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

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 62 44 11 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ
Hà Nội 2014
Luận án được thực hiện tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam.

quyển trái đất
Đối 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 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.
CHƢƠNG II
Kỹ thuật và hệ đo lidar
Chương 2, chúng tôi trình bày những nghiên cứu về kỹ thuật khảo sát
từ xa (là công cụ nghiên cứu của nhóm tác giả) được sử dụng để xác định
các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển. Chúng tôi trình bày về
cấu trúc của hệ lidar được thiết kế, xây dựng tại Viện Vật lý với mục đích
quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí. Những thiết kế về cơ khí, điện
tử và quang học được sử dụng trong quá trình nghiên cứu, xây dựng, tối ưu
hệ lidar Raman phân cực đa kênh và hệ lidar sử dụng laser diode công suất
cao. Bên cạnh đó chúng tôi cũng trình bày cơ sở toán học và các chương
trình tính số xây dựng bằng ngôn ngữ Matlab xác định các đặc trưng
quang của son khí trong miền quan trắc từ cơ sở dữ liệu của hệ lidar đặt tại
Hà Nội.
2

2.1 Hệ lidar
2.1.1. Hệ lidar nhiều bƣớc sóng

năng lượng chùm tia
Đường kính chùm
6 mm
//
Xét tại trường gần của chùm tia laser
Tỉ số phân cực
chùm
> 90%
//
Theo phương đứng
Tính hội tụ chùm
< 2
//
Giới hạn nhiễu xạ thơi gian tại mức
cường độ 1/e
2
đỉnh xung.
Tính không gian
0,7
0,95
//
Theo phân bố Gauss ( đối với trường
gần 1m)
Đối với trường xa cách 2m
Năng lượng xung
360 mJ
180 mJ
Sử dụng đầu đo công suất
Năng lượng đỉnh
±2 (0,6)

của 500 xung
Tính ổn định điểm
< 50
mrad
//
Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200
xung tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f
= 2m
2.1.1.2. Khối thu
Khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon
trên tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng
telescope 100 mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu
đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát đồng thời
khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm
kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường
gần. 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].

Loại kính thiên
văn
Cassegrain LX200
EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự
2000 mm
Loại: Schmidt – Cassegrain
Catadioptric
Độ mở
f/10

Đường kính
203.2 mm

ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN
Đầu thu PMT
Hamamatsu
R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương
tự và đếm photon kênh 532 nm
Đầu thu APD
Hamamatsu
Hoạt động chế độ đo tương tự kênh
1064 nm
ĐẶC TRƢNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI
NHẬN VÀ XỬ LÝ
ADC 12 bit
Picosope 4000
series
3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu

gần tại Hà Nội, được xây dựng và tối ưu tại Viện Vật lý.

1.1.2.1. Khối phát
Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước
sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng,
hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ
[55]. Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ
chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở
chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương
ngang là 1,5 mrad. Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì
góc mở của khối thu phải lớn hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập
Khối phát
APD
Máy tính
Bộ nguồn
Module đếm photon
Kính thiên văn
d = 200mm

Loại kính thiên
văn
Cassegrain LX200
EMC
Hãng sản xuất Meade - USA
Tiêu cự
2000 mm
Loại: Schmidt – Cassegrain
Catadioptric Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm.
Bộ nguồn và đầu laser
SPL_PL90_3 phát bước sóng
905 nm của hãng Osram
Thấu kính trụ 1
Thấu kính trụ 2
Bộ vi dịch chuyển 3chiều
Trigger quang

Bản tách chùm
Gương hướng chùm tia 7

Độ mở
f/10

Đường kính

Hình ảnh module đầu thu photodiode thác lũ và khối làm lạnh được
thể hiện trong Hình 2.11. Trên đó chúng tôi sử dụng 4 cổng kết nối cáp
RG58C/U 50 Ω với mục đích giảm tối đa nhiễu điện có thể gây ra cho đầu
thu. Trong đó có 4 cổng gồm: cổng tín hiệu, cổng nuôi cao thế và hai cổng
nuôi thế cho pin nhiệt điện có gắn kèm mạch LC dập tắt các nhiễu điện. Giao diện và các tham số đầu vào phù hợp với từng phép đo được thể
hiện trong hình 2.12.

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.
4 cổng cáp 50 Ω
Quạt tản nhiệt
Bộ làm lạnh cho APD
Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger
Không gian được hút ẩm 8




exp
2




[




+ 

()]

0

(2.1)
Trong đó P
laser
là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ,
A là tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng
của hệ đo, 




2.5. Kết luận chƣơng II
Trong chương II, chúng tôi trình bày:
1. Trình bày nguyên lý, cấu trúc hệ lidar Raman phân cực nhiều bước
sóng. Nghiên cứu, phát triển, tối ưu hệ lidar Raman phân cực xây dựng
lần đầu tiên tại Việt Nam, phục vụ mục đích quan trắc các thành phần
son khí trong khí quyển tới độ cao trên 20 km.
2. Chế tạo đầu thu là photo diode quang thác lũ – APD S9251 – 15 hoạt
động ở chế độ Geiger hạ nhiệt độ -20
o
C có độ nhạy cao.
3. Trình bày những nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ lidar nhỏ gọn sử
dụng laser diode công suất cao kết hợp đầu thu là photo diode quang
thác lũ – APD S9251 – 15 cho phép quan trắc lớp son khí bề mặt và có
khả năng quan trắc lớp Mây Ti tầng cao dưới 10 km.
4. Với tuổi thọ của laser diode có thể lên tới hàng chục nghìn giờ (laser
đang sử dụng có tuổi thọ ~14.000 giờ) chi phí duy trì thấp đặc biệt phù
hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật quan trắc từ xa tại
Việt Nam.
5. Trong thời gian tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển hệ lidar
quan sát trường gần theo các mục đích sau:
 Tăng công suất laser diode, tăng độ nhạy của đầu thu nhằm tối ưu
hệ lidar nhỏ gọn và khả năng di động, tăng chất lượng tín hiệu
quan trắc lớp khí quyển tầng thấp.
 Sử dụng nhiều loại laser diode công suất cao phát ở các bước sóng
khác nhau cho phép xây dựng hệ lidar nhiều bước sóng có khả 10

năng quan trắc sự phân bố kích thước hạt son khí trong không

Hình 3.1: a) Đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo thời gian, xác
định đỉnh lớp son khí bề mặt theo phương pháp gradient. b) Tín hiệu đàn hồi của lớp
son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011.

0 0.5 1 1.5 2 2.5
-500
0
500
Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi

60Khoảng cách (km)
I.z
2
Lớp son khí bề mặt 12

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
Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí
đặt hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực. Từ tín hiệu
lidar đàn hồi chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao
theo thời gian, điều đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ
cao và theo thời gian…

3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học
Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng bức xạ quang bị mất
mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của
bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi
trường. Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ mặt
đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương
đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%.

Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012.
Độ cao (km)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Mây tầng cao
22 01 04
Giờ địa phƣơng Hình 3.10: Độ sâu quang học của lớp son khí tầng thấp của khí quyển vào ngày 20h
ngày 31/10/2012.
2 4 6 8 10 12 14
0
0.05
Độ sâu quang học Hình 3.12: Hệ số tán xạ ngược của son khí tầng thấp dưới 3,5 km khảo sát lúc 20 h
ngày 21 tháng 11 năm 2012.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
2
3
4
5
x 10
-3
Khoảng cách (km)
Hệ số tán xạ ngƣợc (km
-1
)
Độ sâu quang học
Khoảng cách (km) Hình 3.11: Hệ số suy hao của son khí tầng thấp tại Hà Nội lúc 20 h ngày 21 tháng
11 năm 2012.
1 1.5 2 2.5 3 3.5
0.04
0.06

Các khu vực đƣợc nghiên cứu
Lớp
tỷ số lidar
Bụi đô thị
Trung tâm châu Âu (EARLINET)
Thành phố đông Á (ACE 2)
Vùng bắc Mỹ (AERLINET)

PBL
FT
FT

53 ± 11
45 ± 9
39 ± 10
Son khí vùng đông/nam Á
Vùng bắc Ấn (INDOEX)
Vùng nam Ấn (INDOEX)

FT
FT

65 ± 16
37 ± 10
Độ sâu quang học
Khoảng cách (km) Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp trong khí
quyển trên bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012.

dưới 5 km. Chúng tôi rút ra một số kết luận sau:
 Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian dưới 5 km.
 Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary layer) tồn tại ở độ cao ~1,5 km.
 Hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị
trung bình 40 ± 11, kết quả này là khá phù hợp với điều kiện đô thị Hà
Nội và so sánh với một số đô thị khác theo công bố của các nhóm
nghiên cứu như tại Bắc Kinh phía bắc Trung Quốc chỉ số đó là: 38 ±
7, tại một số thành phố nhỏ tại châu Âu trị số đó là: 53 ± 11.
Đây là những kết quả nghiên cứu đầu tiên được thực hiện tại Việt
Nam trên hệ đo Raman lidar và hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode 905
nm phát triển tại Viện Vật lý. Những kết quả này đã được công bố trong
các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả. Trong thời gian tiếp sau
chúng tôi tiếp tục nâng cao hiệu xuất nghi nhận của hệ dial lidar sử dụng
laser diode công suất cao quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí tầng
thấp và phân bố của hơi nước trong miền khí quyển trường gần. Cải tiến hệ
lidar sử dụng laser diode là một đóng góp mới, có nhiều ý nghĩa của nhóm
nghiên cứu và bước đầu đã có kết quả. 17

CHƢƠNG IV
Quan trắc các đặc trƣng vật lý của mây Ti tầng cao
4.1. Đặc trƣng phân bố không gian
4.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Giờ địa phƣơng (07 tháng 6 năm 2011)
Giờ địa phƣơng (23 tháng 9 năm 2011)

Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây
Đỉnh lớp mây
Đáy lớp mây 18

2. Độ dày trung bình của lớp mây có xu thế giảm dần vào các tháng
cuối năm và khá ổn định trong những tháng cuối năm.
3. Độ cao lớp phân tầng giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu có độ cao
tăng nhẹ vào cuối năm.
Khoảng cách giữa đỉnh lớp mây Ti tầng cao và lớp phân tách giữa
hai tầng khí quyển đạt giá trị ~3 km và tăng nhẹ vào các tháng cuối năm.
Bảng 4.1: Thống kê độ cao, độ dày trung bình và khoảng biến đổi…
Đặc trƣng mây Ti
Giá trị trung bình
Khoảng thay đổi
Độ cao đỉnh lớp mây Ti
14.3 km
11,8 tới 16,5 km
Độ cao trung bình lớp mây Ti
13,4 km
12,5 tới 14,3 km
Độ dày lớp mây Ti
1,7 km
0,3 tới 3,8 km

Sassena
nd
Campb
ell,
2001
INDOE
X
Seiferte
t al.,
2007
Hà Nội
(21
0
N,105
0
W
)
2011
Tọa độ địa lý
34.1°S
58.5°W
53.1°S
71°W
55.5°N
4.1°W
44°N
6°E
41°N
112°W
4.1°N

1.2
1.4
1.9
1.8(1.0)
1.7(0.73)
Khoảng cách
giữa đỉnh lớp
mây và lớp đối
lưu hạn (km)
0.38(0.25
)
1.7
1.0
0.8(0.2)
0.4
_
2.8(0.85) 19

Nhiệt độ đỉnh
lớp mây
-64.5(3.6)
-49
-48

-56
-65(11)
-65(7)


Lớp mây Ti phân tầng định xứ ở độ cao 7 km Hình 4.13: Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách.
Độ cao lớp mây Ti
I.z
2
(a.u)
Vị trí đỉnh lớp mây Ti
Vị trí đáy lớp mây Ti
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
Back scattering ratio
Height (km)
Hình 4.17: Tỉ số tán xạ ngược giữa đóng góp của son khí so với phân tử khí những
kết quả này chúng tôi đăng tại bài báo: [19, 20].
Độ cao (km)
Tỉ số tán xạ ngƣợc 20


80
100
Height of cirrus (km)
Depolization ratioDe Ratio of cirrus
Fitted line
Độ cao mây Ti (km)
Tỉ số khử phân cực (%)
Hình 4.19: Tỉ số khử phân cực của mây Ti thay đổi theo độ cao của lớp mây.
Tỉ số khử phân cực
Xu thế thay đổi 21

b. Đặc trưng độ dày của lớp mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội
với độ dầy trung bình ~ 1,7 ± 0,73 km.
c. Sự tương quan về độ cao của đỉnh lớp mây Ti và lớp phân tầng
đối lưu hạn của khí quyển Hà Nội ~3 km…
2. Đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao:
a. Tần suất phân bố của mây Ti trên bầu trời Hà Nội ~ 56%, đóng
góp lưu trữ năng lượng bức xạ tại bước sóng 532 nm ~21,4%
b. Đặc trưng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội
~45% với những trường hợp đặc biệt có thể lên trên 80%.
c. Trong nghiên cứu chúng tôi cũng có những kết luận về quy luật
tăng tỉ số khử phân cực khi tăng độ cao hoặc giảm nhiệt độ của
lớp mây Ti…
Những kết quả trong chương 4 đã được công bố trong các bài báo

số tán xạ ngược, tỉ số phân cực và mối liên hệ giữa độ cao lớp mây Ti
tầng trên so với lớp đối lưu hạn của khí quyển tại Hà Nội. Kết quả
nghiên cứu này được công bố trong bài báo [19] của nhóm tác giả.
5. Xây dựng, phát triển thành công một hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode
công suất cao phát bức xạ 905 nm và đầu thu APD hoạt động ở chế độ
Geiger được làm lạnh sâu nhằm mục đích quan trắc lớp son khí tầng
thấp dưới 10 km. Với nhiều ưu điểm và đặc biệt phù hợp với điều kiện
nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật khảo sát từ xa tại Việt Nam, phát triển
hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao đang mở ra một hướng phát
triển thiết bị khoa học có nhiều ứng dụng thực tiễn.
Với những kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời gian
tác giả thực hiện nghiên cứu trên các hệ lidar, khẳng định một lĩnh vực 23

nghiên cứu, đầu tư và phát triển mới triển vọng về kỹ thuật quan trắc khí
quyển từ xa tại Việt Nam. Với cơ sở thiết bị hiện có chúng ta có khả năng
nghiên cứu sâu hơn các tính chất vật lý của các đối tượng trong khí quyển
trái đất ở độ cao lớn hơn 20 km, phục vụ cho nhiều mục đích khác như:
quan trắc môi trường, khí tượng… có nhiều ý nghĩa đối với nghiên cứu,
đào tạo và ứng dụng.

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

1. Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen
Thanh Binh (2012), monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi
using a compact lidar system, Communication in Physics, Vol. 22, No. 4, P. 357-
364.
2. D.V. Trung, N.T. Binh, N.V. Thuong, V.T.T. Thuy, B.V. Hai, V.T. Bich, N.D.