BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------ Phạm Minh Tiến NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC Hà Nội – 2017
127
Embed
NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26757.pdf · 2019-03-26 · Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------
Phạm Minh Tiến
NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------
Phạm Minh Tiến
NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 9 44 01 09
LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Đinh Văn Trung
Hà Nội – 2017
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Đinh Văn Trung. Các dẫn giải, phân tích, số liệu, nội dung nghiên cứu đã có của các
tác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trong phần
Tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa được
công bố trong các công trình khác.
Nghiên cứu sinh
Phạm Minh Tiến
Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển
tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR
hấp thụ vi sai”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiến thức rất tận tình
của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KHCNVN). Tôi cũng đã
nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từ Ban Lãnh đạo viện Hàn
lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạo Sau Đại học (Viện Vật
lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin bày
tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đinh Văn Trung, thầy giáo
hướng dẫn khoa học trực tiếp cho tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Đỗ Quang Hòa, TS. Bùi Văn
Hải, TS. Nguyễn Xuân Tuấn, ThS. Dương Tiến Thọ, NCS. Trần Ngọc Hưng và rất
nhiều đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công
việc nghiên cứu.
Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biện
của các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biện kín để
bản luận án được hoàn thiện hơn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đặc biệt là GS.TS. Nguyễn
Đại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
thực hiện và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
NCS. Phạm Minh Tiến
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục chữ cái viết tắt ........................................................................................... i
Danh mục ký hiệu ...................................................................................................... ii
Danh mục bảng ......................................................................................................... vi
Danh mục hình, đồ thị ............................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .......................................................... 6
1.1. Ozone trong khí quyền tầng thấp .............................................................. 6
1.1.1. Nguồn gốc và phân bố ......................................................................... 6
1.1.2. Tiết diện hấp thụ của ozone .............................................................. 11
1.1.3. Vai trò và tác động của ozone .......................................................... 12
1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển ................................................ 13
Giá trị trọng số wλ được lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng của các thành phần khác
trong khí quyển mà chủ yếu là son khí. Từ công thức (1.3) có thể suy ra giá trị của
tổng lượng ozone như sau [19]:
𝑋 (1.4)
19
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng
Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone như là
một hàm của độ cao hay áp suất môi trường. Lượng ozone ở mỗi độ cao hay mực áp
suất trong khí quyển thường được biểu diễn như là áp suất riêng phần, tỷ số hỗn hợp
hoặc nồng độ cục bộ. Tổng của phân bố ozone thẳng đứng từ mặt đất tới bờ trên của
khí quyển là tổng lượng cột ozone.
Phân bố ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật
Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt đất hoặc gắn
trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19].
Đầu dò ozone:
Các đầu dò ozone được thả bay theo các bóng thám không quan trắc thời tiết
để đo phân bố phân giải theo độ cao của ozone khí quyển. Kỹ thuật đo đạc dùng đầu
dò ozone là kỹ thuật đo trực tiếp, dựa trên nguyên lý oxi hóa điện hóa của potassium
iodine (KI) bởi ozone trong một dung dịch ngậm nước. Thành phần chính của đầu
dò ozone bao gồm buồng phản ứng chứa dung dịch KI đóng vai trò là bộ phận cảm
biến ozone, một bơm không khí, một nguồn điện và một mạch điện tử giao tiếp và
chuyển đổi dòng điện thành tín hiệu radio truyền về trạm thu mặt đất. tất cả được đặt
trong hộp bảo vệ chống va đập và nhiệt độ thấp.
Có hai loại kết cấu đầu dò ozone: ECC (electrochemical cell) và Brewer-Mast
[27]. Đầu dò ECC có 2 buồng nhỏ chứa KI và ngăn cách nhau bởi màng ngăn. Mỗi
buồng có một điện cực platin. Không khí được bơm vào một buồng và ozone sẽ phản
ứng với KI tạo iodine I2 qua phương trình phản ứng [27]:
2KI + O3 + H2O --> 2KOH +I2 +O2
Khi muối KI chuyển thành I2 thì 2 buồng sẽ mất cân bằng điện tích và sẽ có
dòng electron giữa 2 buồng. Dòng điện sẽ được đo để tính toán ra áp suất riêng phần
của ozone khí quyển.
Khác với đầu dò trong ECC, đầu dò Brewer-Mast chỉ có một buồng phản ứng,
có một điện cực cathode platin và một điện cực anode bạc. Ở cathode platin, I2 bị
oxy hóa theo phản ứng:
I + 2 e- 2I-
Ở điện cực anode (dây) bạc, bạc bị oxy hóa bởi muối iode:
20
2I- + 2Ag AgI + 2e-
Vì AgI bền vững, nó bám ở điện cực và không tham gia các phản ứng nào
khác. Nếu một điện thế 410 mV được áp giữa lưới platin và dây bạc, thế phân cực
giữa anode và cathode được bù trừ và không có dòng electron nào giữa chúng. Nồng
độ của KI và I2 trong buồng phản ứng ở trạng thái cân bằng điện hóa. Nếu một phân
tử ozone đi vào dung dịch muối, nó phản ứng với muối iode theo phương trình:
O3 + 2 H+ + 2I- => I2 + H20 +O2
Kết quả là sự cân bằng bị phá vỡ và 2 electron sẽ chạy về anode để sự cân
bằng được tái lập. Dòng điện sẽ cho một số đo tuyệt đối về lượng ozone tham gia
phản ứng trong một đơn vị thời gian.
N phân tử ozone cho một điện tích Q=N.2.e. Theo định luật khí lý tưởng thì:
p.Vrc=N.k.T (1.5)
với p là áp suất riêng phần cho ozone; Vrc là thể tích; N là số phân tử ozone;
k là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối, chúng ta sẽ có:
p.Vrc = Q.k.T/(2.e) (1.6)
Khi Q = i.t, với i là dòng điện được đo và t là thời gian:
p = i.k.T/(2.e) . t/Vrc (1.7)
hay:
p = 4,31.10-3.i.T.t/Vrc (1.8)
trong đó:
p là áp suất riêng phần của ozone (milipascal)
i là dòng điện được đo (A)
T là nhiệt độ của bơm (oK)
Vrc/t là thể tích không khí Vrc được bơm qua buồng trong thời gian t (100ml.s-1).
Kỹ thuật bóng thám không dùng các đầu dò ozone là thông dụng nhất, là cột
trụ cho việc đo đạc phân bố ozone thẳng đứng từ những năm 60 của thế kỷ trước.
Dùng bóng thám không, phân bố ozone theo phương thẳng đứng đã được xác định
với độ phân giải từ vài chục mét tới trên 1 km, từ bề mặt trái đất đến độ cao 35km,
với độ chính xác 5%-10% [19]. Các đầu dò ozone điện hóa rất được ưa chuộng vì
giá thành không quá cao, hoạt động ở mọi miền khí hậu và trong cả những điều kiện
thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, có nhiều hạn chế do các thiết bị phục vụ đo đạc
21
không phù hợp với việc đo đạc liên tục theo không gian và thời gian. Sự phân bố
ozone trong khí quyển thay đổi nhanh trong ngày nên khó có thể giám sát nồng độ
ozone bằng các bóng thám không. Hơn nữa, các bóng thám không được thả tự do,
không thể điều khiển và cũng không thể thu hồi. Mặc dầu được kiểm tra trước khi
thả cùng bóng thám không nhưng không thể tránh được những hư hỏng trong khi bay
và sự ổn định giữa các đầu dò cũng khó duy trì.
Kỹ thuật Umkehr:
Phân bố ozone thẳng đứng được đo từ mặt đất với kỹ thuật Umkehr. Cơ sở của
phương pháp viễn thám này dựa trên hiệu ứng Umkehr được quan sát khi sử dụng
quang phổ kế tử ngoại để đo cường độ I và I’ ở hai bước sóng và ’. Ở bước sóng
, sự hấp thụ của ozone mạnh hơn so với ở bước sóng ’ và thông thường các cặp
bước sóng được lựa chọn trong băng phổ Huggin. Giá trị log(I/I’) biến đổi như là
một hàm của góc hợp bởi phương của tia sáng mặt trời và phương thẳng đứng (góc
zenith). Sự phụ thuộc của log(I/I’) vào đã được Götz, Meetham và Dobson giải
thích là do sự phân bố của ozone theo phương thẳng đứng [28]. Sự phụ thuộc này
càng rõ rệt khi Mặt trời ở gần với đường chân trời (bình minh hoặc hoàng hôn), khi
đó tia sáng Mặt trời phải đi một quãng đường dài hơn xuyên qua lớp ozone trong khí
quyển. Đường cong biểu diễn giá trị log(I/I’) theo góc được gọi là đường Umkehr
(Hình 1.13) [29].
Kỹ thuật Umkehr đã được triển khai từ năm 1934 [28], cho phép đo đạc phân
bố ozone với độ phân giải thấp. Trong kỹ thuật này, tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ
theo phương thẳng đứng từ bầu trời khi góc tới của tia Mặt trời giữa 60o và 90o (Hình
1.14) được đo đạc. Thiết bị thường được sử dụng để đo đạc với kỹ thuật Umkehr là
quang phổ kế Dobson và quang phổ kế Brewer.
Trong kỹ thuật Umkehr, khí quyển được phân chia thành các lớp và mật độ
ozone cho mỗi lớp được giả sử. Bằng việc tính toán sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng
cho các độ cao khác nhau, đường Umkehr lý thuyết sẽ được suy ra. Sau đó, mật độ
ozone sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi trùng khớp giữa đường Umkehr lý thuyết và
đường Umkehr thực nghiệm.
22
Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm [29]
Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển
và tán xạ đến thiết bị đo [29 ]
Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu phát triển thuật toán xác định mật độ
ozone dùng kỹ thuật Umkehr [28–36]. Thuật toán cổ điển phân chia khí quyển thành
5 lớp tính từ mặt đất, độ cao mỗi lớp ~15 km. Còn hiện nay, khí quyển thường được
23
chia thành 16 lớp nên độ phân giải mật độ ozone trong kỹ thuật Umkehr đạt đến ~ 5
km [36]. Tương tự như các máy quang phổ đặt ở mặt đất, các máy quang phổ đặt trên
vệ tinh dùng kỹ thuật Umkehr để đo phân bố ozone cũng sẽ đo tỷ số cường độ ánh
sáng tán xạ của Mặt trời ở các cặp bước sóng nằm trong băng phổ Huggin. Tuy nhiên,
thay vì đo tia tán xạ đến mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh sẽ đo tia tán xạ
của ánh sáng Mặt trời ra ngoài khí quyển của Trái đất.
Việc quan trắc phân bố ozone theo phương thẳng đứng dùng kỹ thuật Umkehr
bằng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hay trên vệ tinh có ưu điểm lớn là cung cấp
được bản đồ ozone toàn cầu. Hiện nay, các số liệu đo bằng phương pháp này vẫn
thường xuyên được cập nhật và phân tích tại Trung tâm Số liệu UV và Ozone thế
giới (World Ozone and Ultraviolet Data Centre – WOUDC) [19]. Tuy nhiên, quan
trắc dùng kỹ thuật Umkehr cho các kết quả phân bố nồng độ ozone với độ phân giải
thô về không gian và thời gian, không cho phép chúng ta có được những thông tin về
những biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn tại những vùng miền
hay từng địa phương, chỉ có thể đo đạc phân bố ozone vào thời điểm Mặt trời mọc
hay lặn, và cũng giống như các kỹ thuật viễn thám khác, kỹ thuật Umkehr cũng đòi
hỏi điều kiện trời trong khi thực hiện đo đạc.
Ngoài ra, một số các kỹ thuật viễn thám như phát xạ nhiệt hồng ngoại (infrared
thermal emission), phát xạ nhiệt vi sóng (microwave thermal emission), và hấp thụ
hồng ngoại (infrared absorption), cũng vừa được một số nhà nghiên cứu phát triển
để sử dụng trong đo đạc phân bố ozone [19]. Một số kỹ thuật này đã bắt đầu cung
cấp số liệu phục vụ lưu trữ điều tra cơ bản.
Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai:
LIDAR là một hệ rađa quang học. LIDAR đã có đóng góp to lớn vào sự hiểu
biết của con người đối với khí quyển của trái đất trong nhiều thập kỷ qua. Để đo đạc
phân bố ozone theo độ cao, kỹ thuật được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai. Hiện
nay, kỹ thuật này rất được quan tâm phát triển để sử dụng đo phân bố ozone thẳng
đứng do có thể thực hiện việc đo đạc với độ phân giải không gian và thời gian cao,
có thể quan trắc liên tục theo thời gian, vị trí đo cơ động, và có thể đo đạc cả ngày
lẫn đêm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai còn có thể hoạt động ngay khi có lượng mây
che không đáng kể. Trong phần 3 của Chương 1 tiếp theo, kỹ thuật LIDAR, LIDAR
24
hấp thụ vi sai sẽ được trình bày từ nguyên lý cơ bản đến việc sử dụng kỹ thuật này
trong đo đạc phân bố ozone khí quyển.
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật
LIDAR hấp thụ vi sai
1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR là một kỹ thuật viễn thám, sử dụng bức xạ laser như cảm biến để đo
đạc từ xa. Trong các kỹ thuật viễn thám, chỉ có LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ
động do chúng ta có thể chủ động điều khiển nguồn phát năng lượng bức xạ, trong
khi các phương pháp viễn thám khác để quan trắc nồng độ ozone đều là kỹ thuật thụ
động, sự quan trắc phụ thuộc vào nguồn sáng tự nhiên (Mặt trời, Mặt trăng) hay các
nguồn bức xạ điện từ trường khác. Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật LIDAR gồm các
thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí
quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu (Hình
1.15).
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR [37]
Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành phần của khí
quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi nước. Khi đó, các quá trình
vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng,
huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering
25
– DAS). Các quá trình này được mô tả tóm tắt trong Bảng 1.2 kèm theo các hình vẽ
minh họa sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng.
Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser [37]
Kỹ thuật Diễn giải quá trình vật lý
Tán xạ Rayleigh
Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các phân tử và nguyên tử với tần số không đổi
Tán xạ Mie Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các hạt nhỏ hay son khí (có kích thước cỡ như bước sóng của bức xạ) với tần số không đổi
Tán xạ Raman
Bức xạ laser được tán xạ không đàn hồi từ các phân tử với đặc trưng dịch chuyển tần số của phân tử (ℎ𝜈ℎ𝜈∗ 𝐸)
Tán xạ cộng hưởng
Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển riêng của nguyên tử được tán xạ với tiết diện lớn và với tần số không thay đổi
Huỳnh quang Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển điện tử của nguyên tử hay phân tử được hấp thụ và phát xạ ra tần số thấp hơn. Sự va chạm dập tắt có thể làm giảm tiết diện hiệu dụng của quá trình này. Phát xạ băng rộng có thể được quan sát với các phân tử
Hấp thụ Sự suy giảm của tia laser khi tần số phù hợp với dải hấp thụ của phân tử
Hấp thụ và tán xạ vi sai (DAS)
Sự suy giảm vi sai từ các tín hiệu tán xạ ngược của 2 tia laser khi tần số của một tia laser hầu như phù hợp với dịch chuyển của phân tử còn tia thứ hai thì không
26
Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser (l, d, a và s tương
ứng là ký hiệu bước sóng laser, bước sóng đo, bước sóng hấp thụ và dịch chuyển
Raman) [37]
Khoảng tiết diện cho mỗi quá trình được minh họa theo sơ đồ trong Hình 1.16.
Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được
phát bởi hệ LIDAR. Từ Hình 1.16 này có thể nhận thấy tiết diện tán xạ Mie của phân
27
tử, nguyên tử với kích thước thích hợp có thể làm tăng nhiều bậc tín hiệu tán xạ. Điều
này dẫn đến những nồng độ rất thấp (hay một thay đổi nhỏ của nồng độ) của thành
phần được quan trắc hay son khí cũng có thể được phát hiện.Về nguyên tắc, dịch
chuyển Raman đặc trưng riêng cho các phân tử khí, nên có thể dễ dàng xác định nồng
độ tương đối của thành phần nào đó so với một số thành phần quy chiếu, như ni tơ,
từ tỉ số tín hiệu Raman tương ứng với tỉ số tiết diện đã được biết. Tuy nhiên, tiết diện
Raman của ozone nhỏ nên cũng khó phát hiện do bị giới hạn bởi độ nhạy phát hiện
của cảm biến laser. Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn
nhiều tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman. Do vậy, sự suy hao của một
chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp có độ nhạy cao để xác
định mật độ của ozone trong khí quyển cho dù tín hiệu bị suy giảm do tương tác (tán
xạ, hấp thụ) với các thành phần chiếm đa số trong khí quyển [37].
Để tách sự hấp thụ của ozone mà chúng ta quan tâm với thành phần gây suy
hao khác, kỹ thuật đo đạc vi sai được áp dụng. Trong kỹ thuật này, hai tần số được
sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ và một ở phần rìa của băng hấp thụ. Ozone có hai
băng hấp thụ lớn là Hartley và Huggin (Hình 1.7) nên chúng thường được sử dụng
trong kỹ thuật hấp thụ vi sai. Thuật ngữ DIAL, viết tắt cho “Differential-Absorption
Lidar” ngày nay đã trở nên thông dụng do tất cả các kỹ thuật viễn thám sử dụng laser
đều được thực hiện theo phương pháp hấp thụ vi sai này.
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR
Các bộ phận chức năng và cách thức hoạt động của hầu hết các hệ LIDAR
được minh họa trong Hình 1.17.
Bộ phát của hệ LIDAR thường bao gồm một hệ laser phát xung laser có năng
lượng thích hợp với đối tượng được quan tâm khảo sát, một hệ quang học định hướng
chùm laser vào khí quyển và một bộ phát hiện (trigger) trích một phần nhỏ của xung
laser để đánh dấu thời điểm 0, là thời điểm xung laser được phát ra. Hệ quang học
phát còn có thể có chức năng cải thiện độ chuẩn trực của chùm tia, chặn trường không
gian, hay tránh truyền bức xạ băng rộng có thể làm tăng thêm sai số trong kỹ thuật
LIDAR [3].
28
Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3]
Bức xạ tán xạ ngược được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân
tích phổ và đầu đo quang điện tử. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan
sát và lọc lựa bức xạ nền ở các bước sóng khác. Hệ phân tích phổ có thể là một
monochromator, một polychromator, hoặc một bộ phin lọc phổ băng hẹp cùng với
phin lọc bước sóng laser (trừ khi bước sóng tán xạ đàn hồi được quan tâm). Sự lựa
chọn đầu đo quang điện tử thường là được xác định bằng miền phổ cần khảo sát, loại
ứng dụng và loại laser được sử dụng.
Về nguyên tắc có 2 cấu hình LIDAR cơ bản. Cấu hình với bộ phát và bộ thu
cách xa nhau sử dụng trong các nghiên cứu thăm dò quang học. Ngày nay, cấu hình
này ít được sử dụng khi mà các laser xung nano giây có sẵn hiện nay có khả năng
cho độ phân giải cỡ mét tới vài mét và do vậy, cấu hình với bộ phát và bộ thu ở cùng
một địa điểm thường được dùng trong hầu hết các trường hợp. Cấu hình LIDAR với
bộ phát và thu ở cùng chỗ có thể là đồng trục hoặc lưỡng trục. Trong hệ LIDAR đồng
trục, trục của chùm tia laser trùng với trục của bộ thu, trong khi hệ LIDAR lưỡng
trục thì chùm tia laser chỉ đi vào trường nhìn của bộ thu ở một độ cao xác định. Cấu
hình laser lưỡng trục tránh gặp vấn đề bức xạ tán xạ ngược trường gần gây bão hòa
cho các đầu đo quang điện tử, nhưng về mặt quang học thì không đạt hiệu suất như
hệ lidar đồng trục. Vấn đề tán xạ ngược trường gần có thể giải quyết bằng cách hoặc
dùng cổng cho hệ đầu đo quang điện tử hoặc dùng các hệ chopper cơ quang học.
29
Các telescope Newtonian và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong
hệ quang học thu ngày nay được minh họa trong Hình 1.18. Hệ LIDAR lưỡng trục
trong Hình 1.18 sử dụng telescope Newtonian. Ưu điểm nhỏ gọn và có tiêu cự dài
được thiết kế trong telescope Cassegrainian khá thông dụng hiện nay. Telescope dựa
trên thấu kính Fresnel lớn bằng nhựa tổng hợp có một số ưu điểm như giá thành,
trọng lượng và kích thước nên rất được chú ý khi phát triển các hệ LIDAR trên các
thiết bị bay. Các quan trắc dựa trên tán xạ Raman thường đòi hỏi kích thước độ mở
của hệ quang học thu lớn, 30 đến 40 cm, trong các hệ LIDAR để nghiên cứu, phát
hiện các thành phần như CO2, H2O, SO2 và ozone trong khí quyển [3].
Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c) Cassegrainian [3]
Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu đo có thể được viết dưới dạng đơn
giản nhất như sau [3]:
𝑃 𝑅 𝐾𝐺 𝑅 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑇 𝑅, 𝜆 (1.9)
Trong đó:
P – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R
K – hằng số hệ thống
G(R) – mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo
β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho
tán xạ ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới
30
T(R,λ) – là hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR
tới độ cao R và quay trở ngược lại.
Hai giá trị K và G(R) được xác định hoàn toàn bởi thiết kế hệ LIDAR và có
thể được giám sát, hiệu chỉnh bởi người làm thực nghiệm. Các thông tin trong khí
quyển và những giá trị định lượng có thể đo đạc nằm trong 2 nhân số sau của phương
trình (1.9). Cả β(R) và T(R) là chủ đề nghiên cứu và về nguyên tắc là chưa biết đối
với các nhà thực nghiệm.
Chi tiết hơn, chúng ta có thể viết hệ số K như sau [3]:
𝐾 𝑃 𝐴𝜁 (1.10)
P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, và τ là độ dài thời gian của xung.
Vì thế 𝐸 𝑃 𝜏 là năng lượng xung, và 𝑐𝜏 là độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi
xung laser ở một thời điểm cố định. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá
trình tán xạ ngược như được minh họa trong Hình 1.19. Khi tín hiệu LIDAR được
phát hiện tại một thời điểm t sau khi cạnh lên của xung được phát ra, ánh sáng tán xạ
ngược từ cạnh lên của xung đến từ độ cao 𝑅 𝑐𝑡 2⁄ . Cùng thời điểm đó, ánh sáng
sinh bởi cạnh xuống của xung laser đến đầu dò LIDAR từ độ cao 𝑅 𝑐 𝑡 𝜏 2⁄ .
Như vậy Δ𝑅 𝑅 𝑅 𝑐𝜏 2⁄ là độ dài của thể tích mà từ đó ánh sáng tán xạ ngược
được đầu dò LIDAR nhận được ở một thời điểm và được gọi là “độ dài xung (không
gian) hiệu dụng”.
Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR [3]
31
A là diện tích của bộ thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược và 𝜁 là
hiệu suất của hệ. Nó bao gồm hiệu suất quang học của các yếu tố mà ánh sáng truyền
qua và hiệu suất phát hiện. Tiết diện telescope A và năng lượng xung laser, hay công
suất laser trung bình 𝑃 𝐸 𝑓 với tần số lặp lại của xung frep là những thông số
thiết kế đầu tiên của một hệ LIDAR. 𝜁 sẽ được cố gắng tối ưu hóa để có thể nhận
được tín hiệu lidar tốt nhất.
Hệ số hình học [3]:
𝐺 𝑅 (1.11)
bao gồm hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu O(R)
và số hạng R-2. Sự giảm bậc 2 của cường độ tín hiệu theo khoảng cách là do diện tích
của telescope chỉ chiếm một phần của mặt cầu bán kính R chung quanh thể tích tán
xạ (xem Hình 1.19). Nếu tán xạ là đẳng hướng ở khoảng cách R, diện tích telescope
chỉ thu nhận một phần nhỏ của tổng cường độ Is được tán xạ vào góc khối 4 [3]:
(1.12)
Nói cách khác, góc khối 𝐴 𝑅⁄ là góc nhận diện (perception angle) của LIDAR
cho ánh sáng tán xạ ở khoảng cách R. Hệ số 4 sẽ không xuất hiện trong phương
trình LIDAR vì nó sẽ được khử bởi định nghĩa hệ số tán xạ ngược β. Sự phụ thuộc
R-2 là nguyên nhân chính cho dạng động học của tín hiệu LIDAR. Hình 1.20 cho thấy
sự giảm tín hiệu hình học theo khoảng cách là kết quả của việc nhân O(R) với R-2.
Tín hiệu mạnh ở trường gần bị khử đi vài bậc. Trong hầu hết các trường hợp, khí
quyển sẽ gây ra sự suy giảm của tín hiệu theo độ cao.
Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu [3]
32
Hệ số tán xạ ngược β(R,λ) là thông số khí quyển trước tiên xác định cường độ
tín hiệu LIDAR. Nó biểu diễn ánh sáng được tán xạ như thế nào theo phương ngược
lại, tức là tới bộ thu của hệ LIDAR. Hệ số tán xạ ngược là một giá trị riêng của hệ số
tán xạ cho góc tán xạ 𝜃 180 . Gọi Nj là nồng độ của phần tử tán xạ loại j trong thể
tích được chiếu rọi bởi xung laser và 𝑑𝜎 , 𝜋, 𝜆 /𝑑Ω là tiết diện tán xạ vi phân của
các phần tử theo phương ngược lại ở bước sóng λ. Hệ số tán xạ ngược có thể được
viết như tổng của các loại phần tử tán xạ [3]:
𝛽 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅 , , (1.13)
Vì nồng độ có đơn vị m-3 và tiết diện tán xạ vi phân là m2sr-1, hệ số tán xạ
ngược có đơn vị là m-1sr-1.
Nếu chúng ta trở lại với bức tranh đơn giản của tán xạ đẳng hướng và giả sử
rằng chỉ có một loại hạt trong thể tích tán xạ, mối liên hệ giữa hệ số tán xạ ngược và
tiết diện tán xạ đẳng hướng 𝜎 là 4𝜋𝛽 𝑁𝜎 . Cường độ của ánh sáng tán xạ từ
thể tích được chiếu rọi 𝑉 𝐴 Δ𝑅 𝐴 𝑐𝜏/2 với tiết diện tia laser AL, là tỉ lệ với diện
tích 𝐴 𝑁𝜎 𝑉, tức là tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V. Do
vậy, cường độ tương đối của ánh sáng tán xạ là [3]:
(1.14)
Kết hợp với (1.12), chúng ta nhận được tỷ số của cường độ ánh sáng thu và
ánh sáng phát ra
(1.15)
Vế phải của công thức (1.15) diễn tả phần của phương trình LIDAR có liên
quan trực tiếp đến hình học tán xạ, tức là nó có chứa các tính chất kích thước và tán
xạ ngược của thể tích tán xạ và góc nhận diện của hệ LIDAR.
Trong khí quyển, ánh sáng laser bị tán xạ bởi các phân tử không khí và vật
chất dạng hạt, do vậy β(R,λ) có thể được viết như sau [3]:
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (1.16)
Tán xạ phân tử (ký hiệu mol - molecular), chủ yếu xảy ra do các phân tử ni tơ
và oxy, phụ thuộc trước hết vào mật độ không khí và do đó suy giảm theo độ cao,
tức là tán xạ ngược sẽ giảm theo độ cao nếu quan sát từ trái đất, nhưng sẽ tăng trong
trường hợp quan sát ngược lại từ máy bay hay các tàu không gian. Tán xạ hạt (ký
33
hiệu aer cho aerosol – son khí) biến đổi lớn trong khí quyển trên cả hai thang không
– thời gian. Các hạt tán xạ rất phong phú về thể loại: giọt chất lỏng nhỏ, các hạt rắn
không khí ô nhiễm như sun phát, bồ hóng và các hỗn hợp hữu cơ, các hạt bụi hầm
mỏ và muối biển, phấn hoa và vật phẩm sinh học khác, hoặc các loại băng ngưng
giữa trời lớn như mây, giọt mưa, tinh thể băng tuyết và mưa đá.
Với thừa số cuối cùng trong phương trình LIDAR, chúng ta xem xét phần nhỏ
ánh sáng bị mất mát trên quãng đường từ hệ lidar tới thể tích tán xạ và ngược lại. Số
hạng T(R,λ)có thể nhận giá trị từ 0 đến 1 và được cho bởi biểu thức [3]:
𝑇 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.17)
Số hạng này là trường hợp riêng của định luật Lambert-Beer-Bouguer cho
LIDAR. Tích phân lấy trên quãng đường từ hệ LIDAR tới độ cao R. Thừa số 2 đại
diện cho hai lần truyền đi về. Tổng của tất cả những mất mát trên đường truyền được
gọi là sự suy hao ánh sáng và α(R,λ) là hệ số suy hao (extinction coefficient). Nó được
định nghĩa tương tự như hệ số tán xạ ngược, là tích của nồng độ và tiết diện suy hao
𝜎 , cho mỗi loại phần tử tán xạ j,
𝛼 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅 𝜎 , 𝜆 (1.18)
Sự suy hao có thể xảy ra do tán xạ và hấp thụ của ánh sáng bởi phân tử và các
hạt. Vì thế, hệ số suy hao có thể viết là tổng của 4 thành phần:
𝛼 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 (1.19)
với các ký hiệu sca và abs đại diện cho tán xạ và hấp thụ. Vì tán xạ theo tất cả các
phương đóng góp vào sự suy hao của ánh sáng, nên tiết diện tán xạ σsca cùng với tiết
diện hấp thụ σabs, cùng có đơn vị m2, hợp thành tiết diện suy hao:
𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.20)
Từ đó suy ra hệ số suy hao có đơn vị là m-1.
Như các biểu thức trên đã chỉ ra, cả β và α đều phụ thuộc vào bước sóng của
laser phát. Sự phụ thuộc bước sóng này được xác định bởi kích thước, chiết suất và
hình dạng của các phần tử tán xạ.
Từ các công thức (1.10), (1.11) và (1.17), chúng ta có thể viết lại dạng của
phương trình LIDAR (1.9) như sau:
𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.21)
34
Đây là phương trình LIDAR cơ bản. Phương trình này sẽ được sử dụng và có
những thay đổi thích hợp tùy theo từng kỹ thuật LIDAR. Cần lưu ý rằng tín hiệu
LIDAR được phát hiện luôn bao gồm cả tín hiệu nền Pb (b – background) thêm vào
tín hiệu LIDAR mô tả ở trên. Vào ban ngày, tín hiệu nền là do ánh sáng mặt trời trực
tiếp hoặc tán xạ. Còn vào ban đêm, mặt trăng, các vì sao và các nguồn sáng nhân tạo
sẽ đóng góp vào ánh sáng nền. Nhiễu đầu dò cũng là nguồn khác của tín hiệu không
mong muốn. Nền phải được trừ đi trước khi một tín hiệu LIDAR có thể được sử dụng
để phân tích tính toán. Thường thì một số các điểm số liệu từ các điểm tín hiệu cuối,
lúc không có photon tán xạ ngược được ghi nhận hoặc từ những giai đoạn trước khi
phát xung laser được sử dụng để tính toán tín hiệu nền 𝑃 và sai lệch tương ứng Δ𝑃
để tính sai số cho các tín hiệu được đo.
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL)
có khả năng phát hiện các thành phần khí trong khí quyển, nhất là những khí có hàm
lượng nhỏ, với độ nhạy cao [3,37]. Kỹ thuật DIAL sử dụng vạch hấp thụ đơn hoặc
băng phổ hấp thụ rộng của các loại khí. Bằng việc phát hai bước sóng λon và λoff,
bước sóng λon được hấp thụ mạnh hơn bước sóng λoff, hệ số hấp thụ phân tử vi sai
của hai bước sóng Δ𝛼 , sẽ được xác định. Nếu tiết diện hấp thụ vi sai Δ𝜎 .
cho hai bước sóng được biết, nồng độ của phân từ hay nguyên tử khí có thể được trực
tiếp suy ra. Kỹ thuật DIAL có thể ứng dụng để đo đạc phân bố các loại khí như O3,
NO2, NO, N2O, SO2, CH4, HCl, NH4 và những loại khí khác. DIAL cũng rất được
quan tâm để dùng quan trắc hơi nước vì nó là loại khí nhà kính quan trọng nhất [3].
Do các vạch hấp thụ hẹp của phân tử H2O, DIAL hơi nước đòi hỏi ánh sánh laser
phát xạ phải ổn định, và đơn sắc và phải xem xét đến hiệu ứng mở rộng Doppler với
ánh sáng tán xạ ngược. Thêm vào đó, kỹ thuật DIAL có khả năng sử dụng đo phân
bố nhiệt độ theo độ cao do các vạch hấp thụ của oxy phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ,
trong trường hợp nồng độ của oxy được biết và tiết diện hấp thụ vi sai có chứa thông
tin nhiệt độ được đo [3].
Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật DIAL được mô tả ở Hình 1.21, trong đó:
Laser xung phát cả 2 bước sóng on và off
35
Xung tới đập vào đối tượng khảo sát như phân tử khí, nguyên tử hay son khí trong
khí quyển và một số photon tán xạ ngược lại
Bộ thu trong hệ DIAL phát hiện và đếm các photon tán xạ trở lại. Thời gian trễ
cho phép xác định khoảng cách và tỉ số giữa 2 photon cộng hưởng on và off cho phép
suy ra nồng độ phân tử khí cần đo.
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm [38].
Trong Hình 1.21, hệ quang học thu sử dụng một bản chia chùm và hai kính
lọc để tách riêng bước sóng on và off trước khi đến các bộ phận chuyển đổi và khuếch
đại tín hiệu quang điện tương ứng.
Để tính ra mật độ khí khảo sát bằng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, chúng
ta bắt đầu từ phương trình LIDAR [1.21] và viết cho một hệ DIAL hoạt động ở hai
bước sóng λon và λoff, mà loại khí khảo sát có tiết diện hấp thụ lớn hơn và nhỏ hơn
tương ứng với hai bước sóng này. Pon là tín hiệu LIDAR ở bước sóng λon và Poff là
tín hiệu ở λoff. Giả sử sự khác nhau trong hệ số suy hao khí quyển chỉ duy nhất đóng
góp bởi một loại khí, nên:
Δ𝛼 𝑁Δ𝜎 (1.22)
với:
Δ𝜎 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.23)
36
trong đó σ là tiết diện hấp thụ phân tử. Chúng ta cũng giả sử rằng hệ số tán xạ ngược
khí quyển ở hai bước sóng là giống nhau, trong trường hợp lý tưởng hóa này, chúng
ta có thể suy ra mật độ của khí khảo sát N [3]:
N ln (1.24)
Biểu thức (1.24) cho thấy DIAL là một kỹ thuật đo tự định chuẩn: tất cả các
hằng số bị loại bỏ do việc lấy tỉ số, tìm logarit và lấy đạo hàm theo khoảng cách. Tuy
nhiên, cần lưu ý trong các phân tích trên đã giả sử không có những sự khác nhau phụ
thuộc khoảng cách trong các tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng. Hệ thống thực nghiệm
có thể gây ra những sự khác nhau hệ thống ở hai bước sóng và do đó là gây sai số
trong giá trị đo N. Các sai lệch có thể đến từ cả các hiệu ứng khí quyển và hệ thống,
bao gồm độ nhạy với áp suất và nhiệt độ của phổ khí khảo sát, sự mở rộng Doppler
của tín hiệu tán xạ Rayleigh, độ rộng và dịch chuyển có thể của vạch laser, độ tin cậy
trong độ sạch của phổ và bước sóng trung tâm.
Trong thực tế, các tín hiệu LIDAR được thu nhận và được phân tích không
phải là những hàm liên tục mà là những giá trị trong những loạt khoảng cách rời rạc.
Biểu diễn đạo hàm trong biểu thức (1.24) theo các số hạng có sự gia tăng khoảng
cách ΔR, chúng ta có [3]:
𝑁 ln (1.25)
Các số liệu DIAL tầng đối lưu thường được đo đạc trên những loạt khoảng
cách nhỏ, chẳng hạn 1,2 – 15 m, và được phân tích với độ phân giải không gian 50 -
800m do phải thực hiện lấy các đường làm khớp số liệu và lọc số liệu nhằm tăng
thêm tỷ số tín hiệu trên nhiễu [3, 39].
Trong trường hợp tổng quát, hệ số tán xạ ngược khí quyển là không như nhau
ở hai bước sóng DIAL và có suy hao vi sai do các phân tử không khí, son khí và các
khí gây nhiễu (interfering gasses) đối với khí ta khảo sát. Các hiệu ứng phụ thuộc
bước sóng đòi hỏi một tập hợp các hiệu chỉnh cho biểu thức (1.25) như sau [3]:
𝑁 ln 𝑙𝑛 ,
,
,
,𝐷 𝐸 𝐹
(1.26)
Trong đó:
37
𝐷 (1.27)
là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các phân tử không khí,
𝐸 (1.28)
là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các son khí, và
𝐹 ∆𝛼𝐼𝐺
∆𝜎NIGΔ𝜎𝐼𝐺
Δ𝜎 (1.29)
là do suy hao phụ thuộc bước sóng của một khí nhiễu (interfering gas – IG). Đại
lượng Δ𝜎 Δ𝜎⁄ đôi khi còn được gọi là độ nhạy QIG.
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Để đo đạc phân bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng, kỹ thuật DIAL
được sử dụng. Kỹ thuật này đòi hỏi sự phát đồng thời hai chùm tia laser có đặc trưng
bởi tiết diện hấp thụ ozone khác nhau. Sự lựa chọn hai bước sóng trước hết phụ thuộc
vào độ cao của phép đo.
Ozone có các băng hấp thụ chính là Hartley, Huggin, Chappuis và Wulf (xem
Hình 1.7). Do các băng hấp thụ Chappuis và Wulf có tiết diện hấp thụ tương đối thấp
nên các hệ DIAL thường chọn các bước sóng trong dải Hartley và Huggin. Bước
sóng on được lựa chọn trong vùng hấp thụ mạnh của ozone, bước sóng off được lựa
chọn trong vùng không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu hơn. Sự chọn lựa bước sóng là việc
quan trọng khi xây dựng một hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Để quan trắc phân bố ozone
trong tầng ozone, thuộc miền dưới của tầng bình lưu, cặp bước sóng được lựa chọn
thuộc miền bước sóng lớn hơn 300 nm, tương ứng với vùng ozone có tiết diện hấp
thụ thấp. Miền dưới của tầng bình lưu (độ cao khoảng từ 15 km đến 35 km) được
xem là khí quyển tầng cao, nơi đây có mật độ ozone cao hơn nhiều tầng đối lưu và
mật độ khí quyển giảm làm giảm các thành phần gây ra ánh sáng tán xạ ngược. Do
vậy, để đạt đến độ cao này, các bức xạ laser phải có cường độ mạnh, không bị ozone
trong lớp khí quyển tầng thấp hấp thụ hết, đủ để phát hiện nồng độ ozone cao trong
tầng bình lưu và tín hiệu tán xạ ngược không quá nhỏ. Ngược lại, tầng đối lưu có mật
độ ozone nhỏ nên bước sóng laser phải nằm trong vùng ozone hấp thụ mạnh để tăng
độ nhạy phát hiện, tức là cặp bước sóng lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phải
nằm sâu hơn trong miền tử ngoại (băng Hartley), giữa khoảng 266 nm và 320 nm.
38
Hình 1.22. Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone [3]
Trong miền phổ này có khí nhiễu là SO2. Hình 1.22 cho thấy tiết diện hấp thụ
của SO2 khá lớn trong miền phổ từ 277 nm đến 300 nm. Do đó, SO2 có thể gây sai
số, nhất là khi có ô nhiễm khói bụi gây ra nồng độ SO2 cao. 13 cặp bước sóng, với
giữa 0,9 và 8,7 nm đã được lựa chọn để tiết diện hấp thụ vi sai của SO2 bằng
không với sai số dưới 3% cho mỗi cặp [3]. Nếu chúng ta có thể sử dụng 1 trong các
cặp bước sóng này (Bảng 1.3), phép đo ozone bằng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
sẽ tránh được sự hiện diện của SO2 trong số hạng hiệu chỉnh ở biểu thức (1.29). Bảng
1.3 liệt kê các cặp bước sóng theo thứ tự giảm dần của tiết diện hấp thụ vi sai.
Chúng ta cũng nhận thấy các số hạng hiệu chỉnh D, E và F trong biểu thức
(1.26) đều có chứa 1/, do đó cặp bước sóng nên được lựa chọn sao cho tỷ số giá
trị / là lớn nhất có thể. Sự lớn một cách tương đối của giá trị / sẽ làm giảm
suy hao gây bởi son khí cần phải hiệu chỉnh [3].
Như vậy, để lựa chọn cặp bước sóng tối ưu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo
ozone, chúng ta cần cân nhắc và xem xét:
1. Tiết diện hấp thụ ở bước sóng on để đáp ứng độ cao quan trắc mong muốn
2. Lựa chọn on và off sao cho đủ lớn để không ảnh hưởng đến độ phân giải không gian (biểu thức 1.25)
3. / nên được lựa chọn lớn nhất có thể
4. Lựa chọn on và off sao cho giảm thiểu ảnh hưởng bởi các khí nhiễu.
39
Bảng 1.3. Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai
loại bỏ ảnh hưởng của SO2 [3]
Cặp bước sóng Tiết diện hấp thụ ozone
Cặp on
(nm)
off
(nm)
on-off
(nm)
(on)
10-23 m2
(on)-(off)
10-23 m2
A 280,9 289,6 8,7 35,4 20,8
B 277,6 284,1 6,5 46,4 20,6
C 280,9 288,3 7,4 35,4 18,3
D 277,6 282,7 5,1 46,4 16,7
E 278,6 282,9 4,3 42,3 12,6
F 284,1 289,6 5,5 25,8 11,2
G 277,6 280,9 3,3 46,4 11,0
H 282,9 286,4 3,5 29,7 8,9
I 286,4 289,6 3,2 20,8 6,2
J 280,9 282,7 1,8 35,4 5,7
K 282,7 284,1 1,4 29,7 3.9
L 286,4 288,3 1,9 20,8 3,7
M 278,6 279,5 0,9 42,3 2,1
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển
tầng thấp
Đối với lớp khí quyển tầng cao (tầng bình lưu), hầu hết các nhóm nghiên cứu,
trạm quan trắc sử dụng nguồn laser excimer XeCl, phát trực tiếp bước sóng on trong
vùng UV ở 308 nm với công suất rất mạnh 100W [40]. Đối với bước sóng off, một
số kỹ thuật được sử dụng như hệ phát ở bước sóng 353 nm tương ứng với bức xạ
Stokes của hiệu ứng Raman kích thích trong ống chứa đầy khí hydro [41,42,43], bước
sóng 355 nm là họa ba bậc ba của laser Nd:YAG [41,44,45], hay dùng bước sóng
351 nm được phát bởi laser XeF [46,47]. Các hệ DIAL UV này có thể dùng quan
trắc ozone đến độ cao 20 – 30 km vào ban đêm.
Không giống như đối với lớp khí quyển tầng cao, việc khảo sát phân bố ozone
trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng đối lưu được nghiên cứu triển khai với các
40
cặp bước sóng trong khoảng từ 266 nm tới 320 nm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử
dụng các bức xạ phát từ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; bức xạ laser là
các vạch Stokes 289 nm, 299 nm, 316 nm từ các ống Raman chứa các khí hơi áp suất
thấp H2, D2, He [48,49] hay 276.2 nm, 287.2 nm, 299.1 nm từ CO2 [50,51] được bơm
bởi bước sóng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; cặp bước sóng 277 và
313 nm là dịch chuyển Raman kích thích (Stimulated Raman Shifting – SRS) của
bức xạ 248 nm phát bởi laser excimer krypton-fluoride trong hydro [52]; hay các cặp
bước sóng được phát bởi các hệ laser màu [39,53,54].
Hình 1.23 trình bày sơ đồ khối một hệ DIAL được lắp đặt tại Viện nghiên cứu
và phát triển Quang điện tử ở Bucharest (Rumani) [48]. Hệ sử dụng các họa ba bậc
bốn của laser Nd:YAG và các ống Raman H2, D2 để phát các bức xạ laser ở bốn bước
sóng 266, 289, 299 và 316 nm. Do tiết diện hấp thụ khác nhau ở mỗi bước sóng, các
cặp bước sóng on – off đã được sử dụng cho đo đạc ozone ở những độ cao khác nhau.
Đối với lớp thấp của tầng đối lưu (1-3 km), cặp bước sóng 266 và 289 nm đã được
sử dụng, lớp giữa tầng đối lưu (3-6 km) là cặp 289 và 299 nm và cho những độ cao
cao hơn (lên tới 12 km), hệ dùng cặp bước sóng 299 và 316 nm. Hệ LIDAR hấp thụ
vi sai đa cặp bước sóng này cho phép kết hợp tính toán loại trừ ảnh hưởng của son
khí trong phương trình LIDAR. Hệ có khả năng đo đạc phân bố ozone đến độ cao 12
km vào ban đêm và 8 km vào ban ngày.
Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani [50]
Với ưu điểm là có thể điều chỉnh liên tục bước sóng, các laser màu cũng rất
được chú ý trong thiết kế chế tạo làm nguồn phát cho các hệ DIAL đo phân bố ozone
khí quyển. Người ta có thể dùng bức xạ được nhân tần của các laser màu làm bước
sóng off hoặc cả bước sóng on và off trong hệ LIDAR ozone. Hình 1.24 giới thiệu
41
một hệ DIAL do Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc Môi trường tiên tiến của Viện
Khoa học và Công nghệ Gwangju (Hàn Quốc) thiết kế chế tạo [53]. Hệ có bước sóng
on là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG 266 nm, bước sóng off ở 299.5 nm là bức
xạ nhân tần của một laser màu (Hình 1.25).
Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju (Hàn Quốc) [53]
Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on và bước
sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm [53]
Hệ DIAL tại Gwangju (Hàn Quốc) có thể đo đạc phân bố nồng độ ozone tới
độ cao 2 km với độ phân giải không gian 50 m và phân giải thời gian 2 phút. Nguồn
42
sai số quan trọng nhất trong hệ đo DIAL này là nhiễu cảm ứng tín hiệu (Signal-
Induced-Noise, SIN) do PMT bị chiếu rọi mạnh ở trường gần. Để ngăn chặn bức xạ
mạnh ở những khoảng cách ngắn, người ta có thể dùng cả phần cứng (mạch cổng
điện tử) và phần mềm (hiệu chỉnh đường nền của một tín hiệu LIDAR). Một sai số
khác cũng không thể bỏ qua là do nồng độ son khí và độ dốc của đường phân bố son
khí cao trong lớp khí quyển thấp trong tầng đối lưu. Sai số này cần được bù trừ bằng
cách đưa thêm vào phương trình LIDAR các số hạng hiệu chỉnh [53].
Hình 1.26 trình bày một hệ DIAL với hai bước sóng phát on và off dùng laser
màu ở 285 nm và 291 nm [39]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn giữa bốn sự
xem xét: 1) tối ưu khoảng độ cao xác định phân bố ozone; 2) giảm ảnh hưởng ánh
sáng nền khi hoạt động ban ngày; 3) giảm ảnh hưởng xen vào của son khí; 4) phạm
vi điều chỉnh được bước sóng phát của các laser màu . Sự lựa chọn bước sóng này là
sự lựa chọn linh động và tối ưu cho sự phân bố ozone tại địa phương, sự hấp thụ do
các thành phần khác, độ cao khảo sát phân bố, cấu hình đặc trưng của hệ, bao gồm
cả công suất phát, kích thước gương telescope và đặc trưng của ống nhân quang điện
(PMT) [55]. Mặc dù ở những bước sóng ngắn hơn cho độ nhạy phép đo cao hơn từ
tiết diện hấp thụ vi sai ozone lớn nhưng chúng lại làm giới hạn khoảng đo theo độ
cao do giảm mạnh bởi hấp thụ ozone và sự suy hao do tán xạ (phân tử) Rayleigh, dẫn
đến kéo dài thời gian thu ghi tín hiệu. Thêm vào đó, bước sóng ngắn đòi hỏi đặc
trưng động học của hệ đầu dò rộng hơn và đòi hỏi thêm kênh đo. Với công suất phát
được thiết kế 4 mJ/xung ở bước sóng on 285 nm cho phép đo phân bố ozone tới độ
cao 9 km khi trời trong và 7 km khi có son khí với độ phân giải không gian 750 m,
độ phân giải thời gian 10 phút. Do có bức xạ nền mặt trời khi đo ban ngày, bước
sóng 291 nm được lựa chọn làm bước sóng off. Các bước sóng dài hơn sẽ làm tăng
nhiễu nền bức xạ Mặt trời và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu một cách đáng kể.
43
(a)
(b)
Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm [39]
Sai số gây bởi sự có mặt của son khí trong lớp khí quyển bao sát hành tinh và
lớp khí quyển tầng thấp không đơn giản là một hàm của sự phân tách hai bước sóng
on và off, giảm sự phân tách tán xạ ngược vi sai ở hai bước sóng cũng sẽ làm giảm
tiết diện hấp thụ vi sai ozone. Sai số này rất nhạy với thành phần, kích thước và phân
bố theo phương thẳng đứng của son khí tại nơi quan trắc. Dẫu sao thì ảnh hưởng của
44
son khí trong đo đạc cũng sẽ thấp hơn khi bước sóng on nằm trên triền dốc nhất của
đồ thị tiết diện hấp thụ của ozone. Do vậy, các tác giả thiết kế hệ đã lựa chọn cặp
bước sóng 285-291 nm là cặp bước sóng tối ưu cân bằng giữa độ cao tối đa có thể
đo, tác động của tán xạ ngược bởi son khí và ảnh hưởng gây bởi nền bức xạ Mặt trời.
Bộ thu của hệ DIAL hoạt động với hai telescope riêng rẽ. Telescope Newtonian
đường kính 40 cm dùng để đo ozone từ 3 đến 8 km và có thể đạt đến 12 km tùy thời
tiết. Telescope có đường kính 10 cm dùng đo trong khoảng 1 đến 5 km.
Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được trình bày ở trên, đo ghi các bức xạ tán xạ
ngược đàn hồi của hai bức xạ on và off từ các thành phần của khí quyển, gọi là các
hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi. Các hệ DIAL này cho phép đo đạc phân bố
ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu với độ phân giải từ vài
chục tới vài trăm mét, tùy theo cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser
phát và điều kiện thời tiết. Một số các vấn đề gặp phải đối với hệ LIDAR hấp thụ vi
sai tán xạ đàn hồi là nếu dùng cặp bước sóng có một bức xạ mạnh, như bức xạ ở 266
nm của họa ba bậc bốn laser Nd:YAG, để tăng độ cao đo đạc thì sẽ làm tăng nhiễu
cảm ứng tín hiệu gây sai số lớn; nếu dùng bức xạ phát nằm sâu trong miền tử ngoại,
như bức xạ ở 266 nm có tiết diện hấp thụ cao của ozone, thì tuy độ nhạy phát hiện
tăng nhưng lại làm hạn chế độ cao đo đạc; nếu lựa chọn khoảng cách vi sai giữa hai
bước sóng on và off lớn để có độ phân giải không gian tốt hơn thì kết quả đo cần
phải được hiệu chỉnh bằng số liệu son khí được đo từ các phương pháp khác hoặc
phải sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai có nhiều cặp bước sóng.
Ngoài ra, kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Raman cũng đã được phát triển để
đo phân bố ozone trong khí quyển. Trong các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thông thường,
hai tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on và off là hai tín hiệu đàn hồi được tán xạ
ngược bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển. Còn trong các hệ LIDAR hấp thụ
vi sai Raman, chỉ một bước sóng được phát và hệ sử dụng tán xạ Raman của O2 và
N2 trong khí quyển làm bước sóng on và off để đo đạc phân bố ozone.
Phương trình LIDAR trong trường hợp tán xạ Raman sẽ khác với phương
trình LIDAR (1.21) ở những điểm sau:
1) Hệ số tán xạ ngược (R) trong phương trình LIDAR (1.21) được thay bằng
hệ số tán xạ ngược Raman [3]:
45
𝛽 𝑅 𝑁 𝑅 (1.30)
Được tính bởi mật độ số phân tử khí cho tán xạ Raman và tiết diện Raman vi
sai theo phương ngược lại 𝑑𝜎 𝜋 /𝑑Ω.
2) Sự suy hao ánh sáng trên đường quay trở lại từ thể tích tán xạ phải được
xem xét ở bước sóng dịch chuyển Raman λR.
Để đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Raman được thiết kế với nguồn phát là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước
sóng 266 nm. Các vạch Raman dao động – quay của oxy và nitơ ở 277,5 nm và 283,6
nm là các tín hiệu ở bước sóng on và off tương ứng. Đo nồng độ ozone ở lớp khí
quyển tầng thấp với hệ LIDAR hấp thụ vi sai này đạt tới độ cao 2 km và có thể được
thực hiện đo đạc cả ngày lẫn đêm [56,57]. Thuận lợi của kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi
sai Raman so với kỹ thuật thông thường là thiết bị phát bức xạ laser đơn giản hơn do
chỉ phải phát một bức xạ, số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược vi sai trong phương
trình LIDAR ở bước sóng phát sẽ không có. Việc đo phân bố ozone bằng kỹ thuật
LIDAR hấp thụ vi sai thông thường với các tín hiệu tán xạ đàn hồi trong vùng không
đồng nhất về son khí là rất khó khăn khi xác định số hạng này, nhất là trường hợp
hai bước sóng on và off phân tách nhau xa vì phải sử dụng số liệu son khí được đo
bằng các phương pháp khác đưa vào trong tính toán hoặc phải phát triển hệ LIDAR
hấp thụ vi sai với nhiều cặp bước sóng. Tuy nhiên, sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Raman đo ozone cũng có một số điểm không thuận lợi là tín hiệu Raman yếu, chúng
ta phải có nguồn phát laser công suất mạnh trong vùng tử ngoại và bộ thu phải được
bổ sung thêm thiết bị tách phổ dùng cách tử UV có mật độ vạch lớn, hiệu chỉnh chính
xác.
1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Đối với các hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, phương trình LIDAR
(1.22) được viết cho hai bước sóng on và off. Sau khi lấy tỷ số, nồng độ ozone N(R)
giữa độ cao R và R+R trong biểu thức (1.26) có thể viết bằng tổng của các số hạng
tín hiệu đo Ns(R), số hạng tán xạ ngược vi sai Nb(R) và các số hạng suy hao vi sai
Ne(R) gây bởi các phân tử khí quyển, son khí và các loại khí can thiệp như sau
[3,39,58]:
𝑁 𝑅 𝑁 𝑅 𝛿𝑁 𝑅 𝛿𝑁 𝑅 (1.31)
46
𝑁 𝑅 sẽ là mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao
R, không phải là một hàm mật độ liên tục theo độ cao khí quyển. Trong thực tế,
phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai cho phép đo đạc mật độ trung bình của ozone
với độ phân giải không gian từ vài chục đến vài trăm mét [58]. Vì các số liệu đo đạc
LIDAR là không liền nhau nên các số hạng vế phải phương trình (1.34) được viết
như sau [39,58]:
𝑁 𝑅∆ ∆
ln, , ∆
, , ∆ (1.32)
𝛿𝑁 𝑅∆ ∆
ln, , ∆
, , ∆ (1.33)
𝛿𝑁 𝑅∆
𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 (1.34)
NS(R) là số hạng chính trong biểu thức nồng độ ozone (1.31), tính trực tiếp từ
tỷ số cường độ tín hiệu và cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu
của các tín hiệu ở bước sóng on và off. Các số hạng 𝛿𝑁 𝑅 và 𝛿𝑁 𝑅 được xem
như các số hạng hiệu chỉnh, phải được tính toán để xác định nồng độ ozone phân bố
theo độ cao chính xác hơn. Chúng ta phải chú ý tới các số hạng hiệu chỉnh nhất là
trong những trường hợp khí quyển tầng thấp có gradient lớn của son khí, khí quyển
ô nhiễm, có khói bụi của núi lửa và những thành phần tạo ra do quá trình đốt nhiên
liệu [39].
Trong thời kỳ đầu khi các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển để đo phân
bố nồng độ ozone trong khí quyển, sự khác nhau của tán xạ và tán xạ ngược gây bởi
son khí giữa hai bước sóng on và off coi là không đáng kể và được bỏ qua. Công thức
(1.32) được xem là nghiệm gần đúng của phương trình LIDAR hấp thụ vi sai. Sau
khi nhận thấy nồng độ phân bố ozone được tính gần đúng như vậy có sai số lớn và
nguyên nhân đến từ sự tán xạ vi sai của phân tử và son khí, nhiều công trình đã nghiên
cứu và đóng góp vào sự cải thiện trong phương pháp tính toán nồng độ ozone [55,59-
66].
Số hạng tán xạ ngược vi sai Nb(R) không thể thêm bớt đơn giản như các số
hạng suy hao do sự khác nhau giữa hai hệ số tán xạ ngược ở hai bước sóng on và off.
Sự khác nhau này thường bỏ qua ở nơi tán xạ ngược hoàn toàn do các khí tự nhiên
trong khí quyển, nhưng nó trở nên lớn khi tồn tại gradient son khí. Số hạng suy hao
47
vi sai Ne(R) bao gồm suy hao do tán xạ Rayleigh, suy hao do son khí và do sự hấp
thụ của các loại khí khác nhất là bởi SO2 là khí có nguồn gốc từ sự đốt nhiên liệu.
Các suy hao do tán xạ Rayleigh của các phân tử khí quyển thường được hiệu chỉnh
bằng đường phân bố chuẩn từ các số liệu đo đạc khí tượng. Còn đối với sự suy hao
vi sai của son khí, một số đánh giá, ước lượng về đường phân bố son khí được đưa
vào trong tính toán để hiệu chỉnh. Trong thực tiễn, người ta đã thừa nhận các hệ số
suy hao và hệ số tán xạ ngược biến đổi nghịch đảo với bước sóng trong vùng bước
sóng bao gồm cả on và off. Thông thường, hệ số suy hao do son khí được giả sử phụ
thuộc vào số mũ Angstrom [58]:
𝛼 𝑅 ằ ố (1.35)
Vì giữa on và off là nhỏ, nên sự gần đúng giữa hệ số suy hao 𝛼 𝜆 , 𝑅
và 𝛼 𝜆 , 𝑅 có thể được viết là [58]:
𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 1 𝜂 (1.36)
Đối với tán xạ phân tử, số mũ =4, nên [58]:
𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 1 4 (1.37)
Công thức xác định các số hạng hiệu chỉnh 𝛿𝑁 𝑅 và 𝛿𝑁 𝑅 được viết gần
đúng trong môi trường khí quyển không đồng nhất là [58,60,63]:
𝛿𝑁 𝑅∆
,
,
,
, (1.38)
𝛿𝑁 𝑅 𝐴 𝜂𝛼 𝜆 , 𝑅 4𝛼 𝜆 , 𝑅 (1.39)
Trong đó, thừa số A và B(R) là:
Α (1.40)
𝐵 𝜆 , 𝑅,
, (1.41)
𝛿𝑁 𝑅 tỷ lệ nghịch với độ phân giải R. Khi R nhỏ, sai số có thể trở nên
lớn, nhất là ở những nơi có sự thay đổi đột ngột của hệ số tán xạ ngược, ví dụ như
trong đám mây. 𝛿𝑁 𝑅 tỷ lệ thuận với thừa số A. Thừa số này lại tỷ lệ nghịch với
tỷ số là tỷ số xác định độ nhạy của phương pháp vi sai. Chúng ta có thể thấy
48
một cách hiển nhiên là nhỏ nếu sự khác nhau giữa on và off là nhỏ, dẫn tới
A lớn và số hạng hiệu chỉnh 𝛿𝑁 𝑅 có thể sẽ rất lớn [58].
Trong không khí ô nhiễm, son khí nổi lên như là một nguồn gốc gây sai số.
Đó là lý do tại sao các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thường thêm vào bước sóng thứ ba,
thường gọi là bước sóng quy chiếu, nằm ngoài vùng hấp thụ của ozone, để đo đạc
độc lập son khí. Tuy nhiên, trong trường hợp phát triển hệ LIDAR không quá phức
tạp, chỉ gồm 2 kênh bước sóng on và off, bước sóng off được xem như bước sóng
quy chiếu và phương pháp lặp đã được sử dụng để xác định đồng thời hệ số tán xạ
ngược 𝛽 𝜆 , 𝑅 , hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 và mật độ phân bố ozone
𝑁 𝑅 [39].
Xuất phát từ phương trình LIDAR (1.21) viết cho bước sóng off, biểu thức
mật độ phân bố ozone được viết lại như sau [39]:
𝑁 𝑅 ln,
,
ln, . ⁄
, ,2 𝛼 𝜆 , 𝑅
𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 (1.42)
Suy từ (1.45) chúng ta có hệ số tán xạ ngược của son khí:
𝛽 𝜆 , 𝑅 𝑒𝑥𝑝 ln,
,2𝑁 𝑅 𝜎 Δ𝑅 2 𝛼 𝜆 , 𝑅
𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 ., ,
𝛽 𝜆 , 𝑅 (1.43)
Giả sử tỉ số lidar (tỉ số giữa hệ số suy hao son khí và hệ số tán xạ ngược son
khí), 𝑆 𝛼 𝛽⁄ , là được biết cho tín hiệu bước sóng off , hệ số suy hao son khí
ở bước sóng off có thể viết là [39]:
𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 𝑆𝛽 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 (1.44)
Trong (1.43), hệ số tán xạ ngược và suy hao của các phân tử khí quyển có thể
tính từ số liệu khí tượng, 𝑁 𝑅 tính từ (1.32). Với giả sử một giá trị khởi đầu
𝛽 𝜆 , 𝑅 ở một độ cao tham chiếu, ta tính 𝛽 𝜆 , 𝑅 từ (1.46). Sau đó,
49
𝛽 𝜆 , 𝑅 lại được thay thế vào (1.43) để tính giá trị ước lượng lần hai với giá
trị 𝛼 𝜆 , 𝑅 chính xác hơn là [39]:
𝛼 𝜆 , 𝑅 𝑆 𝛽 𝑅 Δ𝑅 𝛽 𝑅 2⁄ (1.45)
Với 𝛽 𝑅 là giá trị ước lượng lần đầu. Với một số lần lặp lại (vòng lặp son
khí), chúng ta nhận được một giá trị 𝛽 𝜆 , 𝑅 không thay đổi một cách có ý
nghĩa khi lặp tiếp vòng sau.
Vòng lặp son khí sẽ dừng lại khi thỏa mãn điều kiện 𝜉 𝜉 . Trong đó,
𝜉 sự khác nhau tương đối của các hệ số tán xạ ngược giữa hai bước lặp liền kề,
được định nghĩa là [39]:
𝜉∑
∑ |𝛽 𝑅 𝛽 𝑅 | (1.46)
Với l biểu diễn thứ tự bước lặp, Rs là độ cao khởi đầu. Cho các bước lặp son
khí, 𝜉 được chọn là 0,01 [39].
Từ các biểu thức (1.32), (1.38) và (1.39) chúng ta sẽ tính được mật độ phân
bố ozone có hiệu chỉnh son khí. Mật độ ozone này lại được thay vào biểu thức (1.43)
để cập nhật lại các hệ số tán xạ ngược son khí và sau đó là mật độ phân bố ozone lại
được cập nhật tiếp. Vòng lặp tiếp tục và chúng ta gọi là vòng lặp ozone. Tương tự
vòng lặp son khí, vòng lặp ozone sẽ dừng lại khi thỏa điều kiện 𝜉 𝜉 , với k là
thứ tự vòng lặp ozone:
𝜉∑
∑ 𝑁 𝑅 𝑁 𝑅 (1.47)
Thông thường, hai vòng lặp ozone là đạt đến 𝜉 0,001. Phương pháp
vòng lặp này cho phép hiệu chỉnh son khí trong tính toán mật độ ozone, giảm sai số
từ 50% xuống 5% [39].
1.3.7 Độ 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 quá trình phát hiện tín hiệu mà nó sẽ tuân 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.
50
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 còn 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 công 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%
Nhiễu nền <5%
51
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 dò radio gắn trên các bóng thám không, 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 ôxít 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:
52
Không giống như ozone trong tầng bình lưu đóng vai trò 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 công
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 dò điện hóa bay theo bóng
thám không 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 không thể đo đạc phân bố ozone
trong mọi điều kiện thời tiết như dùng đầu dò ozone trên bóng thám không,
không cung cấp bản đồ phân bố ozone toàn cầu (với độ phân giải không 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 không gian và có thể đo liên tục theo thời gian cả ngày lẫn đêm.
53
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, mô phỏng tín hiệu LIDAR, kết quả mô 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 công nghệ nền sẵn có. Các kết quả
mô phỏng sẽ giúp đánh giá mô hình thiết kế và lựa chọn thông số đo đạc.
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):
54
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 toán 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 toán 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 đòi 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 còn cần phải đáp ứng điều kiện
nằm trong miền phổ có bước sóng từ 266 nm đến 320 nm (băng Hartley).
Các công 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 công 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 không 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
55
thường sử dụng làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai là loại laser màu thông
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
còn 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 còn laser màu DFDL có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn
hơn (10 – 20 nm tùy loại chất màu dùng làm môi 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 thông 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. Ngoài ra, laser DFDL còn có kết cấu
đơn giản. Chính vì những phân tích ở trên cùng với khả năng làm chủ công 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 trò 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
56
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, ngoài việc chế tạo phôi kính quang học đường kính lớn cho telescope của
bộ quang học thu, phôi kính quang học này cần được phủ nhôm 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 toán
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 toán phân bố ozone theo phương thẳng đứng: thực hiện các vòng
lặp son khí và vòng 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.
2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát
Cặp bước sóng vi sai được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai là hai bước
sóng tử ngoại 282,9 nm (λon) và 286,4 nm (λoff) (Hình 2.2). Tiết diện hấp thụ ozone
ở bước sóng on là 29,7.10-23 m2 và tiết diện hấp thụ vi sai 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 là 8,9.10-
57
23 m2 [3]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn và xem xét hài hòa giữa nhiều yếu
tố:
Chất màu Rhodamine 6G có hiệu suất huỳnh quang cao so với các chất màu
khác;
Hai bước sóng phát 565,8 nm và 572,8 nm của các laser màu phản hồi phân
bố đều nằm trong vùng phổ huỳnh quang mạnh của Rhodamine 6G để sau khi
nhân tần có thể nhận được cường độ tối ưu nhất của các bước sóng phát tử
ngoại;
Tối ưu khoảng độ cao xác định phân bố ozone. Mặc dù ở những bước sóng
ngắn hơn cho độ nhạy phép đo cao hơn từ tiết diện hấp thụ vi sai ozone lớn
nhưng chúng lại làm giới hạn khoảng đo theo độ cao do giảm mạnh bởi hấp
thụ ozone và sự suy hao do tán xạ (phân tử) Rayleigh, dẫn đến kéo dài thời
gian thu ghi tín hiệu. Thêm vào đó, bước sóng ngắn đòi hỏi hiệu suất lượng
tử của PMT phải mở rộng hơn về phía sóng ngắn và có khi đòi hỏi thêm kênh
đo phù hợp;
Giảm ảnh hưởng ánh sáng nền nhất là khi hoạt động ban ngày. Các bước sóng
dài hơn sẽ làm tăng nhiễu nền bức xạ mặt trời và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu
một cách đáng kể;
Giảm ảnh hưởng xen vào của son khí. Sai số gây bởi sự có mặt của son khí
trong lớp khí quyển tầng thấp không đơn giản là một hàm của sự phân tách
hai bước sóng on và off, giảm sự phân tách tán xạ ngược vi sai ở hai bước
sóng cũng sẽ làm giảm tiết diện hấp thụ vi sai ozone. Sai số này rất nhạy với
thành phần, kích thước và phân bố theo phương thẳng đứng của son khí tại
nơi quan trắc. Việc lựa chọn hai bước sóng này để ảnh hưởng của son khí
trong đo đạc cũng sẽ thấp hơn khi bước sóng on nằm trên triền dốc nhất của
đồ thị tiết diện hấp thụ của ozone;
Hai bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm là cặp bước sóng H (Bảng 1.2), một
trong 13 cặp bước sóng dùng trong hệ DIAL đo phân bố ozone để có thể tránh
ảnh hưởng lên kết quả đo ozone do sự có mặt nếu có của SO2[3].
58
Hình 2.2. Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai
2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone
Với kết cấu hệ LIDAR hấp thụ vi sai được thiết kế, các tính toán mô phỏng
cho hệ được thực hiện để có thể dự đoán độ cao đo đạc phân bố ozone và xác định
thời gian thu ghi tín hiệu LIDAR ở 2 bước sóng on và off. Phép mô phỏng sẽ tính
toán số photon tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng này theo phương trình LIDAR
(1.21). Phương trình LIDAR được viết cho 2 bước sóng on và off như sau:
𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝜆 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (2.1)
𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝜆 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (2.2)
Trong đó:
P0 tỉ lệ với cường độ laser phát hay số photon phát ở bước sóng
τ là độ dài thời gian của xung laser
𝑐𝜏 : độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi xung laser ở một thời điểm cố định
Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá trình tán xạ
A : diện tích của khối thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược
𝜁 : hiệu suất của hệ lidar
O(R): hàm chồng chập giữa tia laser và trường nhìn của khối thu
R : độ cao của thể tích tán xạ
β(R,λ) : hệ số tán xạ ngược, ở độ cao R và bước sóng
α(R,λ) : hệ số suy hao của ánh sáng ở độ cao R và bước sóng
59
Số photon phát được tính từ số đo năng lượng xung của bức xạ laser tử ngoại
tại hai bước sóng on và off. Hiệu suất của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được suy ra từ
hiệu suất truyền qua quang học và hiệu suất quang điện. Hàm chồng chập O(R) được
giả sử bằng 1 trong trường hợp hệ LIDAR được hiệu chỉnh tốt, chùm laser phát nằm
hoàn toàn trong trường nhìn của telescope. Để đơn giản, do hai bước sóng vi sai khá
gần nhau, hiệu suất của hệ được xem là như nhau ở hai bước sóng on và off. Do hệ
LIDAR hấp thụ vi sai làm việc trong vùng tử ngoại từ 240 nm đến 300 nm, nên có
thể bỏ qua sự hấp thụ của phân tử khí và son khí cũng như sự tán xạ bởi ozone [3].
Hệ số tán xạ ngược ở bước sóng on có thể viết là:
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.3)
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.4)
𝛽 𝑅, 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 (2.5)
Tương tự với bước sóng off:
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.6)
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.7)
𝛽 𝑅, 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 (2.8)
Trong đó: 𝑁 và 𝑁 là mật độ phân tử khí ni-tơ và oxy, 𝛽 và 𝛽 là hệ số
tán xạ ngược bởi phân tử khí ni-tơ và oxy và 𝜎 𝜆 là tiết diện tán xạ ngược Rayleigh
phân tử cho các khí trong khí quyển. Ở khoảng cách dưới 100km, 𝜎 𝜆 được tính
theo công thức [3, 74] :
𝜎 𝜆 5.45 . 10 𝑚 𝑠𝑟 (2.9)
Hệ số tán xạ ngược gây bởi son khí ở bước sóng off được giả định căn cứ trên
các kết quả đo son khí tại Hà Nội [75]:
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛾. 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.10)
với 𝛾 = 3 cho độ cao dưới 5 km và hệ số tán xạ ngược gây bởi son khí ở bước sóng
on được tính theo công thức [3]:
𝛽 𝑅, 𝜆 . 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.11)
Hệ số suy hao có thể viết ở bước sóng on và off do tán xạ của phân tử, tán xạ
của son khí và hấp thụ của ozone như sau:
60
𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 , 𝑟, 𝜆 (2.12)
𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 , 𝑟, 𝜆 (2.13)
Trong đó:
𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 (2.14)
𝛼 𝑟, 𝜆 𝑆. 𝛽 𝑟, 𝜆 (2.15)
𝛼 , 𝑟, 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 (2.16)
với tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần [3]:
𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (2.17)
S là tỷ số LIDAR phụ thuộc các yếu tố như thành phần hóa học, độ ẩm, và
hình dạng của hạt son khí. Giá trị S cho hỗn hợp son khí trải từ 20 sr-1 (đối với các
hạt son khí ở đại dương) tới 100 sr-1 (đối với các hạt son khí ở đô thị). Giá trị S
30 sr-1 cho môi trường đô thị, nằm trong lục địa và có ảnh hưởng bởi ô nhiễm được
sử dụng trong tính toán mô phỏng cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai [63,76]. Tổng hợp
các thông số dùng trong mô phỏng được trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng
Các thông số Giá trị
Năng lượng laser phát ở bước sóng 282,9 nm 1-70 J/xung
Năng lượng laser phát ở bước sóng 286,4 nm 1-70 J/xung
Tần số xung phát 10 Hz
Hiệu suất truyền qua gương định hướng tia laser UV 92 %
Hiệu suất truyền qua lăng kính tách tia laser UV 91 %
Hiệu suất truyền qua gương telescope 60 %
Hiệu suất truyền qua kính lọc UV 82 %
Hiệu suất nhân quang điện (PMT) 70 %
Đường kính telescope 40, 60 cm
Tần số lấy mẫu của dao động ký điện tử 43 Msamples/s
Tỷ số LIDAR [60, 61, 62] 30 sr-1
Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng on 282,9 nm [3] 29,7.10-23 m2
Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng off 286,4 nm [3] 20,8.10-23 m2
61
Trong tính toán mô phỏng, mật độ phân bố ni-tơ, oxy và ozone theo độ cao
khí quyển được lấy từ số liệu đo đạc của Đài khí tượng thủy văn tại Hà Nội [4,81].
Năng lượng xung phát được lựa chọn dựa trên khả năng có thể đạt được khi nhân tần
các bức xạ phát của laser màu phản hồi phân bố [75]. Hiệu suất truyền qua hay phản
xạ căn cứ trên đặc trưng phổ của linh kiện quang và quang điện. Đường kính
telescope 40 cm và 60 cm là đường kính dự kiến của các telescope dự kiến tự nghiên
cứu chế tạo. Chương trình mô phỏng tín hiệu LIDAR tử ngoại được viết trên nền
Matlab.
Do hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động ở chế độ đếm photon, số đếm tín hiệu
sẽ được biểu diễn theo phân bố Poisson nên tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N tính dựa
trên số liệu thực nghiệm và theo công thức [77]:
𝑆/𝑁 (2.18)
Với: Nph = số đếm photon tín hiệu; Nb = số đếm photon nền; Nd = số đếm
dòng tối của PMT.
Số đếm nhiễu tổng cộng [77]: 𝑛 𝑁 𝑁 𝑁 (2.19)
Số đếm dòng tối Nd được lấy giá trị bằng 100 theo thông số đặc trưng của
PMT R7400U-03 (Hamamatsu) để sử dụng trong tính toán mô phỏng.
2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Hình 2. 3 mô phỏng tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước
sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao với cùng năng lượng
xung phát 30 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm.
Các đường tín hiệu LIDAR có dạng của đường phân bố mật độ phân tử khí trong khí
quyển. Cường độ các bức xạ tán xạ ngược giảm theo mật độ các thành phần khí tán
xạ trong khí quyển. Tuy nhiên, ở bức xạ bước sóng on tương ứng với tiết diện hấp
thụ cao hơn của ozone, dạng đường tín hiệu LIDAR thể hiện sự suy hao nhiều hơn ở
bước sóng off do sự hấp thụ mạnh hơn bởi các phân tử ozone.
62
Hình 2.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm, bước sóng
off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển (N2 và O2) theo độ cao
Cường độ bức xạ laser tử ngoại ở hai bước sóng on và off phụ thuộc nhiều
vào cường độ các laser màu phản hồi phân bố và ảnh hưởng tới độ cao đo đạc phân
bố ozone. Hình 2.4 và Hình 2.5 trình bày mô phỏng cường độ tín hiệu LIDAR ở bước
sóng on 282,9 nm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng này thay đổi theo
cường độ bức xạ laser phát. Cường độ bức xạ laser phát thay đổi từ 1 J/xung đến
70 J/xung là phạm vi cường độ phát dự kiến của hệ có thể đạt được. Cường độ bức
xạ laser phát tăng, độ cao phân bố ozone cũng sẽ tăng. Với tỷ số tín hiệu trên nhiễu
S/N = 3 đủ để có thể phân biệt tín hiệu với nhiễu, kết quả mô phỏng theo cường độ
laser phát cho thấy có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở bước sóng on đến độ cao từ 5
km (năng lượng 1 J/xung) đến 10 km (năng lượng 70 J/xung), đỉnh của tầng đối
lưu. Hình 2.6 và 2.7 biểu diễn sự thay đổi cường độ tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu
trên nhiễu S/N ở bước sóng on thay đổi theo thời gian đếm photon (5, 10, 20 và 30
phút) với năng lượng xung phát 30J/xung. Tăng thời gian đếm xung sẽ giúp tăng
cường độ tín hiệu LIDAR và nâng cao độ cao đo đạc phân bố ozone. Với năng lượng
xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon có thể lựa chọn là 10 phút, vừa đảm bảo
yêu cầu về độ cao, vừa giảm thiểu ảnh hưởng của động học ozone trong khí quyển .
Tính toán mô phỏng cũng thực hiện tương tự với bước sóng off.
63
Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường
độ laser phát
Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ
laser phát
64
Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời
gian đếm photon
Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian
đếm photon
Trong thực tế, các bức xạ dao động cộng hưởng trong các laser màu phản hồi
phân bố nằm ở các bước sóng có hiệu suất huỳnh quang khác nhau, được khuếch đại
bởi các tầng khuếch đại quang học riêng, nên các bức xạ laser màu phản hồi phân bố
65
có cường độ không giống nhau. Trong trường hợp này, dạng tín hiệu LIDAR được
mô phỏng như trình bày trong Hình 2.8 và 2.9 cho hai trường hợp đặc trưng: cường
độ bức xạ ở bước sóng on lớn hơn và nhỏ hơn ở bước sóng off.
Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung
Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung
66
Hình 2.10 mô phỏng tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng
lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, thay đổi theo đường kính
của telescope 40 cm và 60 cm. Nếu hệ LIDAR hấp thụ vi sai có telescope đường kính
60 cm được sử dụng, độ khuếch đại của bộ thu sẽ tăng và cường độ tín hiệu LIDAR
tăng thêm 2,5 lần so với hệ dùng telescope đường kính 40 cm, dẫn đến tăng thêm độ
cao đo đạc và khả năng có thể giảm thời gian đếm photon.
Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm
được mô phỏng trong 2 trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm
67
Kết luận Chương 2
Chương 2 đã trình bày những sự lựa chọn trong thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi
sai và mô phỏng tín hiệu LIDAR tán xạ ngược để tính toán phân bố nồng độ ozone
trong khí quyển. Các kết luận chính rút ra từ Chương 2 như sau:
Hai bức xạ tử ngoại của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được nhân tần từ hai nguồn
phát laser màu phản hồi phân bố.
Cặp bước sóng on và off được lựa chọn là 282,9 nm và 286,4 nm.
Với thiết kế dự kiến, năng lượng phát 1 J/xung – 70 J/xung, thời gian đếm
photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm, kết quả mô phỏng cường độ tín
hiệu LIDAR cho thấy hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc ozone đến độ
cao trên 5 km.
68
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ
ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
Nội dung Chương 3 tập trung trình bày việc nghiên cứu phát triển các bộ phận
cấu thành hệ LIDAR hấp thụ vi sai, hoạt động trong vùng tử ngoại, để đo đạc phân
bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng. Chương 3 sẽ bao gồm các phần sau:
Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Xây dựng khối phát quang học dùng laser màu phản hồi phân bố
Chế tạo telescope hoạt động trong vùng tử ngoại cho bộ thu quang học
của hệ LIDAR hấp thụ vi sai
Phát triển hệ điện tử và phần mềm thu ghi tín hiệu LIDAR
Đo đạc đánh giá đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai
3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone
Với các lựa chọn như đã trình bày trong Chương 2, hệ LIDAR hấp thụ vi sai
được phát triển theo sơ đồ nguyên lý trình bày trong Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý này
được phát triển theo sơ đồ khối ở Hình 2.1. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm 2 phần
chính: khối phát và khối thu.
Trong khối phát, họa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm, tần
số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, là nguồn bơm cho hai hệ laser màu phản hồi phân bố
(DFDL). Bức xạ phát của hai laser DFDL được nhân tần bằng các tinh thể phi tuyến
BBO, cho phép phát vào khí quyển hai bước sóng λon = 282,9 nm và λoff = 286,4 nm
trong vùng tử ngoại thuộc dải hấp thụ Hartley của ozone. Khối phát có các cặp gương
phản xạ tốt trong vùng tử ngoại để định hướng chùm phát vào trường nhìn của
telescope. Giữa tinh thể BBO và cặp gương định hướng chùm phát có thể bố trí thêm
lăng kính thạch anh hoặc kính lọc tử ngoại để tách bức xạ laser tử ngoại với bức xạ
của các laser màu phản hồi phân bố. Sự phân tách 2 bức xạ laser này cần thiết khi
chỉnh góc tinh thể BBO, đo đạc bức xạ laser tử ngoại và cân chỉnh chùm laser phát
định hướng vào trường nhìn của telescope. Khối phát quang học có tích hợp mạch
trigger, là mạch điện sử dụng photodiode S1226-18BU (Hamamatsu, Nhật), trích
xuất tín hiệu xung phát, đưa về khối điện tử thu để đồng bộ xung phát với việc đếm
photon tán xạ ngược.
69
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ LIDAR hấp thụ vi đo phân bố ozone khí quyển tầng
thấp dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố.
Khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm một telescope thu nhận các
photon LIDAR tán xạ ngược, hệ quang học thu giúp lọc lựa các bước sóng tử ngoại
(thấu kính L1, L2 và kính lọc F), nhân quang điện (Photomultiplier Tube - PMT), bộ
tiền khuếch đại (Amp), dao động ký điện tử số nhanh (Picoscope 5204) và máy tính
để thu ghi, xử lý số liệu, tính toán phân bố nồng độ ozone.
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố
Các laser màu phản hồi phân bố triển khai cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát
ở bước sóng 565,8 nm và 572,8 nm có sơ đồ được trình bày trong Hình 3.2. Hệ laser
màu phản hồi phân bố DFDL bao gồm các phần: dao động phát laser màu phản hồi
phân bố, tiền khuếch đại 6 lần truyền qua, khuếch đại công suất ngõ ra và hệ bơm
quang học cho các môi trường hoạt tính. Các thông số đặc trưng của các linh kiện
quang sử dụng trong hệ DFDL được trình bày trong Bảng 3.1.
70
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố
Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL
Cấu hình laser màu phản hồi phân bố
Tên linh kiện quang
Đặc trưng kỹ thuật
Dao động phát laser màu phản hồi phân bố
L1 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=25cm
CM Gương tam giác 12x12 (mm x mm)
m1, m2 Gương 9x9 (mm x mm)
P1 Lăng kính thạch anh cạnh 2 cm, AR cạnh vuông
C1 Cuvette thạch anh 1cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao)
L4 Thấu kính lồi 0,5”, f=2,5cm
M5 Gương 400-700 nm
Khuếch đại 6 lần truyền qua
M6 Gương 400-700 nm
L2 Thấu kính lồi 1”, f=10cm
m3 – m14 Gương 9x9 (mm x mm)
C2 Cuvette thạch anh dày 1mm
71
Khuếch đại công suất L3 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=20cm
C3 Cuvette thạch anh 2cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao)
Hệ quang học bơm các chất màu
M1-M4, M7 Gương 1”, 532 nm
Rm1, Rm2 Bản chia chùm 532 nm T:R = 80:20
P2, P3 Lăng kính phản xạ toàn phần cạnh 2 cm, AR (phủ chống phản xạ) cạnh huyền
3.2.1 Bộ dao động phát
Trong bộ phận dao động phát của DFDL (Hình 3.3), chùm bơm qua thấu kính
trụ L1 được chia đôi bởi gương tam giác CM. Chúng phản xạ trên hai gương m1 và
m2 để hội tụ và giao thoa trên bề mặt môi trường hoạt chất chứa trong cuvette C1.
Vị trí m1 và m2 được tính toán thiết kế để DFDL phát bước sóng như mong muốn.
Góc chùm bơm 𝜑 (Hình 3.3) tới bề mặt môi trường hoạt chất tính theo biểu thức [55,
56]:
𝜑 45 𝑎𝑟𝑐 sin (3.1)
trong đó, α là góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1, nP là chiết suất của vật liệu
lăng kính.
Hình 3.3 .Sơ đồ bộ dao động phát của laser màu phản hồi phân bố
72
Hệ vân giao thoa được hình thành bởi 2 chùm sáng kết hợp sẽ tạo ra sự biến
đổi tuần hoàn về độ khuếch đại và chiết suất tức thời trong môi trường hoạt chất.
Vùng hoạt chất có vân sáng của mẫu giao thoa sẽ có hệ số khuếch đại cao, vùng có
vân tối sẽ không khuếch đại. Hoạt chất được kích thích sẽ phát bức xạ dải rộng nhưng
chỉ có bức xạ kích thích thỏa mãn điều kiện Bragg được khuếch đại.
Mặt khác, với cấu trúc bộ phận dao động trên, khoảng cách giữa các gương
bán xạ hình thành do các vân sáng giao thoa sẽ có kích thước từ một đến vài lần bước
sóng. Trong môi trường hoạt chất đã hình thành những buồng cộng hưởng cực nhỏ
(microcavity) tương ứng với các bức xạ thỏa mãn điều kiện Bragg. Với buồng cộng
hưởng này, bước sóng phát của laser màu phản hồi phân bố với chùm tia tới bề mặt
môi trường hoạt chất θ được tính theo biểu thức [74,78]:
𝜆.
(3.2)
trong đó λL là bước sóng laser, n chiết suất môi trường hoạt chất, λP bước sóng laser
bơm, m bậc nhiễu xạ Bragg. Qua biểu thức trên, có thể thấy bước sóng DFDL có thể
điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi góc tới của chùm laser bơm 𝜑. Do vậy, việc
chỉnh bước sóng laser màu phản hồi phân bố sẽ được thực hiện bằng cách tịnh tiến
vị trí C1 và xoay 2 gương m1, m2.
3.2.2 Hệ quang học bơm
Bức xạ họa ba bậc hai 532 nm của laser Nd:YAG, tần số 10 Hz, độ rộng xung
5 ns, được sử dụng để bơm cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hệ quang học bơm
bao gồm các gương M1, M2, M3 và M7; hai bản chia chùm Rm1, Rm2; hai lăng
kính P2 và P3 (Hình 3.2). Các gương trong hệ dùng để định hướng chùm laser bơm
đến các cuvette chứa chất màu của bộ dao động và bộ khuếch đại. Năng lượng xung
bơm đã được tính toán [67,75] và được phân chia bởi các bản chia chùm Rm1, Rm2
để đảm bảo bơm trên ngưỡng dao động laser, ổn định phổ phát laser, tương ứng với
độ rộng xung bơm, chiều dài hoạt chất, nồng độ của Rhodamine 6G hòa tan trong
ethanol trong các cuvette của bộ dao động và các bộ khuếch đại.
Các lăng kính P2 và P3 được thêm vào trong hệ quang học bơm để kéo dài
quãng đường của xung laser bơm đến tầng khuếch đại công suất. Quang trình từ Rm1
qua P2, P3 đến C3 bằng quang trình từ Rm1 qua C1, C2 đến C3 để đảm bảo hiệu
suất khuếch đại khi xung laser màu đi qua cuvette C3.
73
3.2.3 Bộ khuếch đại quang
Hệ khuếch đại 6 lần truyền qua bao gồm thấu kính L2, các gương từ m3 đến
m14 và cuvette C2 dày 1 mm (Hình 3.3). Hệ khuếch đại này cho xung laser đi qua
nhiều lần cùng một thể tích khuếch đại. Khoảng thời gian giữa các lần đi qua bằng
cỡ thời gian hồi phục khuếch đại của môi trường. Môi trường khuếch đại được bơm
dọc, cho phép đạt sự chồng chập tốt về không gian giữa chùm tín hiệu bơm và vùng
bơm và làm tăng hiệu suất khuếch đại, giảm thăng giáng năng lượng và giảm phát xạ
tự phát được khuếch đại (Amplified Spontaneous Emission – ASE) [78].
Tầng khuếch đại công suất ngõ ra được thiết kế với thấu kính trụ L3 và cuvette
C3. Chất màu trong tầng khuếch đại này được bơm ngang. Thấu kính trụ L3 được bố
trí để có thể tạo mật độ cao và tạo phân bố đều của chùm laser bơm lên môi trường
hoạt chất.
3.2.4 Môi trường hoạt chất
Chất màu Rhodamine 6G hòa tan trong ethanol được sử dụng làm môi trường
hoạt chất cho mỗi hệ laser màu phản hồi phân bố. Để có các bức xạ laser tử ngoại
phù hợp yêu cầu làm bước sóng phát cho một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố
ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hai bước sóng phát của laser màu được hiệu
chỉnh ở 565,8 nm và 572,8 nm. Hai bước sóng này nằm trong vùng hiệu suất huỳnh
quang cao của chất màu Rhodamine 6G.
Dựa trên các kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ laser
[67,75], nồng độ của môi trường hoạt chất được sử dụng trong bộ dao động của hệ
DFDL là 10-3 mol/lít. Nồng độ chất màu trong bộ khuếch đại 6 lần truyền qua và
khuếch đại công suất là 10-4 mol/lít phù hợp với lựa chọn năng lượng bơm để hệ
khuếch đại hoạt động ở chế độ bão hòa.
3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu
Môi trường hoạt chất của laser màu DFDL được sử dụng trong nghiên cứu là
dung dịch phân tử màu hữu cơ do đó rất dễ bị suy giảm nồng độ do hiện tượng tẩy
màu bởi nhiệt độ. Nhằm mục đích nâng cao độ ổn định nồng độ dung dịch, một hệ
bơm luân chuyển chất màu được sử dụng trong hệ laser.
Luận án thiết kế mới và chế tạo các bơm ly tâm bằng thủy tinh và sử dụng
nguyên tắc của khuấy từ để làm cánh khuấy đẩy chất màu qua các cuvette. Ưu điểm
74
của bơm lưu thông mới này là tránh phải dùng các gioăng cao su, nhanh lão hóa trong
môi trường có ethanol, hoạt động ổn định và dễ kiểm soát. Các bơm lưu thông chất
màu hoạt chất đã được thực hiện 6 cái cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hình
3.4 là hình các bơm lưu thông đã hoàn chỉnh và bơm chất màu qua các cuvette kích
thước khác nhau.
Hệ thống bơm luân chuyển chất màu cho thấy nồng độ chất màu trong dung
dịch và cường độ bức xạ laser hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thí nghiệm
đo LIDAR hấp thụ vi sai.
a) bơm luân chuyển cho cuvette 1 cm
b) bơm luân chuyển cho cuvette dày 1 mm
c) bơm luân chuyển cho cuvette 2 cm
Hình 3.4. Các bơm luân chuyển chất màu
3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá
Hai hệ laser màu phản hồi phân bố có thiết kế giống nhau (Bảng 3.1), chỉ khác
nhau ở góc tới của các tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1. Hệ 2 laser màu phản
hồi phân bố này được bơm bằng 1 laser Nd:YAG, chùm bơm đến 2 hệ được chia bởi
một bản chia chùm Rm3 T:R=50:50 (Hình 3.5). Hai lăng kính P4 và P5 dùng để tách
chùm laser phản hồi phân bố với các bức xạ tử ngoại được nhân tần bởi hai tinh thể
phi tuyến BBO. Các gương nhôm M9-M12 dùng để định hướng các bức xạ laser tử
ngoại ở hai bước sóng λon và λoff định hướng vào trường nhìn của telescope trong bộ
thu tín hiệu LIDAR.
75
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL
Hình 3.6 là ảnh khối phát bao gồm laser bơm Nd:YAG (Quantel Brilliant) và
hai hệ laser màu phản hồi phân bố với môi trường hoạt tính sử dụng Rhodamine 6G
hòa tan trong dung môi ethanol. Các bức xạ laser màu phản hồi phân bố và các bức
xạ tử ngoại của khối phát đã được đo đạc, khảo sát về cường độ và các đặc trưng phổ.
Hình 3.6. Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL
Các đỉnh bức xạ laser màu phản hồi phân bố và bức xạ phát tử ngoại (Hình 3.7
và 3.8) được ghi lại bằng thiết bị quang phổ CCS200 (hãng Thorlabs) sau khi đã
chuẩn lại thang bước sóng bằng các đỉnh phổ của đèn hơi natri (Na). Các vết laser tử
76
ngoại phát quang trên giấy được chụp lại trong Hình 3.9 cho thấy phân bố không
gian của chùm bức xạ laser. Độ phân kỳ được đánh giá khoảng 2 mrad phù hợp cho
hệ đo LIDAR.
Hình 3.7. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm
Hình 3.8. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ off 286,4 nm
77
a) b) ~
Hình 3.9. Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m
a) Bước sóng on 282,9 nm ; b) Bước sóng off 286,4 nm
Các laser màu DFDL này có độ rộng vạch phổ bức xạ được xác định là 142
pm bởi một giao thoa kế Fabry-Perot (độ nét F=35) cùng với một laser He-Ne (độ
rộng vạch phổ 0,002 nm); độ rộng xung laser 202 ps được xác định bằng phép đo
tự tương quan (autocorrelation method) [75,78,79]. Với độ rộng phổ bức xạ hẹp và
đặc trưng thời gian xung cỡ ps này, các laser DFDL có mật độ năng lượng và hiệu
suất nhân tần cao, phù hợp yêu cầu làm nguồn phát cho một hệ DIAL tử ngoại.
Độ ổn định của bước sóng ra phụ thuộc vào góc chùm laser bơm ở bước sóng
532 nm tới cuvette C1 và chiết suất môi trường hoạt chất là chất màu. Góc tới của
chùm bơm được chỉnh và luôn cố định. Nếu chiết suất môi trường hoạt chất thay đổi
thì khoảng cách giữa các vân giao thoa giữa 2 chùm bơm sẽ thay đổi làm thay đổi
bước sóng phát nên trong các laser DFDL, nhiệt độ của chất màu được kiểm soát
bằng sử dụng chất màu luân chuyển để nhiệt độ chất màu không thay đổi và ổn định
bước sóng laser.
Máy đo OPHIR Nova II (Hãng Newport) được sử dụng để đo đạc công suất
của hai nguồn laser phát. Với nguồn bơm là họa ba bậc hai của laser Nd:YAG, phát
ở bước sóng 532 nm, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, năng lượng phát ~24mJ/xung
cho mỗi hệ DFDL, năng lượng bức xạ các laser màu DFDL và các bức xạ tử ngoại
ngõ ra được đo đạc và trình bày trong Bảng 3.2. So với kết quả mô phỏng, năng
lượng xung phát đạt được cho phép hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc phân bố
ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.
78
Bảng 3.2. Năng lượng bức xạ laser phát được bơm bởi laser họa ba bậc hai
của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm
Bức xạ laser Bước sóng (nm) Năng lượng
DFDL 565,8 0,62 mJ/xung
572,8 1,8 mJ/xung
UV 282,9 30 J/xung
286,4 60 J/xung
Một mạch điện tử đơn giản, sử dụng Photodiode nhanh loại Si photodiode
S1226-18BU (Hãng Hamamatsu - Nhật), có dải bước sóng làm việc từ UV đến hồng
ngoại gần (190 nm – 1000 nm), để khảo sát sự thăng giáng cường độ và độ suy giảm
cường độ của các bức xạ UV phát. Các xung laser UV được quan sát thông qua dao
động ký điện tử nhanh Picoscope 5204 và được ghi nhận lại theo thời gian bởi một
phần mềm viết trên nền Labview (Hình 3.10 và Hình 3.11).
Kết quả tính toán công suất các xung laser UV cho thấy bức xạ phát ở bước
sóng 282,9 nm và ở 286,4 nm có độ thăng giáng cường độ theo thời gian tương ứng
là 0,8% và 1,2%, độ suy giảm cường độ theo thời gian tương ứng là 2% và 4,2%
trong 20 phút. Sự thăng giáng và độ suy giảm cường độ của các bức xạ UV phát này
không ảnh hưởng tới việc tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao do các tín
hiệu LIDAR đo đạc không liên tục nên chúng sẽ được khử khi lấy tỷ số hai tín hiệu
vi sai.
Hình 3.10. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 282,9 nm.
79
Hình 3.11. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm.
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu
3.4.1 Chế tạo telescope
Hệ telescope được nghiên cứu chế tạo là loại Newtonian có thể lắp các gương
cầu có đường kính tối đa 40 cm. Bộ khung cho telescope được chế tạo để có thể lắp
được gương cầu với tiêu cự có thể thay đổi xa nhất là 210 cm. Sơ đồ nguyên lý thiết
kế được trình bày trong Hình 3.12.
Hệ telescope có khung làm bằng sắt, có 4 bánh xe để tiện di chuyển và 4 ốc
cố định có thể điều chỉnh cân bằng cho cả hệ (Hình 3.13). Dưới gương cầu có 3 ốc
tinh chỉnh để chỉnh trục gương cầu (Hình 3.14). Gương phẳng được treo trên giá của
hệ, được gắn với một vòng tinh chỉnh theo phương thằng đứng (palme) và 2 núm
chỉnh 2 chiều (Hình 3.15). Giá đỡ hệ quang học thu gồm các thấu kính và phin lọc
tử ngoại sẽ được lắp trên 2 ray dọc khung đứng của telescope. Hệ khung telescope
sẽ được bao phủ bằng lớp vải đen dày để tránh ánh sáng tán xạ trường gần. Quang
trục của hệ được cân chỉnh dùng laser bán dẫn.
3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học
Nhằm mục đích tăng độ nhạy phát hiện tín hiệu LIDAR và thu được tín hiệu
nằm trong miền tử ngoại, luận án đã thực hiện tự chế tạo gương cầu quang học và
phủ nhôm bề mặt gương. Sơ đồ hệ mài phôi kính quang học tự động được vẽ theo
mặt cắt ngang (Hình 3.16) và mặt cắt đứng (Hình 3.17). Hệ mài tự động phôi kính
quang học được thiết kế để có thể mài gương cầu có đường kính từ 20 cm tới tối đa
80 cm. Tùy theo phôi kính được mài, đường kính đĩa mài được thay đổi phù hợp và
bằng 70% đường kính của phôi kính quang học. Tốc độ mài có thể điều chỉnh sử
80
dụng bộ biến tần cho động cơ 3 pha. Gương cầu quang học cho telescope dùng trong
hệ LIDAR hấp thụ vi sai được chế tạo từ phôi kính quang học đường kính 40 cm,
dày 19 mm. Phôi kính quang học được mài cầu theo trình tự: mài thô – mài tinh –
đánh bóng [80]. Hình 3.18 cho thấy một công đoạn mài bằng hệ mài tự động.
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hệ Telescope đường kính 40 cm.
Hình 3.13. Hệ telescope đường kính 40 cm.
Hình 3.14. Gương cầu và giá đỡ tinh chỉnh
Hình 3.15. Gương phẳng và giá treo
81
Hình 3.16. Mặt cắt ngang hệ mài phôi kính tự động. 1- bàn mài có thành che xung
quanh, kích thước 1m x 1m; 2- mâm xoay, đường kính 80 cm; 3- đĩa mài; 4- giá giữ
Telescope Newtonian, mạ nhôm, đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 mm, độ
mở f/4,5
Phin lọc băng hẹp FF01-292/27-25 (Semrock -Mỹ), bước sóng trung tâm 292 nm với
FWHM 27 nm. Hệ số truyền qua >81% ở 282,9 nm và 286,4 nm
Detector R4700U-03 (Hamamatsu). Dải phổ 185-650 nm. Độ nhạy cực đại
tại 420 nm. Điện áp 1000V.
Xử lý tín hiệu Picoscope 4205 (Picotech), ADC 12 bit, 2 kênh ngõ vào tín hiệu,
băng thông 200 MHz, tốc độ lấy mẫu 1GSample/sec, kết nối máy
tính USB
Với bố trí hệ như vậy, các bước cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai được tiến
hành sao cho có thể ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể:
Cân chỉnh để hai bước sóng phát tử ngoại đạt công suất lớn nhất bao gồm: cân
chỉnh hệ khuếch đại 6 lần truyền qua cuvette C2 và khuếch đại công suất
quang qua cuvette C3. Năng lượng phát đạt ở bước sóng on 282,9 nm đạt ~
30 µJ/xung và ở bước sóng off 286,4 nm đạt ~ 60 µJ/xung. Năng lượng ở bước
89
sóng off đạt được cao hơn ở bước sóng on do bức xạ ở bước sóng off nằm gần
đỉnh phát quang của chất màu Rhodamine 6G.
Chỉnh quang trục telescope và hệ quang học thu dùng một laser bán dẫn phát
dọc theo quang trục hệ quang học thu, sau khi phản xạ bởi gương cầu đường
kính 40 cm của hệ telescope thì chùm tia phát quay trở lại và trùng khớp với
quang trục hệ quang học thu này.
Điều chỉnh bức xạ phát vào trường nhìn của telescope. Do các bức xạ tử ngoại
không nhìn thấy bằng mắt thường nên phải cân chỉnh tín hiệu LIDAR ở bước
sóng 532 nm trước và dựa vào hướng của bức xạ 532 nm để chỉnh hướng của
hai bức xa vào trường nhìn của telescope.
Sử dụng dao động ký điện tử nhanh Picoscope để thu ghi tín hiệu LIDAR và
tinh chỉnh các gương định hướng phát bức xạ laser để có thể thu được tín hiệu
LIDAR ở hai bước sóng on và off ở trường xa nhất. Với telescope đường kính
400 mm, tiêu cự 1800 m của bộ thu, trường nhìn của telescope lớn hơn trên
10 lần độ phân kỳ của các bức xạ laser phát. Do vậy, khi hiệu chỉnh để thu tín
hiệu LIDAR xa nhất sẽ tương ứng với chùm phát chồng chập hoàn toàn với
trường nhìn của telescope.
Hiệu chỉnh khuếch đại khối module điện tử thu. Khi tiến hành đo đạc tín hiệu
LIDAR, nhiễu dòng tối ~200xung/s sẽ được bù trừ trong xử lý tính toán bằng
phần mềm, nhiễu nền của dao động ký điện tử nhanh Picoscope ~ 1mV
không ảnh hưởng đến kết quả đếm photon.
Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để đo đạc thử
nghiệm với thời gian đếm 10 phút ở mỗi bước sóng dựa trên kết quả mô phỏng. Các
tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sẽ được thu ghi trong 6 tập tin (files), mỗi tập
tin có 1000 Wf (Waveform) tương ứng với thời gian đo. Một waveform bao gồm
các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sau một xung laser phát ra. Mức ngưỡng
thu tín hiệu được đặt ở 5 mV để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai
đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on và
off (xem Hình 3.27). Với tốc độ lấy mẫu của dao động ký điện tử Picoscope 125
MSamples/s và áp dụng kỹ thuật lọc số liệu bằng cách lấy trung bình trên một số
điểm đo để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, độ phân giải không gian của phép đo
90
LIDAR hấp thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18% (xem Hình
4.3). Độ phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai có thể lựa chọn nhỏ
hơn, tuy nhiên sai số thống kê sẽ cao. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai không ghi nhận được
tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 5 km như tính toán mô phỏng có thể giải thích là do
bề dày trung bình 5 km của son khí trên bầu trời Hà nội [81]. Lớp son khí này làm
tán xạ các bức xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược và hạn chế độ cao đo đạc.
Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở bước
sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017)
Kết luận Chương 3
Chương 3 trình bày việc nghiên cứu phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi
sai đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp. Các kết luận chính của Chương
3 như sau:
Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển lần đầu tiên trên cơ sở phát triển 2 laser màu phản hồi phân bố, với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G pha trong dung môi ethanol, được bơm bằng một laser Nd:YAG phát ở bước sóng họa ba bậc hai là 532 nm, tần số xung 10Hz và độ rộng xung 5 ns.
Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát hai bức xạ tử ngoại ở bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm. Cặp bước sóng này thích hợp để đo đạc phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.
Khối quang học thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai với bộ phận thu ghi tín hiệu LIDAR tán xạ ngược là một telescope đường kính lớn 40 cm được nghiên cứu
91
chế tạo trong nước từ khâu mài thô, mài tinh phôi kính quang học đến phủ nhôm cùng với lớp phủ bảo vệ trong môi trường chân không.
Khối điện tử thu sử dụng PMT hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại. Hệ mạch điện tử thu và phần mềm được thực hiện để có thể đếm xung tín hiệu LIDAR trong chế độ đếm đơn photon.
Hệ LIDAR hấp thụ vi sai sau khi cân chỉnh và hoạt động đồng bộ đã có thể đo đạc tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 4 km với độ phân giải 480 m.
92
CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG
LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP
Chương 4 của luận án trình bày kết quả đo đạc thử nghiệm nồng độ ozone
phân bố theo độ cao trên cơ sở phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Nội dung
của chương bao gồm các phần về xử lý số liệu đo đạc, xây dựng chương trình tính
toán phân bố nồng độ ozone, kết quả đo đạc và phân tích đánh giá sai số.
4.1 Xử lý số liệu
Để cải thiện hơn độ chính xác của phép đo trước khi tính toán phân bố ozone,
các dữ liệu thu được trong các tập tin dạng *.txt sẽ được hiệu chuẩn theo thời gian,
hiệu chỉnh nền và lấy trung bình. Việc xử lý số liệu được thực hiện theo các bước
sau:
Hiệu chuẩn tín hiệu LIDAR theo thời gian: dịch chuyển mức trigger của tín
hiệu về mốc 0 thời gian.
Hiệu chỉnh về cường độ: làm trơn (smooth) và trừ tín hiệu nền. Tín hiệu nền
được lấy trung bình từ 1 s sau của các tín hiệu LIDAR khi lúc này được xem
là không có tín hiệu tán xạ ngược.
Lọc tín hiệu để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Số liệu cuối cùng được tổng hợp
từ các phép đo ứng với 6000 xung laser trong thời gian đo 10 phút liên tục.
4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Nồng độ phân bố ozone 𝑁 𝑅 giữa độ cao R và R+R được tính theo biểu
thức (1.34), và là tổng của ba số hạng:
Ns(R) : số hạng tín hiệu đo (s – signal)
Nb(R) : số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược vi sai (b – backscattering)
Ne(R) : số hạng hiệu chỉnh suy hao vi sai (e – extinction)
Trong các số hạng trên, chỉ có Ns(R) được tính trực tiếp từ số liệu đo, các số
hạng hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) được tính theo các biểu thức (1.41) và (1.42) tương
ứng. Các hệ số tán xạ ngược 𝛽 𝜆 , 𝑅 , hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 và
93
mật độ phân bố ozone 𝑁 𝑅 được xác định bằng phương pháp lặp được trình bày
trong Mục 1.3.6
Trong tính toán phân bố mật độ ozone từ kết quả đo LIDAR hấp thụ vi sai, tỷ
số LIDAR S được xác định là 30 sr-1 căn cứ theo các nghiên cứu về son khí tại Hà
Nội [81], nghiên cứu về son khí trong môi trường đô thị và có ô nhiễm [63,76]. Giá
trị số mũ Angstrom thường biểu thị cho kích thước hạt son khí. Giá trị >2 tương
ứng với kích thước son khí là khói bụi công nghiệp loại nhỏ, các giá trị <1 tương
ứng với son khí có nguồn gốc đại dương và có kích thước lớn. Các công trình nghiên
cứu về đo đạc số mũ Angstrom của son khí tầng đối lưu đều công bố giá trị của nó
xung quanh bước sóng 300 nm thay đổi từ 0 đến 2 [82,83]. Áp dụng cho trường hợp
cặp bước sóng LIDAR hấp thụ vi sai trong vùng tử ngoại, được xem xét với tương
đối nhỏ và bằng 0,5 cho son khí đô thị [39].
Các bước tính toán phân bố mật độ ozone có thể tóm tắt như sau:
Bước 1: tính phân bố mật độ ozone lần thứ nhất theo biểu thức (1.35).
Bước 2: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ nhất, tính hệ số tán xạ ngược
son khí 𝛽 𝜆 , 𝑅 cho bước sóng off theo biểu thức (1.46) và lặp lại (vòng lặp
son khí) với giá trị hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 theo biểu thức (1.48) để
nhận được giá trị 𝛽 𝜆 , 𝑅 thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,01.
Bước 3: tính các số hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) theo biểu thức (1.41) và (1.42),
từ đó suy ra phân bố mật độ ozone lần thứ hai theo biểu thức (1.34).
Bước 4: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ hai, quay trở lại bước 2. Vòng
lặp ozone này kết thúc khi thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,001.
Chương trình tính phân bố ozone được viết trên nền Matlab có giản đồ thuật
toán trình bày trong Hình 4.1. Các dữ liệu đầu vào chính của chương trình là: số liệu
đo cường độ tín hiệu LIDAR Pon(R) và Poff(R) ở hai bước sóng on và off , tiết diện
hấp thụ vi sai của ozone Δ𝜎 , tỷ số LIDAR : S, số mũ Angstrom , mật độ phân tử
khí quyển (lấy theo số liệu khí tượng), tần số lấy mẫu fSample và số điểm lấy trung
bình giá trị đo (bin). Thông thường, các vòng lặp son khí và vòng lặp ozone dừng lại
sau 2 vòng lặp. Chương trình cho kết quả đầu ra là cường độ tín hiệu LIDAR hiệu
94
chỉnh theo độ cao P(R)*R2, độ phân giải không gian, phân bố mật độ ozone theo độ
cao và mật độ ozone trung bình trên khoảng độ cao đo đạc.
Hình 4.1. Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone
95
4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao
Hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, dùng nguồn phát là 2 laser màu phản
hồi phân bố, đã được triển khai đo đạc thử nghiệm phân bố ozone vào các đêm trời
trong, ít mây. Phần mềm Matlab được sử dụng để xử lý số liệu, hiệu chỉnh tín hiệu
LIDAR theo độ cao, tính toán mật độ phân bố ozone theo độ cao khí quyển. Hình 4.2
trình bày kết quả phân bố mật độ ozone liên tục vào tháng 01/2017, từ khoảng 1,2
km đến độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m và thời gian đếm tích
hợp 10 phút. Các tín hiệu LIDAR ở dưới độ cao 1,2 km được loại ra do ảnh hưởng
bởi hàm chồng chập giữa chùm laser phát và trường nhìn của telescope bộ thu.
Hình 4.2. Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội.
Từ mật độ ozone trung bình được trình bày trong Hình 4.2, chúng ta có thể
nhận thấy nồng độ ozone tại Hà Nội từ độ cao khoảng 1200 m tới 4000 m biến động
giảm trung bình từ 2.1012 đến 5.1011 phân tử/cm3, tương đương từ 80 đến 20 ppbv.
Xu hướng giảm này phù hợp với phân bố ozone đặc trưng trong tầng đối lưu. Do
không có các số liệu đo phân bố ozone bằng bóng thám không vào cùng thời điểm
đo đạc nên Hình 4.2 sử dụng phân bố ozone tại Hà Nội, đo bằng đầu dò ozone đặt
96
trên bóng thám không, độ phân giải 1 km, được công bố tại hội nghị về khí tượng ở
Hàn Quốc năm 2007 [4] để minh họa xu hướng giảm và so sánh, đánh giá sự tương
đương về bậc của số liệu đo phân bố mật độ ozone.
4.4 Phân tích sai số đánh giá kết quả đo đạc
Sai số trong thu ghi tín hiệu DIAL có thể phân thành 4 loại:
1. Sai số thống kê 1 do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu
2. Sai số 2 do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2,
son khí)
3. Sai số 3 do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone
4. Sai số 4 có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử.
Trong đó 1 là sai số ngẫu nhiên; 2, 3 và 4 là sai số hệ thống. 1 được xác
định theo thống kê Poisson trong biểu thức (1.51) [66]. Hình 4.3 trình bày đánh giá
sai số thống kê cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với thời gian đo 10 phút và độ phân giải
không gian 480 m. Giá trị sai số 1 bé hơn 18% ở độ cao dưới 4 km.
Hình 4.3. Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp 10
phút và độ phân giải không gian 480 m.
2 tính đến ảnh hưởng của NO2, SO2, các phân tử khí quyển và son khí. Hiện
nay ở Việt Nam không có số liệu phân bố theo độ cao của NO2 và SO2. Tuy nhiên,
97
sai số do SO2 đối với các hệ quan trắc mặt đất thường được bỏ qua do việc lựa chọn
cặp bước sóng và không có ảnh hưởng của núi lửa phun trào, sai số do NO2 nhỏ hơn
0,3% và các tác động gây bởi suy hao Rayleigh vi sai tạo ra độ không chính xác dưới
0,6% [39,84,85]., Sai số chủ yếu trong đo đạc ozone là do son khí. Ở lớp khí quyển
tầng thấp, sự suy hao và tán xạ ngược vi sai của son khí là một nguồn sai số lớn. Sai
số này phụ thuộc vào cả 2 bước sóng dùng trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai và khoảng
cách giữa 2 bước sóng. Trong phương pháp hấp thụ vi sai cho một cặp bước sóng,
sai số là do giả định tỷ số LIDAR và số mũ Ångström. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng
thuật toán tính các số hạng hiệu chỉnh, kết quả nồng độ phân bố ozone với sai số gây
bởi son khí được đánh giá là nhỏ hơn 20% [39,58].
Tiết diện hấp thụ vi sai của ozone cho cặp bước sóng 282,9 nm và 286,4
nm là 8,9.10-19cm2. Độ bất định trong tiết diện hấp thụ ozone được đánh giá là 2%
[39,85]. 3 sẽ nhỏ hơn 2,5% sau khi xem xét tới sự phụ thuộc vào nhiệt độ.
4 có thể được gây ra bởi sai lệch giữa tia laser và trường nhìn của telescope
(FOV - field of view), thời gian chết (dead-time) xảy ra khi đếm ở tốc độ cao (xung
thứ hai đến trong khi xung trước chưa được đếm), hiệu chỉnh sự tăng tín hiệu cảm
ứng SIB (signal-induced bias) trên nền tín hiệu. Thời gian chết làm biến dạng tín hiệu
trường gần và SIB làm tăng tín hiệu trường xa. Các sai số liên quan đến sự phi tuyến
của tín hiệu này có thể xác định qua thực nghiệm và giảm tối đa bằng kinh nghiệm
khi cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai hay thiết kế các cổng điện tử trong mạch
khuếch đại thu ghi tín hiệu. Đối với 10 phút tích hợp số liệu đo, 4 được xác định là
<5% cho độ cao dưới 4 km trong lớp khí quyển tầng thấp [39]. Tổng hợp các sai số
trong phép đo LIDAR hấp thụ vi sai phân bố nồng độ ozone được trình bày trong
Bảng 4.1 cho độ cao khí quyển dưới 4 km.
Vì điều kiện kỹ thuật chưa cho phép, không có phin lọc hay cách tử phù hợp
để có thể tách 2 bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm và lọc tốt trong vùng bước
sóng khả kiến và hồng ngoại, đề tài thực hiện đo đạc tín hiệu LIDAR lần lượt với 2
bước sóng và liên tục với độ phân giải thời gian 10 phút. Các phép đo LIDAR thực
hiện vào thời điểm ban đêm, sau 21g00 trong ngày, là thời điểm mà phân bố nồng độ
ozone được xem là ổn định trong ngày khi không có các tác nhân gây biến động lớn
(nhiệt độ và ánh sáng).
98
Bảng 4.1. Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone.
TT Sai số %
1 1 - Sai số thống kê < 18
2 2 - do các thành phần khác
ozone
Son khí < 20
Khí hấp thụ khác < 0,3
Rayleigh < 0,6
3 3 do độ bất định của tiết
diện hấp thụ của ozone
< 2,5
4 4 do SIB và thời gian chết < 5
Sai số RMS tổng cộng < 27
Hiện nay, bản đồ ozone toàn cầu được cung cấp từ các số liệu vệ tinh Aura
của NASA. Phân bố ozone toàn cầu trong tầng đối lưu được tổng hợp suy ra từ sự đo
đạc tổng lượng cột ozone OMI (Ozone Monitoring Instrument) và tổng lượng cột
ozone tầng bình lưu MLS (Microwave Limb Sounder) với độ phân giải 36km x 48
km [86]. Theo số liệu Aura thì tại khu vực Hà Nội, mật độ ozone trung bình / tháng
ở tầng đối lưu trong tháng 1 các năm 2013, 2014 và 2015 là 40 ppbv, tháng 1/2016
là 55 ppbv. Hai đường vẽ thẳng biểu diễn mật độ ozone trung bình / tháng này và các
số liệu đo trung bình mật độ ozone bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi vào
các ngày trong tháng 1/2017 được trình bày trong Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình
/ ngày đo bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai được lấy trung bình trong khoảng độ cao từ
1,2 km đến 4 km cho thấy các giá trị là cùng bậc, nằm trong phạm vi sai số và khá
tương đồng với các kết quả đo đạc từ vệ tinh Aura (Hình 4.4).
99
Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong tháng 1
của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura – NASA [70]) và số
liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại Hà Nội
Kết luận Chương 4
Chương 4 của Luận án trình bày thông số đo đạc và kết quả tính toán phân bố
ozone theo độ cao của khí quyển. Bằng thiết bị LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển
với nguồn phát sử dụng hai laser màu phản hồi phân bố, nguồn thu dùng telescope
có đường kính lớn 40 cm tự nghiên cứu chế tạo trong nước, chúng ta có thể quan trắc
phân bố mật độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, từ độ cao 1,2 km tới trên 4 km,
độ phân giải 480 m, thời gian đo tín hiệu LIDAR vi sai ở mỗi bước sóng on và off là
10 phút. Trong điều kiện không có số liệu đo phân bố mật độ ozone bằng đầu dò
ozone đặt trên bóng thám không để đối chiếu, việc so sánh kết quả thử nghiệm với
các số liệu đo đạc trung bình theo tháng của vệ tinh Aura (NASA) cho thấy kết quả
đo đạc là có thể tin cậy.
100
KẾT LUẬN CHUNG
Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi sai, độ phân
giải cao, để đo đạc phân bố nồng độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, các kết quả
chính của bản luận án bao gồm :
1. Phát triển hai nguồn phát bức xạ laser tử ngoại cho hệ LIDAR hấp thụ vi
sai ở các bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm. Hai laser màu phản hồi phân
bố với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G được sử dụng trong nguồn
phát cho phép điều chỉnh dễ dàng bước sóng phát, đáp ứng yêu cầu của
một cặp bước sóng cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.
2. Phát triển một hệ quang học thu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với bộ phận
thu nhận tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi là một telescope đường
kính lớn 40 cm được nghiên cứu chế tạo hoàn toàn trong nước. Gương cầu
của telescope được mài từ phôi kính quang học và được phủ nhôm cho
phép bộ thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động tốt trong vùng tử ngoại
và tăng thêm hệ số khuếch đại quang học.
3. Xây dựng phần mềm mô phỏng tín hiệu LIDAR để tối ưu thiết kế hệ
LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.
4. Xây dựng chương trình phần mềm xử lý số liệu và tính toán phân bố mật
độ ozone.
5. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai cho phép khảo sát phân bố nồng độ ozone đến
độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m, thời gian đo 10 phút
cho mỗi bước sóng on và off. Hệ có thể sử dụng quan trắc liên tục phân bố
ozone khí quyển.
Đóng góp mới của luận án là lần đầu tiên trong thực tế sử dụng các laser màu
phản hồi phân bố làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai, ứng dụng thành công
trong đo đạc phân bố ozone. Ngoài ra, việc chế tạo thành công telescope đường kính
40 cm dùng trong hệ LIDAR cũng là một đóng góp rất quan trọng trong quá trình
phát triển kỹ thuật LIDAR ở Việt Nam, nhất là hệ có tín hiệu LIDAR yếu như LIDAR
Raman ứng dụng trong nghiên cứu về môi trường và thời tiết không gian. Luận án
cũng đã phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone khí
quyển cho hệ DIAL tử ngoại được phát triển lần đầu trong nước.
101
Tuy nhiên, luận án cũng còn một số hạn chế. Thứ nhất là do hai bước sóng
phát gần nhau và nằm trong miền tử ngoại (≤ 300 nm) nên không chọn được phin lọc
bước sóng phù hợp nhằm tách riêng hai bước sóng, hạn chế nhiễu nền ánh sáng mặt
trời trong vùng khả kiến và hồng ngoại để có thể đo đạc đồng thời hai bước sóng on
và off, tăng độ phân giải thời gian và đo đạc phân bố ozone cả trong điều kiện ban
ngày. Thứ hai là do hiện nay không có số liệu phân bố ozone theo độ cao trên cả
nước nên luận án chưa có điều kiện so sánh, đối chiếu, đánh giá đầy đủ kết quả đo
phân bố ozone dùng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai.
Với kết quả và kinh nghiệm thu được trong quá trình phát triển thành công hệ
LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố nồng độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, luận
án cho thấy chúng ta cũng có đủ điều kiện và khả năng xây dựng hệ LIDAR hấp thụ
vi sai đa kênh, đa bước sóng có thể điều chỉnh được, để nghiên cứu tính chất và các
thành phần khác của khí quyển ở nước ta với nguồn vốn đầu tư tiết kiệm. Trong thời
gian tới, trên cơ sở đã phát triển thành công một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc
phân bố nồng độ ozone, các nghiên cứu tiếp theo có thể là tiếp tục hoàn thiện khối
phát và khối thu của thiết bị để đo đạc số liệu ozone cả trong điều kiện ban ngày và
mở rộng khoảng độ cao quan trắc; khảo sát phân bố ozone theo ngày, theo mùa, theo
năm và theo vị trí địa lý quan trắc.
102
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1) Pham Minh Tien and Dinh Van Trung, Design and simulation of the DIAL
LIDAR system for measuring tropospheric ozone, Advances in Optics, Photonics,
Spectroscopy & Applications VII, 2013, Publishing House for Science and
Technology – ISSN 1859-4271, pp.435-441
2) Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Le Huu Thang, and
Pham Minh Tien, Estimation of the LIDAR overlap function by using Raman signal,
Proceeding of the 3rd academic conference on natural science for Master and Ph. D
students from Asean countries. 11-15 November, Phnom Penh – Cambodia, 2014,
ISBN 978-604-913-088-5, p.337
3) Phạm Minh Tiến, Bùi Văn Hải, Đàm Trung Thông, Nguyễn Xuân Tuấn,
Nguyễn Đình Hoàng và Đinh Văn Trung, Nghiên cứu phát triển hệ LIDAR dùng
laser bán dẫn phát tại bước sóng 450nm để đo son khí trong lớp khí quyển tầng thấp,
Proceeding của Hội nghị về Những tiến bộ trong Vật lý Kỹ thuật và Ứng dụng, TP.
Huế, 2014, ISBN 978-604-913-232-2, 130
4) Pham Minh Tien, Bui Van Hai, Duong Tien Tho, Do Quang Hoa and Dinh
Van Trung, Development of distributed feedback dye lasers for differential
absorption lidar measurement of ozone in the lower atmosphere, Advances in Optics,
Photonics, Spectroscopy & Applications IX, Publishing House for Science and
Technology, 2017, ISSN 1859-4271, pp.472-476
5) Tien Pham Minh, Tuan Nguyen Xuan, Trung Dinh Van, Manh Le Duy, Hai
Bui Van, Devpolarization property of Cirus clouds over Hanoi, Communications in
Physics, Vol. 27, No. 4, pp. 339-344, 2017, DOI: 10.15625/0868-3166/27/4/10836
6) Pham Minh Tien, Bui Van Hai, Duong Tien Tho, Do Quang Hoa and Dinh
Van Trung, Development of UV laser source based on distributed feedback dye
lasers for use in measurement of ozone in the lower atmosphere, Communications in
Physics, Vol. 27, No. 4, pp. 345-355, 2017, DOI: 10.15625/0868-3166/27/4/10798
103
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Thắng, Giáo trình Vật lý Khí quyển, 2016, NXB Tài nguyên – Môi
trường và Bản đồ Việt Nam, ISBN 978-604-904-931-6
[2] Michaela I. Hegglin (Lead Author), Twenty Question and Answer about the
Ozone layer: 2014 update. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014, World