp đỡ tốt nhất để tôi được học tập, trao đổi công việc và chia sẻ cuộc sống. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Bùi Văn Hải Lời cam đoan Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển” được thực hiện tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Đinh Văn Trung và GS. TS. Nguyễn Đại Hưng. Tôi xin cam đoan đây là kết quả làm việc của Nhóm lidar và cá nhân tác giả dưới sự hướng dẫn chính của PGS. TS. Đinh Văn Trung. Các số liệu và kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trước đây cả trong và ngoài nước. Tác giả Bùi Văn Hải MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh i Danh mục các đồ thị và hình vẽ ii Danh mục các bảng biểu viii Mở đầu 1 Chương I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất 6 1.1. Khí quyển trái đất 1.1.1. Cấu trúc khí quyển 1.1.2. Son khí tầng thấp 1.1.2.1. Lớp son khí bề mặt 1.1.2.2. Lớp son khí tự do tầng thấp 1.1.2.3. Vai trò của son khí tầng thấp 1.1.2.4. Các đặc trưng cơ bản của lớp son khí tầng thấp 1.1.3. Mây Ti tầng cao 1.1.3.1. Cơ chế hình thành mây Ti 1.1.3.2. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu 1.1.3.3. Các đặc trưng cơ bản của mây Ti 1.1.3.4. Kỹ thuật khảo sát mây Ti 6 6 11 13 16 16 24 24 24 32 33 34 1.2. Các kỹ thuật quan trắc khí quyển 35 1.3. Kỹ thuật lidar 1.3.1. Nguyên lý cấu tạo hệ lidar 1.3.2. Tương tác của bức xạ với khí quyển 1.3.2.1. Lý thuyết tán xạ Rayleigh 1.3.2.2. Lý thuyết tán xạ Mie 1.3.2.3. Lý thuyết tán xạ Raman 37 37 42 43 48 55 1.4. Kết luận chương I 61 Chương II Kỹ thuật và hệ đo lidar 63 2.1. Hệ lidar 2.1.1. Hệ lidar nhiều bước sóng 2.1.1.1. Khối phát 2.1.1.2. Khối thu 2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode 2.1.2.1. Khối phát 2.1.2.2. Khối thu 2.1.3. Đầu thu quang điện cho hệ lidar 2.1.3.1. Đầu thu nhân quang điện (PMT) 2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ (APD) 2.2. Kỹ thuật đo tín hiệu lidar 2.2.1. Kỹ thuật đo tương tự 2.2.2. Kỹ thuật đếm photon 2.3. Phương trình lidar 2.4. Xử lý tín hiệu lidar 2.4.1. Chuẩn hóa tín hiệu 2.4.2. Xác định hàm chồng chập đặc trưng của hệ lidar 2.4.3. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao 2.4.4. Xác định độ sâu quang học của son khí phân bố trong khí quyển 2.4.5. Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman 2.4.6. Xác định hệ số tán xạ ngược của son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi 2.4.7. Xác định tỉ số lidar đặc trưng của son khí 2.4.8. Xác định tỉ số khử phân cực của son khí 2.4.9. Đánh giá sai số của các thông số đặc trưng 63 63 63 64 67 71 77 81 81 85 88 88 89 93 94 94 98 104 105 106 107 108 108 109 2.5. Kết luận chương II 111 Chương III Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp 114 3.1. Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 114 114 115 3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode 3.3. Đặc trưng độ sâu quang học 3.4. Đặc trưng suy hao 3.5. Đặc trưng tán xạ ngược 3.6. Đặc trưng tỉ số lidar 118 118 120 122 123 124 125 126 3.7. Kết luận chương III 128 Chương IV Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao 129 4.1. Đặc trưng phân bố không gian 4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 4.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 4.2. Đặc trưng độ sâu quang học 4.3. Đặc trưng tán xạ ngược 4.4. Đặc trưng khử phân cực 129 129 139 141 142 144 4.5. Kết luận chương IV 146 KẾT LUẬN 148 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 152 PHỤ LỤC i i Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt và tiếng Anh Ký hiệu Nguyên bản tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Bộ khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích lidar Light detection and ranging Ghi nhận tín hiệu quang và xác định khoảng cách DEM Digital Elevation Models Mô hình số địa hình DTM Digital Terrain Model Ảnh số của địa hình DSM Digital surface model Mô hình số bề mặt INS Inertial navigation system Hệ thống hành hướng quốc tế GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer Phổ phân bố tổng lượng Ozone WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng thế giới PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện APD Avalanche photodiode Diode quang thác lũ QE Quantum efficiency Hiệu suất lượng tử PC Photon counter Bộ đếm photon MCA Multichannel pulse-height analyzer Bộ phân tích biên độ xung đa kênh TTL Transitor-transitor logic Bộ logic CMOS Complementary metal–oxide– semiconductor Bán dẫn ô xít kim loại SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu OF Overlap function Hàm chồng chập SF Spatial filter Phin lọc không gian OPO Optical parametric oscillator Bộ dao động tham số quang DL Discrimination level Mức so sánh CBL Convective boundary layer Lớp son khí đối lưu bề mặt ABL Atmospheric boundary layer Lớp son khí bề mặt NCAR National Center for Atmospheric Research Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển của Mỹ CCM3 Community climate model 3 Mô hình khí hậu C 3 ii Danh mục các đồ thị và hình vẽ Hình 1.1: Phân bố nhiệt độ và mật độ phân tử khí trung bình trong khí quyển trái đất theo độ cao tới 100 km [62]. Hình 1.2: Cấu trúc khí quyển trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, trong miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70]. Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000, một cơn bão cát thổi qua sa mạc Sahara ở tây bắc châu Phi đã cuốn theo một đám mây cát rộng hàng ngàn cây số vuông [63]. Hình 1.4: Ảnh chụp bằng TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) ở thời điểm cùng ngày 26/2/2000 tại cùng địa điểm. Phổ màu chuyển từ xanh lá cây sang đỏ theo sự tăng dần mật độ của khối son khí [63]. Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí quyển bề mặt [62]. Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [68]. Hình 1.7: Ảnh một số loại mây cơ bản trong tầng đối lưu của khí quyển [70]. Hình 1.8: Ảnh một số lọai mây không phổ biến khác tồn tại trong tầng đối lưu của trái đất [70]. Hình 1.9: Mô hình giải thích sự tạo thành của các đám mây [70]. Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động của lidar [3]. Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý gồm hai phần cơ bản: khối phát và khối thu. Hình 1.12: Tán xạ đàn hồi trên các hạt có kích thước khác nhau so sánh với bước sóng ánh sáng kích thích [22, 33, 112]. Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha đối với tán xạ Rayleigh [104]. Hình 1.14: Kích thước một số loại son khí phổ biến [109]. Hình 1.15: Dạng hàm hệ số tán xạ ngược của một hạt nước hình cầu đồng nhất có chiết suất n =1.33 phụ thuộc vào kích thước đặc trưng x của hạt [112]. Hình 1.16: Cường độ theo góc tán xạ tương ứng với bước sóng 1064 nm và 532 nm trên hạt kích thước nhỏ 0,1 µm [104]. Hình 1.17: Cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng với hai bước sóng 1064 nm và 532 nm với các tâm tán xạ có kích thước 10 µm [104]. iii Hình 1.18: Phân bố cường độ theo góc tương ứng ở hai bước sóng 1064 và 532 nm trên các hạt có kích thước lớn cỡ 1000 µm [104]. Hình 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức năng lượng của tán xạ Rayleigh và Raman. Hình 1.20: Phổ tán xạ Raman của một số loại khí phổ biến trong khí quyển (oxi, ni tơ, hơi nước) khi kích thích ở bước sóng 532 nm [112]. Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu. Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]. Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế. Hình 2.3: Hình ảnh chi khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm. Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram và dạng bề mặt bức xạ laser [14, 61]. Hình 2.5: Sơ đồ mạch nuôi chip laser diode của hãng Osram [14]. Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ và kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang và phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách 4 m, c) Sơ đồ nguyên lý chuẩn trực chùm laser. Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi. Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại. Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu. Hình 2.10: Hình ảnh của đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 của hãng Hamamatsu sử dụng trong hệ lidar và sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger [13]. Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20 o C, hút ẩm, khép kín và giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar. Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm. Hình 2.13: Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện [79]. Hình 2.14: Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79]. [...]... nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực quan trắc khí quyển từ xa Luận án được chia thành 4 chương: Chương I: Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển Trong chương I, chúng tôi trình bày cấu trúc tầng khí quyển bao quanh trái đất, vai trò của lớp son khí trong khí quyển tầng thấp, của mây Ti tầng cao đối với chất lượng môi trường, vấn đề thời tiết và sự biến đổi khí. .. của luận án: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của kỹ thuật lidar (kỹ thuật khảo sát từ xa bằng bức xạ điện từ kết hợp) đàn hồi và kỹ thuật lidar Raman Từ đó xây dựng chương trình số xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển theo độ cao và theo thời gian Nghiên cứu, xây dựng, phát triển và tối ưu kỹ thuật quang học và điện tử sử dụng trong hệ lidar Raman phân cực hoạt động đồng thời... liệu ghi nhận của hệ lidar xác định các tham số vật lý đặc trưng của son khí trong miền quan trắc Áp dụng lý thuyết tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab áp dụng xử lý dữ liệu ghi nhận từ hệ lidar Raman đa kênh xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển ở thành phố Hà Nội Xây dựng dữ liệu quan trắc khí quyển tại Hà... được thực hiện với tên gọi: Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển Luận án được thực hiện với mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể sau: 2 Mục đích của luận án: Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar tích hợp ghi nhận tín hiệu tán xạ Raman và tín hiệu tán xạ đàn hồi theo hai kênh phân cực Mục đích xây dựng hệ lidar có khả năng khảo sát tới... số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64, 65, 67] Bảng 2.3: Các tham số của chùm laser diode loại mảng SPL PL90_3 của Osram sử dụng cho hệ lidar khảo sát trường gần [14] Bảng 2.4: Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser diode [13, 65] vii Bảng 2.5: Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13] Bảng 3.1: Bảng giá trị son khí theo kết quả nghiên cứu. .. pháp nghiên cứu được sử dụng khảo sát lớp son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao, trong đó kỹ thuật lidar thể hiện những ưu điểm vượt trội Trong chương này chúng tôi cũng trình bầy ngắn gọn lý thuyết tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie và tán xạ Raman sảy ra trên phân tử khí và các loại hạt son khí Để từ đó chúng ta có một cách nhìn tổng quan các đặc trưng hóa lý cơ bản của lớp son khí tầng thấp và lớp mây Ti tầng. .. trắc khí quyển phục vụ mục đích theo dõi, nghiên cứu môi trường và khí quyển ứng dụng cho nhiều lĩnh vực Khai thác cơ sở dữ liệu đã ghi nhận xác định các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp son khí tồn tại trong miền khí quyển Hà Nội bước đầu đánh giá các đặc trưng và so sánh với các kết quả quan trắc khác thực hiện trong khu vực và trên thế giới Đối tượng nghiên cứu của luận án: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết... hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý cơ bản của lớp mây Ti tầng cao như đặc trưng phân bố độ cao theo thời gian trong năm, độ dày, mối liên hệ giữa độ cao đỉnh lớp mây với độ cao lớp phân tần đối lưu hạn, và các đặc trưng vi mô của lớp mây tầng cao này như: hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao, tỉ số khử phân cực 5 CHƢƠNG I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trƣng vật lý của son khí trong khí quyển. .. tượng nghiên cứu của luận án là lớp son khí tồn tại trong khí quyển trái đất Trong chương mở đầu chúng tôi trình bày về cấu trúc, phân bố, vai trò của lớp son khí đối với khí quyển, đối với thời tiết và sự biến đổi khí hậu của trái đất Chúng tôi trình bày lý thuyết về tương tác giữa chùm photon kết hợp và môi trường phân tử khí, son khí theo lý thuyết tán xạ đàn hồi và phi đàn hồi, đó là cơ sở của các nghiên. .. nghiên cứu lý thuyết và các kết luận thực nghiệm được đưa ra trong luận án ở các chương tiếp sau Bên cạnh đó chúng tôi cũng thảo luận về những ưu điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật lidar trong quan trắc khí quyển 1.1 Khí quyển trái đất 1.1.1 Cấu trúc khí quyển Khí quyển Trái đất có thể xem như một hệ Vật lý có dạng cầu bao quanh trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật chất . VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành:. NAM VIỆN VẬT LÝ BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ . gọi: Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển . Luận án được thực hiện với mục đích và đối tượng nghiên cứu cụ thể sau: 3 Mục đích của luận