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
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
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
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
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
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
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 1.17:
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].
iv
Hình 2.15:
a) Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại
theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT H6780 của hãng Hamamatsu
[79].
Hình 2.16:
Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động ở chế độ đếm photon
trên kênh tín hiệu Raman với thể nuôi 15 V.
Hình 2.17:
Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới
khác nhau [123].
Hình 2.18:
a): Đặc trưng độ nhạy của APD theo bước sóng tín hiệu. b): Hiệu suất
lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. c): Đặc trưng dòng tối theo thế
ngược đặt vào APD [13].
Hình 2.19:
Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín
hiệu mạnh (chế độ đo tương tự) [79].
Hình 2.20:
Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng kênh
1064 nm và 532 nm.
Hình 2.21:
Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín
hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79].
Hình 2.22:
Hình dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon: a) Ở chế độ
xung đơn, b) Trung bình của 12000 xung laser.
Hình 2.23:
Hình ảnh tín hiệu thu nhận từ hệ lidar hoạt động ở chế độ đếm photon
Viện Vật lý, (b): Tín hiệu lidar đàn hồi trước và sau khi tính đến hàm
chồng chập đặc trưng của hệ [16, 20].
Hình 2.32:
a): Khoảng không gian tín hiệu đàn hồi đã chuẩn hóa theo khoảng cách
đo sụt giảm mạnh nhất được hiểu là vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt,
b): Đồ thị hàm H(z) tương ứng đạt cực tiểu tại vị trí đỉnh lớp son khí
[57].
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.
Hình 3.2:
Tín hiệu trường gần của hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo
khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình trong thời gian 30 s vào lúc
20h ngày 4/7/2012.
Hình 3.3:
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2.
Hình 3.4:
Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt.
Hình 3.5:
Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực hiện với tín hiệu vào buổi
sáng, buổi chiều và buổi tối trong ngày 27/5/2011 tại Hà Nội [19].
Hình 3.6:
Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian
thưc trong ngày.
Hình 3.7:
Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày
6/10/2012.
Hình 3.8:
Hình 4.3:
Phân bố độ cao trung bình của đỉnh và độ dày lớp mây Ti thay đổi theo
thời gian trong năm 2011.
Hình 4.4:
Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn theo thời gian trong năm 2011
đo bằng phương pháp thả bóng thám không [19].
Hình 4.5:
Sự biến đổi nhiệt độ trong tầng đối lưu và bình lưu từ tín hiệu
radiosonde [19].
Hình 4.6:
Sự biến đổi độ cao đỉnh tầng đối lưu theo nhiệt độ của vị trí phân tầng
trên bầu trời khí quyển của Hà Nội năm 2011.
Hình 4.7:
Sự thay đổi độ cao của lớp mây Ti theo nhiệt độ tại vị trí đỉnh của lớp
mây Ti tầng cao [19].
Hình 4.8:
Sự thay đổi độ cao của lớp đối lưu hạn và đỉnh lớp mây Ti theo thời
gian trong năm 2011.
Hình 4.9:
Sự thay đổi khoảng cách giữa đỉnh lớp mây và lớp đối lưu hạn.
Hình 4.10:
Sự thay đổi độ dày hình học của lớp mây Ti trong năm 2011 theo nhiệt
độ.
Hình 4.11:
Số trường hợp phát hiện mây Ti trong năm 2011 tại Hà Nội [19].
Hình 4.12:
Tín hiệu đếm photon trên hệ lidar sử dụng laser diode khảo sát mây Ti
tầng cao.
Hình 4.13:
Cường độ tín hiệu tán xạ ngược chuẩn hóa theo khoảng cách.
Bảng 1.3:
Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [4].
Bảng 1.4:
Tiết diện tán xạ của một số loại khí trong khí quyển [108, 109].
Bảng 1.5:
Tỉ số khử phân cực của một số loại khí có mặt trong khí quyển [32].
Bảng 1.6:
Một số loại son khí phổ biến và nguồn gốc hình thành [4].
Bảng 1.7:
Số sóng dịch chuyển trong tán xạ Raman khi kích thích ở bước sóng
532,1 nm, đối với một số loại khí phổ biến trong khí quyển [34].
Bảng 2.1:
Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều bước
sóng [64].
Bảng 2.2:
Các thông 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]. viii
Bảng 2.5:
Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13].
Bảng 3.1:
trước khi trở về đầu thu. Bức xạ điện từ tán xạ trở về đầu thu sẽ mang các thông
tin về đối tượng khảo sát, tuân theo lý thuyết tán xạ tùy thuộc vào bản chất của
đối tượng tán xạ. Sự thay đổi tính chất của bức xạ trở về cho phép xác định các
thông số đặc trưng của môi trường nghiên cứu như: đặc trưng tán xạ ngược, đặc
trưng suy hao, đặc trưng khử phân cực, mật độ, sự phân bố, hình dạng và kích
thước hạt của đối tượng khảo sát biến đổi trong không gian và theo thời gian.
Tùy thuộc vào mục đích quan trắc và đối tượng nghiên cứu mà hệ lidar sẽ được
thiết kế khác nhau.
Hiện nay, hệ lidar được tối ưu về kỹ thuật và đang trong giai đoạn cạnh
tranh thương mại rộng khắp trên thế giới. Các hệ lidar đặt tại các đài trạm mặt
đất hoặc trên các thiết bị di động ở mặt đất hoặc trên không phục vụ việc xây
dựng ngân hàng dữ liệu, ảnh DEM, DTM, DSM, 3D… về lớp khí quyển quanh
trái đất cũng như bề mặt trái đất… [68]. Tùy thuộc mỗi mục đích nghiên cứu mà
một hệ lidar sẽ hoạt động độc lập, riêng biệt hoặc được kết nối với các hệ thống 2 thông tin khác như: hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống hàng hướng INS….
Các hệ lidar hiện tại được thiết kế có khả năng hoạt động liên tục, tự động xử lý
tín hiệu ghi nhận và truyền tải các thông số quan trắc từ xa về các đài, trạm,
trung tâm phục vụ các mục đích khác nhau [61, 62, 61, 68, 69, 70].
Bước sóng laser sử dụng kích thích trong các hệ lidar tùy thuộc vào mục
đích quan trắc có thể nằm trong miền phổ rộng từ 125 nm tới 11 μm. Để có được
miền bước sóng đó nguồn phát bức xạ thực tế là rất đa dạng gồm: các loại laser
rắn, lỏng, khí, các laser Raman trạng thái rắn, các bộ nhân tần số… đã được sử
dụng trong hệ lidar [108]. Các laser hiện nay cho phép thay đổi bước sóng kích
thích sử dụng cho hệ lidar gần như liên tục từ miền tử ngoại tới hồng ngoại, tùy
thuộc bước sóng ghi nhận và cường độ tín hiệu mà các đầu thu quang điện được
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 Nội tới độ cao trên 20 km,
tạo một kênh tín hiệu độc lập cho phép so sánh, tăng khả năng quan 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 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 nhiều kênh ở
cả chế độ đo tương tự và chế độ đếm photon. 4 Tìm hiểu làm chủ kỹ thuật quan trắc khí quyển và tiến hành khảo sát lớp
son khí trong khí quyển Hà Nội từ năm 2009. Xử lý tín hiệu, hệ thống cơ
sở dữ liệu phục vụ theo các mục đích nghiên cứu khác nhau.
Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các nguồn laser diode nhỏ gọn, đầu thu
diode quang điện thác lũ - APD độ nhạy cao xây dựng hệ lidar nhỏ gọn
lần đầu ở Việt Nam phục vụ mục đích khảo sát các đối tượng khí quyển
xây dựng các chương trình xử lý số nhằm khai thác dữ liệu lidar xác định các
đặc trưng cơ bản của lớp son khí trường gần và lớp mây Ti tầng cao.
Chương III: Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp
Trong chương III, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ
sở dữ liệu quan trắc được từ hai hệ lidar nhằm xác định một số đặc trưng vật lý
cơ bản của son khí tầng thấp như độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ
ngược, tỉ số lidar. So sánh các kết quả tương đồng giữa hệ thống dữ liệu thu
nhận từ hai hệ lidar quan trắc đồng thời cũng như so sánh với các kết quả nghiên
cứu bằng phương pháp độc lập khác ở trong nước và nước ngoài để đánh giá
những kết quả đã thu được về khí quyển của hai hệ đo xây dựng lần đầu tiên tại
Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Chương IV: Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao
Trong chương IV, chúng tôi áp dụng các chương trình tính toán số với cơ
sở dữ liệu quan trắc được từ hai 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. 6
CHƢƠNG I
Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trƣng vật lý của son khí trong khí
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 7
hình thành từ các hiện tượng tự nhiên như hoạt động của núi lửa, bão sa mạc,
cháy rừng, chu trình thủy học, từ các sinh vật sống. Ngoài ra, các hoạt động của
con người như việc đốt nhiên liệu, tạo khí thải công nghiệp…cũng đưa vào khí
quyển một lượng lớn các loại son khí nhân tạo. Son khí nhân tạo chiếm khoảng
10% số lượng son khí trong khí quyển [1, 112].
Bảng 1.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển trái đất [65].
Thành phần
Khối lƣợng phân tử (đvC)
Nồng độ (%)
Ni tơ (N
2
)
28
78,08
Thành phần
chủ yếu
Ô xy (O
2
)
32
20,95
Argon (Ar)
40
2
O)
56
0,3 ppm
Ozone (O
3
)
48
0 – 12 ppm
Trong Hình 1.1 thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ trong lớp khí quyển theo
độ cao. Với đường màu xanh dương thể hiện sự biến đổi nhiệt độ theo độ cao
vào mùa hè và đường màu đỏ thể hiện quy luật đó vào mùa đông, sự biến động
của nhiệt độ mạnh mẽ hơn xảy ra vào mùa hè. Mỗi tầng khí quyển có quy luật
biến thiên nhiệt độ theo độ cao là khác nhau. Cụ thể trong tầng đối lưu (0 –
11km) tăng độ cao nhiệt độ giảm, tầng bình lưu (11 km – 50 km) thì ngược lại
khi tăng độ cao nhiệt độ lại tăng, tầng trung gian (50 km – 80 km) tăng độ cao
nhiệt độ có xu thế giảm và trong tầng nhiệt thì nhiệt độ tăng theo độ cao của lớp
khí quyển. Gianh giới giữa hai tầng khí quyển liên tiếp luôn tồn tại lớp chuyển
8
tiếp có độ dày thường dưới 3 km [3]. Tại các lớp chuyển tiếp có sự thay đổi về
quy luật biến thiên của nhiệt độ [96].
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].
Điều gì làm thay đổi quy luật biến thiên nhiệt độ trong các lớp khí quyển,
trong lớp khí quyển theo độ cao, khi vẽ lại theo quy luật hàm log cường độ tín
hiệu chuẩn hóa theo độ cao (log cường độ tín hiệu nhân với bình phương khoảng
cách sẽ tỉ lệ với mật độ khí tại độ cao tương ứng) thì quy luật là tuyến tính, tức
là với mỗi km mật độ khí sẽ giảm đi e lần. Vì đó mà chúng ta có thể hiểu được
vì sao ~50% tổng khối lượng vật chất tồn tại trong khí quyển phân bố ở độ cao
dưới 5 km và 70% lượng vật chất tồn tại trong khoảng cách dưới 10 km [1]. Để
hiểu rõ hơn về biểu thức toán học tôi sẽ trình bày cụ thể trong mục 2.3 trong
chương 2 của luận án.
Nghiên cứu các hiện tượng trong lớp khí quyển trái đất chúng ta có thể
phân chia ra thành những lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia có thể dựa theo nhiều
nguyên tắc khác nhau. Tuy nhiên phổ biến và mang ý nghĩa về năng lượng lưu
giữ và quyết định tới sự biến đổi của khí quyển, người ta sẽ chia khí quyển
thành các lớp các tầng theo nhiệt độ [3, 4]. Theo sự biến đổi của nhiệt độ lớp khí
quyển bao quanh trái đất được chia thành 5 tầng như trong Bảng 1.2.
Hình 1.2 thể hiện về cấu trúc khí quyển, giữa các tầng khí quyển luôn tồn
tại các lớp chuyển tiếp mỏng và tại đó ít có sự biến đổi về nhiệt độ. Trong hình
10
đường màu đỏ thể hiện sự thay đổi của nhiệt độ của khí quyển theo độ cao.
Đường màu xanh thể hiện sự thay đổi áp suất theo độ cao của khí quyển.
Copyright: Tài liệu đại học ©