BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN XUÂN TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN Chuyên nghành: Quang học Mã số: 62 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội – 2016 Công trình hoàn thành tại: Học viện Khoa học Công Nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đinh Văn Trung, Viện Vật lý PGS TS Nguyễn Thanh Bình, Viện Vật lý Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Học viện Khoa học Công Nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Việt Nam - Thư viện học viện Khoa học Công Nghệ - Thư viện Viện Vật lý MỞ ĐẦU Phân bố mật độ phân tử phân bố nhiệt độ khí hai thông số then chốt nghiên cứu khí vai trò ý nghĩa quan trọng nhiều lĩnh vực khác nhau: Vật lý khí quyển, khí tượng, hóa học khí quyển…Nhiệt độ thông số động lực khí xuất tin dự báo thời tiết hàng ngày, liên quan đến tượng khí hậu, hình thành mây, phong phú ô zôn, cấu trúc đặc trưng khí quyển…Nhiệt độ tham số mô hình dự báo thời tiết khí hậu Ở Việt nam nay, phân bố nhiệt độ khí đo kỹ thuật thám không vô tuyến số trạm đo khác toàn quốc với hai lần đo khoảng đồng hồ vào buổi sáng buổi chiều Tuy nhiên, kết phân bố rời rạc nhiệt độ không phản ánh đầy đủ thông tin nơi khảo sát độ trôi bóng thám không Kết độ cao thường giới hạn khoảng 30 km hạn chế bóng thám không Chính vậy, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ mật độ khí ” để xác định phân bố mật độ nhiệt độ khí kỹ thuật lidar phục vụ cho nghiên cứu ứng dụng Mục đích nghiên cứu luận án nghiên cứu phát triển kỹ thuật lidar xác định phân bố mật độ phân bố nhiệt độ khí đạt đến tầng bình lưu Mục tiêu đặt xác định phân bố nhiệt độ bao phủ từ vùng cao tầng đối lưu (5 km) tới vùng cao tầng bình lưu (50 km) Bản luận án bao gồm 132 trang (chưa bao gồm công trình khoa học tài liệu tham khảo) với cấu trúc sau: Mở đầu: Trình bày lý do, đối tượng, mục đích phương pháp nghiên cứu Chương Nguyên lí lidar xác định mật độ, nhiệt độ khí Chương Thiết kế xây dựng hệ lidar Trình bày thiết kế phát triển hệ lidar thông số đặc trưng hệ lidar Chương Xác định phân bố mật độ nhiệt độ khí Trình bày thuật giải, xử lí liệu để rút phân bố mật độ nhiệt độ từ tín hiệu lidar Chương Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng nhiệt độ khí Hà nội Trình bày thảo luận số kết đo Hà nội Kết luận Chương Nguyên lí lidar xác định mật độ phân tử nhiệt độ 1.1 Nguyên lí chung kỹ thuật lidar Lidar (light of detection and ranging) kỹ thuật viễn thám chủ động sử dụng ánh sáng để xác định tính chất đối tượng theo khoảng cách 1.2 Nguyên lí lidar xác định phân bố nhiệt độ 1.2.1 Xác định phân bố nhiệt độ Nhiệt độ khí xác định phương trình (1.1) sau tích phân phương trình thủy tĩnh kết hợp với phương trình khí lí tưởng: T(𝑧𝑖+1 ) = 𝜌(𝑧𝑖 ) 𝑇(𝑧𝑖 ) 𝜌(𝑧𝑖+1 ) + 𝑚𝑔((𝑧𝑖 +𝑧𝑖+1 )/2) 𝑅 ∆𝑧 (𝜌(𝑧𝑖 )/𝜌(𝑧𝑖+1 ))−1 𝑙𝑛(𝜌(𝑧𝑖 )/𝜌(𝑧𝑖+1 )) (1.1) Sử dụng giá trị mật độ phân tử tham khảo ρ(zref ) nhiệt độ tham khảo T(zref ), nhiệt độ T(z) rút từ tỉ số mật độ phân tử khoảng liên tiếp 1.2.2 Xác định phân bố mật độ từ lidar Rayleigh Biến đổi phương trình lidar Rayleigh sau: P(λ, z) = PL (λ) AT 𝑂(𝑧) [βmol (λ, z) + z2 βaer (λ, z) ] × exp[−2αatm (λ, z)] (1.2) Trong λ bước sóng laser, PL(λ) số photon phát ra, P(λ,z) số photon tán xạ ngược từ độ cao z, AT thừa số chuẩn trực hệ thống, O(z) hàm chồng chập, βmol (λ, z) hệ số tán xạ ngược phân tử khí, βaer (λ, z) hệ số tán xạ ngược sol khí Chúng ta thu biểu thức mật độ phân tử: −1 ρmol (z) = C × Peff (z) × z × [exp(−2mol (z))] (1.3) Với Peff(z) tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng xác định sau hiệu chỉnh tín hiệu lidar đo với tán xạ hấp thụ sol khí hấp thụ ozone: Peff (z) = P(z) × [R aer (z) × exp(−2aer (λ, z))] −1 × [exp(−2O3 (z))] −1 (1.4) Trong R aer (z) tỉ số tán xạ ngược sol khí, aer (λ, z) hệ số dập tắt sol khí Hệ số chuẩn hóa C xác định sau dùng giá trị mật độ tham khảo độ cao chuẩn hóa znorm: ]−1 × exp[−2mol (znorm )](1.5) C = ρmod (znorm ) × [Peff (znorm ) × znorm 𝑧 Hệ số suy hao phân tử : 𝑚𝑜𝑙 (𝜆, 𝑧) = ∫0 𝜎𝑚𝑜𝑙 (𝜆) × 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧′)𝑑𝑧′ (1.6) xác định phương pháp lặp sau: bước thứ nhất, giá trị 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) = giả sử tất độ cao Ở bước thứ hai, 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) tính từ phương trình (1.3) từ giá trị 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) cuối Trong bước thứ ba, 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) dẫn từ bước cuối dùng để tính độ suy hao phân tử 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) Lặp lại bước thứ thứ hai 𝜌𝑚𝑜𝑙 (𝑧) 𝑚𝑜𝑙 (𝑧) hội tụ nhanh sau vài bước lặp Hệ số tán xạ ngược βaer (z) hệ số suy hao 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝑧) sol khí xác định theo phương pháp Fernald z βaer (z) + βmol (z) = S(z)exp{−2 ∫z [Laer (z′)−Lmol ]βmol (z′)dz′} , z S(z0 ) −2 ∫0 Laer (z′)S(z)Tr(z′ ,z0 )dz′ βaer (z0 )+βmol (z0 ) 𝑧 với 𝑇𝑟(𝑧, 𝑧0 ) = 𝑒𝑥𝑝 {−2 ∫𝑧 [𝐿𝑎𝑒𝑟 (𝑧′) − 𝐿𝑚𝑜𝑙 ]𝛽𝑚𝑜𝑙 (𝑧′)𝑑𝑧′} (1.7) (1.8) Trong S(z) tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách, Laer(z) tỉ số lidar, Lmol tỉ số phân tử Chúng ta tính hệ số suy hao sol khí từ tỉ số lidar: 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝑧) = 𝐿𝑎𝑒𝑟 (𝑧) 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝑧) (1.9) 1.2.3 Xác định phân bố mật độ từ lidar Raman Tái xếp phương trình lidar Raman sau: P(λR , z) = P(λ0 ) AT z2 βN (λR , z) exp(−[αmol (λ0 , λR , z) + αaer (λ0 , λR , z)]) (1.10) Với 𝜆0 , 𝜆𝑅 bước sóng laser bước sóng Raman, 𝛽𝑁 (𝜆𝑅 , 𝑧) hệ số tán xạ ngược Raman phân tử Ni tơ Mật độ phân tử Ni tơ xác định: ρ𝑁 (z) = C × Peff (z) × z × [exp(−mol (λ0 , λR , z))].−1 (1.11) Tín hiệu lidar Raman hiệu dụng Peff(z) xác định sau hiệu chỉnh suy −1 hao sol khí: Peff (z) = P(z) × [exp(−αaer (λ0 , λR , z))] (1.12) Với hệ số suy hao sol khí αaer (λ0 , z) xác định từ phương pháp Ansmann: αaer (λ0 , z) = ρ (z) d ln N dz S(λR ,z) γ λ 1+( ) λR (1.13) Với : thành phần Angstron mô tả phụ thuộc bước sóng sol khí Hằng số chuẩn hóa C xác định sau dùng giá trị tham khảo lidar Rayleigh phương pháp lặp dùng để xác định ρ𝑁 (z) mol (λ0 , λR , z) 1.2.4 Xác định phân bố mật độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman Kết hợp hai tín hiệu lidar đàn hồi Raman xác định trực tiếp hệ số tán xạ ngược hệ số suy hao sol khí P(λ0 , zi+1 )zi+1 [βmol (λ0 , zi ) + βaer (λ0 , zi )] βnaer (Saer , λ0 , zi+1 ) = P(λ0 , zi )zi2 z × exp {−2 ∫z i αmol (λ0 , z ′ )dz ′ } × exp{Saer (zi ) [βaer (λ0 , zi ) + i+1 βaer (λ0 , zi+1 ) dz]} − βmol (λ0 , zi+1 ) (1.14) Hệ số suy hao sol khí xác định theo phương trình (1.9) Còn mật độ xác định từ tín hiệu lidar đàn hồi Chương Thiết kế xây dựng hệ lidar 2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman 2.1.1 Mô tả hoạt động Hình 2.1 Sơ đồ hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman thiết kế theo cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục mô tả theo sơ đồ hình 2.1 Hệ lidar sử dụng nguồn laser xung bước sóng 532 nm, tần số lặp 10 Hz, độ rộng xung 5ns, phát vào khí gương lái chùm Hệ thu sử dụng kính thiên văn đường kính 25 cm Tín hiệu lidar tách làm đôi gương lưỡng sắc Chùm 532 nm giảm 1000 lần phin lọc trung tính ND trước lọc phổ phin lọc giao thoa 532 nm với băng thông nm Chùm tia 607 nm lọc pin lọc 550 nm longpass trước lọc tiếp phin lọc giao thoa 610 nm với băng thông 10 nm Cả hai tín hiệu nhận PMT H678020 lưu trữ máy tính thông qua hệ đếm photon với ADC bit băng thông 250 MHz Hình 2.2 Phân bố hàm chồng chập lidar đàn hồi-Raman kết hợp Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục hệ lidar xác định hàm chồng chập cho thấy hình 2.2 Kết tín hiệu chồng chập hoàn toàn km 2.1.2 Đánh giá độ tin cậy độ ổn định hệ lidar Hình 2.3 Tín hiệu lidar thô (a), tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách 10 phút (b) Độ tin cậy hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đánh giá cách so sánh tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách với mật độ phân tử Ni tơ từ phép đo thám không vô tuyến từ mô hình Kết từ hình 2.3 cho thấy tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh theo khoảng cách tích phân 10 phút tương đối hòa hợp với phân bố mật độ Ni tơ từ mô hình MSISE-90 khẳng định độ tin cậy hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman Để đánh giá độ ổn định hệ lidar cho thấy file tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách liên tiếp, tương ứng với tích phân Kết cho thấy hình 2.4 với phân bố tương đối giống Hình 2.4 Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách file liên tiếp 2.1.3 Đánh giá tỉ số tín hiệu nhiễu Tỉ số tín hiệu /nhiễu phản ánh lực hệ lidar Tỉ số tín hiệu /nhiễu xác định thông qua biểu thức: SNR = Psig Pnoise = Psig √Psig +2.Pbg (2.1) Trong Psig cường độ tín hiệu lidar, cường độ tín hiệu tổng cộng thu Ptot trừ cường độ tín hiệu phông (background) Pbg Kết khảo sát SNR cho thấy hình 2.5 hình 2.6 Hình 2.5 Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải không gian khác Hình 2.6 Tỉ số tín hiệu /nhiễu phụ thuộc vào độ phân giải thời gian khác 2.2 Hệ lidar Rayleigh-Raman 2.2.1 Phát triển module gated-PMT Để hệ lidar đo đến tầng bình lưu hơn, cần tăng công suất laser tiết diện kính thiên văn Tuy nhiên khoảng động lực tín hiệu tăng nhanh đến 6, bậc Hệ phá hủy chế độ đếm photon bão hòa ống nhân quang điện Để giải vấn đề cần cắt bỏ tín hiệu mạnh khoảng cách gần đồng thời thu nhận tín hiệu yếu khoảng cách xa Nhiều kỹ thuật đời để giải vần đề Trong luận án module gated-PMT dựa việc kiểm soát trình nhân electron dynode chẵn phát triển từ đầu thu PMT R7400U ứng dụng cho hệ lidar Hình 2.7 trình bày sơ đồ khối module gated-PMT Hình 2.7 Sơ đồ khối module gated-PMT Module gồm hai phần: phần thứ gồm phát xung gate chia gán vào đầu ống nhân quang điện, phần thứ hai gồm tách sóng làm trễ xung với nguồn nuôi Một phần nhỏ xung laser truyền vào khí biến đổi thành xung điện photodiode nhanh Các xung điện xung trigger cho việc dành tín hiệu lidar đếm ADC (Analog-Digital Converter) Các xung điện phát từ photodiode biến đổi thành xung TTL (Transitor-Transitor Logic) mạch tách sóng nhanh Các xung số làm trễ thời gian tdelay mạch làm trễ Những xung điện sau làm trễ khuếch đại mạch phát xung gate để đạt điện áp cần thiết Cuối xung gate cấp cho điện cực chẵn đầu ống nhân quang điện để làm việc chế độ đếm photon 2.2.2 Hệ lidar Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ lidar Rayleigh-Raman Hệ lidar Rayleigh-Raman nghiên cứu khí tầng cao có sơ đồ tương tự hệ lidar đàn hồi-Raman kết hợp kênh đàn hồi không sử dụng phin lọc trung tính sử dụng module gated-PMT để nhận tín hiệu với sơ đồ khối cho thấy hình 2.8 Hình 2.9 cho thấy độ tin cậy hệ lidar so sánh mật độ phân tử khí với tín hiệu lidar Rayleigh hiệu chỉnh khoảng cách Hai phân bố tương đối hòa hợp Để đánh giá độ ổn định hệ lidar, 10 file tín hiệu lidar Rayleigh so sánh với Kết cho thấy hình 2.10 khẳng định độ ổn định đường tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách giống Để đánh giá ảnh hưởng tượng nhiễu sinh tín hiệu lên module gated-PMT hay không Hình 3.2 trình bày phân bố mật độ ô zôn tham khảo địa điểm đo Hệ số suy hao ô zôn tính trình bày hình Sử dụng phương pháp Fernald tính hệ số tán xạ ngược sol khí từ tính tỉ số tán xạ ngược sol khí Raer Hệ số dập tắt sol khí tính từ tín hiệu lidar này, từ tính hệ số truyền qua sol khí T2aer Sử dụng hệ số xác định tín hiệu lidar hiệu dụng 3.1.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí Hình 3.3 Mật độ từ tín hiệu lidar đo hiệu dụng Mật độ phân tử sai số mật độ xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh cho thấy hình 3.3 sau sử dụng giá trị mật độ phân tử tham khảo từ mô hình khí MSISE-90 độ cao tham khảo 3.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ sai số nhiệt độ khí Nhiệt độ khí sai số nhiệt độ rút từ phân bố mật độ cho thấy hình 3.4 Các nguồn sai số chủ yếu như: hấp thụ tán xạ sol khí, hấp thụ ozone, nhiệt độ tham khảo, nhiễu tín hiệu Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh tổng cộng nhỏ K Phân bố nhiệt độ sử dụng tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng cho thấy gần với phân bố nhiệt độ từ mô thình MSISE-90 khẳng định việc hiệu chỉnh suy hao sol khí ozone nâng cao độ tin cậy 12 Hình 3.4 Phân bố nhiệt độ sai số nhiệt độ lidar Rayleigh 3.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman 3.2.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ Hình 3.5 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ khí từ tín hiệu lidar Raman 13 Hình 3.5 cho thấy sơ đồ thuật giải nhiệt độ lidar Raman Tín hiệu lidar đo được trừ tín hiệu phông hiệu chỉnh khoảng cách so sánh với mật độ phân tử Ni tơ từ thám không để kiểm tra tượng ô nhiễm nặng mây File tín hiệu tích phân không gian thời gian dùng cho việc xác định suy hao sol khí ô zôn để xác định tín hiệu hiệu dụng Tín hiệu hiệu chỉnh dùng để xác định mật độ nhiệt độ theo phương pháp lidar Rayleigh Sai số nhiệt độ Raman đánh giá sau 3.2.2 Xác định mật độ phân tử khí Hình 3.6 Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), hệ số truyền qua khí phân tử (b) Mật độ phân tử khí rút từ tín hiệu lidar Raman hệ số truyền qua phân tử xác định từ mật độ cho thấy hình 3.6 Kết mật độ xác định từ tín hiệu lidar Raman theo phương pháp lặp không lặp Mật độ phân tử xác định từ tín hiệu lidar Raman hiệu dụng 3.2.3 Xác định phân bố nhiệt độ lỗi nhiệt độ khí Sử dụng phân bố mật độ phân tử Ni tơ trên, phân bố nhiệt độ khí rút sau dùng nhiệt độ tham khảo độ cao cực đại Kết trình bày hình 3.7 việc sử dụng không sử dụng phương pháp lặp để hiệu chỉnh suy hao phân tử khí Kết nhiệt độ từ phương pháp lặp cho thấy gần với kết thám không Sai số nhiệt độ Raman từ nguồn: hấp thụ sol khí, hấp thụ ô zôn, nhiệt độ tham khảo, độ 14 ồn photon cho thấy hình Kết sai số nhiệt độ từ sol khí lớn sai số nhiệt độ tổng cộng cực đại nhỏ K, khoảng 3% Hình 3.7 Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) không lặp (đỏ) (a) sai số nhiệt độ lidar Raman (b) 3.3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp Hình 3.8 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman 15 Sơ đồ thuật giải tổng quát lidar nhiệt độ kết hợp đàn hồi-Raman cho thấy hình 3.8 Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách kiểm tra tượng nhiễu sinh tín hiệu cách so sánh với phân bố mật độ thám không Tín hiệu tích phân không gian thời gian dùng để xác định tỉ số tán xạ sol khí hệ số truyền qua sol khí Hai hệ số với hệ số truyền qua ô zôn cho phép xác định tín hiệu lidar hiệu dụng Từ tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng xác định mật độ xác định nhiệt độ Hình 3.9 Phân bố mật độ phân tử (a) không lặp (đỏ), lặp (xanh), sai số mật độ (b) atmospheric temperature 20 non-iterative iterative radio sonde 18 16 heigh [km] 14 12 10 (1) 180 200 220 240 Temperautre [K] 260 (2) (3) 280 300 Hình 3.10 Phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman sai số nhiệt độ 16 Kết xác định phân bố mật độ phân tử từ lidar kết hợp đàn hồi-Rama cho thấy hình 3.9, sai số mật độ cho hình Kết so sánh với mật độ phân tử từ phép đo thám không ngày Sử dụng phân bố mật độ phân tử xác định phân bố nhiệt độ Kết phân bố nhiệt độ cho thấy hình 3.10, sai số cho thấy hình Kết cho thấy sai số nhiệt độ sol khí lớn tồn khoảng km Sai số nhiệt độ tổng cộng nhỏ 12 K tương ứng với 4,2 % 3.4.Kết luận chương Phân bố mật độ phân tử phân bố nhiệt độ rút từ tín hiệu lidar Rayleigh, Raman, kết hợp đàn hồi Raman Kết bị ảnh hưởng hai yếu tố phương pháp xử lí liệu giá trị tham khảo Lidar Rayleigh đo vùng tầng đối lưu (20 km) tới vùng thấp tầng trung lưu (59 km) lidar Raman lidar kết hợp đo lớp biên mặt đất (2 km) tới vùng thấp tầng bình lưu (20 km) Chương4 Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng nhiệt độ khí Hà nội 4.1 Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu 4.2.1 Cấu trúc đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu 20 lidar radio 18 16 height [km] 14 12 10 180 200 220 240 260 temperature and error [K] 280 300 Hình 4.1 Phân bố nhiệt độ sai số nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman 17 01/12/2011 11/12/2011 02/12/2011 12/12/2011 13/12/2011 20 20 20 20 20 18 18 18 18 18 16 16 16 16 16 14 14 14 14 14 12 12 12 12 12 10 10 10 10 10 8 8 6 6 4 (2) 190 290 200 240 250 (2) (2) (1) (1) 300 200 250 (2) (1) (2) (1) 300 200 250 (1) 300 200 250 300 Hình 4.2 Một số phân bố nhiệt độ đo tháng 12 năm 2011 Hà nội 25/04/2012 16/05/2012 31/10/2012 12/12/2012 20 20 20 20 18 18 18 18 16 16 16 16 14 14 14 14 12 12 12 12 10 10 10 10 (1) (2) (1) (2) (2) 8 8 6 6 4 4 200 250 300 200 250 (1) (2) (1) 300 200 250 300 200 250 300 Hình 4.3 Vị trí tropopause số thời điểm năm 2012 Hà nội 18 Hình 4.4 Một số phân bố nhiệt độ tropopause vào tháng năm 2013 Hà nội Phân bố nhiệt độ tầng đối lưu từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đo vào 20 10 phút ngày tháng 12 năm 2011 Hà nội cho thấy hình 4.1 Kết so sánh với phép đo thám không ngày Từ phân bố nhiệt độ thấy tồn hai đỉnh tầng đối lưu, kết từ khả phân giải không gian cao kỹ thuật lidar Vị trí lớp đối lưu hạn tìm thấy 17,5 km tương ứng với nhiệt độ 186 ± K So với kết thám không 17,1 km nhiệt độ 189 ± 1,2 K Độ chênh lệch thời gian đo khác Kết số phân bố nhiệt độ từ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đo Hà nội tháng 12 năm 2011 cho thấy hình 4.2 Từ liệu cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ cao so với nhiệt độ trung bình K thấp 4,7 K Kết số phân bố nhiệt độ lớp đối lưu hạn (tropopause) vào ngày mùa hè mùa thu Hà nội 19 năm 2012 cho thấy hình 4.3 vị trí tropopause vào mùa thu có xu hướng cao so với mùa hè Vị trí nhiệt độ tropopause biến đổi phức tạp, kết số phân bố nhiệt độ tropopause Hà nội vào tháng năm 2013 hình 4.4 khẳng định điều Vì để nghiên cứu đặc trưng tropopause cần phải quan trắc liên tục 4.2.2 Mối liên hệ lớp đối lưu hạn mây Ti tầng cao 20 20 19 19 18 18 17 17 16 16 15 15 14 14 13 13 12 12 11 11 10 10 9 8 7 6 5 4 3 180 200 220 240 260 280 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 Hình 4.5 Vị trí tương đối tropopause so với lớp mây Ti tầng cao Hà nội Một khả kỹ thuật lidar cho phép đo đạc nghiên cứu nhiều đối tượng cách đồng thời mà kỹ thuật thám không vô tuyến không thực Một nghiên cứu nghiên cứu mối quan hệ vùng đối lưu hạn với lớp mây Ti tầng cao kỹ thuật lidar kết hợp đàn hồi-Raman Với phân bố cường độ tín hiệu lidar đàn hồi hiệu chỉnh theo khoảng cách tồn lớp mây Ti cường độ tăng đột ngột chúng Trong với phân bố nhiệt độ tồn lớp đối lưu hạn Kết khảo sát lidar kết hợp đàn hồi-Raman Hình 4.5 cho thấy tồn lớp mây Ti mỏng sau 20 phút lấy trung bình tín hiệu lidar đàn hồi Vị trí lớp mây Ti vào khoảng 20 14,5 km tới 15,5 km Tương ứng tồn đỉnh lớp đối lưu hạn khoảng độ cao khí 4.2 Nghiên cứu cấu trúc đặc trưng nhiệt độ tầng bình lưu lidar Rayleigh 22h56min-26june2013 60 55 lidar model 50 height [km] 45 40 35 30 25 20 15 200 210 220 230 240 250 temperature and error bar [K] 260 270 280 Hình 4.6 Phân bố nhiệt độ sai số nhiệt độ từ lidar Rayleigh Hà nội Kết xác định phân bố nhiệt độ từ phân bố mật độ phân tử tầng bình lưu từ lidar Rayleigh cho thấy Hình 4.6, phân bố sai số tổng cộng lidar Rayleigh vẽ hình Phân bố nhiệt độ từ mô hình MSISE-90 ngày Hà nội vẽ để so sánh Phân bố sai số 29 km tồn ại lớp sol khí tầng cao, sai số nhiệt độ phần phân bố nhiệt độ tham khảo nhiễu tín hiệu photon Phân bố nhiệt độ bắt đầu 20 km kết thúc 59 km với thời gian lấy trung bình tín hiệu khoảng không gian lấy trung bình 120 m Phân bố nhiệt độ thu từ lidar Rayleigh bao phủ hoàn toàn tầng bình lưu đạt tới vùng thấp tầng trung lưu chứa lớp bình lưu hạn Các phân bố nhiệt độ từ lidar cấu trúc tầng bình lưu tiết lộ đặc trưng lớp bình lưu hạn (stratopause) Một số phân bốn nhiệt độ từ lidar Rayleigh tháng năm 2013 cho thấy hình 4.7 Vị trí nhiệt độ lớp bình lưu hạn cho thấy cấu trúc hai tầng khí tầng bình lưu tầng trung lưu Ví trí lớp bình lưu hạn đánh dấu (*) mầu xanh dương phân bố nhiệt độ Kết vị trí stratopause tìm thấy (a): 45,7 km, (b): 47,7 km, (c): 50 km, 21 (d): 47,3 km với nhiệt độ tương ứng (a): 268,6 ± 3.0 K, (b): 267,4 ± 2,6 K, (c): 266,1 ± 2,1 K, (d): 265,1 ± 2.0 K Kết cho thấy vị trí stratopause dao động khoảng km với phân bố nhiệt độ khác tháng năm 2013 Điều cho thấy lớp bình lưu hạn dao động khoảng rộng, so sánh với mô hình thấy điều Hình 4.7 Một số phân bố nhiệt độ stratopause vào tháng năm 2013 4.3 Kết luận chương Từ phân bố nhiệt độ lidar kết hợp đàn hồi-Raman lidar Raman đo thấy vị trí tropopause Hà nội dao động từ 16 km tới 18 km, nhiệt độ tropopause dao động từ 186 K 192 K Kết cho thấy tồn lớp mây Ti tầng cao lân cận 14,5 km Từ phân bố nhiệt độ lidar Rayleigh thấy lớp stratopause dao động khoảng km từ độ cao 45,7 km tới 50 km nhiệt độ từ 261,1 K tới 268,6 K tháng năm 2013 22 Kết luận Luận án tiến sỹ Vật lý với tiêu đề “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật LIDAR ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ mật độ khí quyển” đạt kết khoa học sau:  Thiết kế xây dựng thành công hai hệ lidar bao gồm: hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman hệ lidar Rayleigh-Raman, ứng dụng tán xạ đàn hồi, tán xạ Raman kết hợp hai để khảo sát phân bố mật độ phân tử phân bố nhiệt độ khí Cả hai hệ lidar sử dụng nguồn laser công suất cao bước sóng 532 nm kính thiên văn có đường kính 25 cm, với tín hiệu tán xạ ngược ghi nhận chế độ đếm photon liệu lưu trữ máy vi tính Phân bố nhiệt độ đo lidar Raman lidar kết hợp đàn hồi-Raman vùng thấp tầng đối lưu đến vùng thấp tầng bình lưu (từ km đến gần 20 km) chứa lớp đối lưu hạn Phân bố nhiệt độ đo lidar Rayleigh vùng thấp tầng bình lưu đến vùng thấp tầng trung lưu (từ 20 km đến 59 km) chứa lớp bình lưu hạn  Thiết kế xây dựng thành công module gated-PMT sử dụng đầu ống nhân quang điện loại R7400U thương mại cho phép loại bỏ tín hiệu mạnh trường gần đồng thời ghi nhận tín hiệu yếu trường xa chế độ đếm photon với khoảng cách loại bỏ điều chỉnh Module có thiết kế compact, dễ dàng tích hợp với hệ lidar hay hệ ghi nhận tín hiệu quang học yếu  Phân bố mật độ phân tử phân bố nhiệt độ khí xác định từ tín hiệu lidar đàn hồi, tín hiệu lidar Raman, kết hợp hai đàn hồiRaman xác định thông qua chương trình xử lí số môi trường Matlab Các thuật giải xử lí tín hiệu lidar để xác định nhiệt độ tối ưu hóa thông qua việc hiệu chỉnh sol khí, ô zôn, hấp thụ phân tử Ảnh hưởng giá trị tham khảo tới kết giảm thiểu sử dụng phương pháp lặp  Xác định cấu trúc tầng đối lưu khí Hà nội từ liệu phân bố nhiệt độ đo lidar Raman lidar kết hợp đàn hồiRaman Đặc trưng nhiệt độ tầng đối lưu khảo sát thông qua 23   giá trị nhiệt độ trung bình, biến đổi nhiệt độ lớp đối lưu hạn Xác định tồn hai đỉnh lớp đối lưu hạn dựa khả phân giải không gian cao kỹ thuật lidar Vị trí theo tháng, theo mùa lớp đối lưu hạn Hà nội khảo sát từ liệu phân bố nhiệt độ thu lidar Xác định đồng thời vị trí lớp đối lưu hạn vị trí độ dày lớp mây Ti tầng cao từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp Lớp mây Ti tầng cao tồn từ độ cao 14,5 km tới 15,5 km Đây kết mà phép đo thám không vô tuyến thực Kết cho phép nghiên cứu mối liên hệ lớp đối lưu hạn lớp mây Ti tầng cao Xác định cấu trúc khí với phân tầng khí tầng bình lưu với tầng trung lưu thông qua liệu lidar Rayleigh đo Hà nội Vị trí đặc trưng nhiệt độ lớp bình lưu hạn khảo sát từ liệu lidar Rayleigh đo cho thấy lớp bình lưu hạn tồn từ độ cao 45,7 km tới 50 km Với kết nghiên cứu xây dựng hệ lidar khảo sát phân bố mật độ nhiệt độ khí luận án, tiến hành xây dựng trạm lidar quan trắc khí liên tục nhiều địa điểm khác nước Dữ liệu lidar quan trắc phục vụ cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng khác như: Vật lý khí quyển, khí tượng, dự báo khí hậu kiểm soát môi trường… 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh and Bui Van Hai (2010), “Designing and studying characteristics of the sodium lidar”, Proceedings’s Advance Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications VI, Publish House for Science and Technology, pp 361-364, ISSN: 1859-4271 Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang, Dinh Van Trung and Nguyen Thanh Binh (2012), “Monitoring the boundary layer over Hanoi using a compact lidar system”, Proceedings’s The Second Academic Conference On Natural Science For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, pp 389392, ISBN: 978-604-913-088-5 Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Dao Duy Thang, Bui Van Hai (2012), “Gated – photomultiplier tube for uses in lidar to study the upper atmosphere”, Proceedings’s The Second Academic Conference On Natural Science For Master And Phd Students From Cambodia, Laos, Malaysia & Vietnam, Publish House for Science and Technology, pp 393-396, ISSN: 978-604-913-088-5 Bui Van Hai, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dinh Van Trung (2013), “Monitoring the boundary layser over Hanoi using a compact lidar system with a high power diode laser at 905 nm”, Proceedings’s Advances in Applied and Engingeering Physcics, pp 521-527, ISBN: 978-604-913-232-2 Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dam Trung Thong and Nguyen Thanh Binh (2013), “Determination of atmospheric aerosol extintion profiles with a raman lidar system over Hanoi”, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy & Applications VII, Publish House for Science and Technology, pp 518-522, ISSN 1859-4271 Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Bui Van Hai, Dam Trung Thong (2013), “Development of a rayleigh lidar systemn for studying characteristics of tratosphere above hanoi”, Proceeding’s Advances in optics Photonics Spectroscopy & Applications VII, 25 Publish House for Science and Technology, pp 489-492, ISSN 1859-4271 Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2013), “Development of a Raman lidar system for measuring atmospheric temperature profile in Hanoi”, Proceedings’s Advances in Applied and Engingeering Physcics, pp 180-185, ISBN: 978-604-913-232-2 Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Dao Duy Thang and Nguyen Thanh Binh (2012), “Monitoring cirrus clouds and tropopause height over hanoi using a compact lidar system”, Communication in Physics, Vol 22, No 4, pp 357-364 Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2014), “Measurement of the upper troposphereic density and temperature profiles in Hanoi using a Raman Lidar”, Communications in Physics, Vol 24, No 3S2, pp 52-62, DOI:10.15625/0868-3166/24/3S2/0 10 Nguyen Xuan Tuan, Dinh Van Trung, Nguyen Thanh Binh, and Bui Van Hai (2014), “Measurements of the Stratospheric Density and Temperature Profiles in Hanoi by a Rayleigh Lidar”, Communications in Physics, Vol 24, No 3, pp 247-256, DOI:10.15625/0868-3166/24/3/3690 11 Tuan Nguyen Xuan, Hai Bui Van, Trung Dinh Van (2014), “Normally off-gated photomultiplier tube module in photoncounting mode for use in lidght detection and ranging measurements”, Applied Remote Sensing, Vol 8, pp 083536-1083536-8, DOI:10.1117/1.JRS.8 083536 26