BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN VẬT LÝ  BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội 2014 Luận án được thực hiện tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Đinh Văn Trung 2. GS. TS. Nguyễn Đại Hưng Người phản biện 1: PGS. TS. Đỗ Quang Hòa Viện Vật lý Người phản biện 2: PGS. TS. Lê Hoàng Hải Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Người phản biện 3: TS. Tạ Văn Tuân Viện Công nghệ laser Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại: Viện Vật lý – 10 Đào Tấn, Hà Nội Vào hồi … giờ … tháng … năm…… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - Thư viện Viện Vật lý 1 CHƢƠNG I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trƣng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất Đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp son khí tồn tại trong khí quyển trái đất. Trong chương mở đầu chúng tôi trình bày về cấu trúc, phân bố, vai trò của lớp son khí đối với khí quyển, đối với thời tiết và sự biến đổi khí hậu của trái đất. Chúng tôi trình bày lý thuyết về tương tác giữa chùm photon kết hợp và môi trường phân tử khí, son khí theo lý thuyết tán xạ đàn hồi và phi đàn hồi, đó là cơ sở của các nghiên cứu lý thuyết và các kết luận thực nghiệm được đưa ra trong luận án ở các chương tiếp sau. Bên cạnh đó chúng tôi cũng thảo luận về những ưu điểm và phạm vi ứng dụng của kỹ thuật lidar trong quan trắc khí quyển. CHƢƠNG II Kỹ thuật và hệ đo lidar Chương 2, chúng tôi trình bày những nghiên cứu về kỹ thuật khảo sát từ xa (là công cụ nghiên cứu của nhóm tác giả) được sử dụng để xác định các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển. Chúng tôi trình bày về cấu trúc của hệ lidar được thiết kế, xây dựng tại Viện Vật lý với mục đích quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí. Những thiết kế về cơ khí, điện tử và quang học được sử dụng trong quá trình nghiên cứu, xây dựng, tối ưu hệ lidar Raman phân cực đa kênh và hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao. Bên cạnh đó chúng tôi cũng trình bày cơ sở toán học và các chương trình tính số xây dựng bằng ngôn ngữ Matlab xác định các đặc trưng quang của son khí trong miền quan trắc từ cơ sở dữ liệu của hệ lidar đặt tại Hà Nội. 2 2.1 Hệ lidar 2.1.1. Hệ lidar nhiều bƣớc sóng 2.1.1.1. Khối phát Cấu trúc của hệ lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện trong hình 2.1. Khối phát của hệ lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2 cho phép điều chỉnh phương phân cực của chùm tia phát ra, bản phân cực này sẽ được sử dụng để chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo ở chế độ thu nhận tín hiệu phân cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ được chuyển hướng bắn từ phương ngang thành phương thẳng đứng nhờ một gương đặt với góc nghiêng 45 o . Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64]. ĐẶC TRƢNG KHỐI PHÁT Bƣớc sóng phát 1064 nm 532 nm Ý nghĩa Tần số 10 Hz 10Hz Tần số phát xung của laser Góc mở của tia laser 0,5 mrad // Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e 2 năng lượng đỉnh xung, tương ứng 85% tổng năng lượng chùm tia Đường kính chùm 6 mm // Xét tại trường gần của chùm tia laser Tỉ số phân cực chùm > 90% // Theo phương đứng Tính hội tụ chùm < 2 // Giới hạn nhiễu xạ thơi gian tại mức cường độ 1/e 2 đỉnh xung. Tính không gian 0,7 0,95 // Theo phân bố Gauss ( đối với trường gần 1m) Đối với trường xa cách 2m Năng lượng xung 360 mJ 180 mJ Sử dụng đầu đo công suất Năng lượng đỉnh ±2 (0,6) ±4 (1,3) Độ dịch năng lượng ±3% ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra Độ rộng xung ~5 ns ~4 ns FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz Độ rộng vạch 0,7 cm -1 1,4 cm - 1 Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính xác: 0,045cm -1 3 Độ Jitter ± 0,5 ns // So sánh với trigger và lấy trung bình của 500 xung Tính ổn định điểm < 50 mrad // Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200 xung tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f = 2m 2.1.1.2. Khối thu Khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên tất cả 4 kênh đo hoạt động đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope 100 mm, kênh đo Raman Ni tơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát đồng thời khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần. Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu. Trên màn hình là tín hiệu lidar ở chế độ tương tự [16, 19]. Telescope 100mm Laser beam 532nm Gương PMT Bản λ/2 Laser YAG.Nd: 2ω Nguồn nuôi Máy tính ADC Telescope 250 mm 4 Bảng 2.2: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ lidar Raman nhiều bước sóng [64, 65, 67]. ĐẶC TRƢNG KHỐI THU Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC Hãng sản xuất Meade - USA Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric Độ mở f/10 Đường kính 203.2 mm ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN Đầu thu PMT Hamamatsu R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương tự và đếm photon kênh 532 nm Đầu thu APD Hamamatsu Hoạt động chế độ đo tương tự kênh 1064 nm ĐẶC TRƢNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN VÀ XỬ LÝ ADC 12 bit Picosope 4000 series 3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB Chương trình ghi tín hiệu Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt, có hai chế độ hoạt động: tương tự và đếm photon Chương trình xử lý tín hiệu Matlab Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các đặc trưng quang học Trong quá trình nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ lidar tại Viện Vật lý chúng tôi gặp nhiều khó khăn về kỹ thuật cũng như trong quá trình quan trắc khí quyển tại Hà Nội. Do đó, chúng tôi định hướng xây dựng các hệ lidar có những tính năng chuyên biệt thu gọn, phù hợp với mục đích cụ thể. Với mục đích đo gần, điều chỉnh dễ dàng, có phí duy trì thấp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và quan trắc ở Việt Nam. Với những lý do đó một hệ lidar di động, nhỏ gọn dễ lắp đặt đã được thiết kế và phát triển tại Viện Vật lý trong năm 2012. 5 2.1.2. Hệ lidar sử dụng laser diode Hình 2.2 là cấu trúc hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao phát bước sóng 905 nm lần đầu tiên đưa vào khai thác quan trắc son khí trường gần tại Hà Nội, được xây dựng và tối ưu tại Viện Vật lý. 1.1.2.1. Khối phát Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng, hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ [55]. Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương ngang là 1,5 mrad. Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì góc mở của khối thu phải lớn hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập Khối phát APD Máy tính Bộ nguồn Module đếm photon Kính thiên văn d = 200mm Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế. 6 góc mở không gian của telescope là 2 mrad. Đối với laser diode SPL PL90_3 hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80 W, độ rộng xung ~70 ns, tần số lặp lại của laser ~1,25 kHz. 2.1.2.2. Khối thu Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang học, đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền phần cứng là bộ đếm photon tốc độ cao. Những thông sô kỹ thuật của khối thu được liệt kê trong Bảng 2.4. Bảng 2.4. Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser diode [13, 65]. CÁC THÔNG SỐ KHỐI THU Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC Hãng sản xuất Meade - USA Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm. Bộ nguồn và đầu laser SPL_PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram Thấu kính trụ 1 Thấu kính trụ 2 Bộ vi dịch chuyển 3chiều Trigger quang Bản tách chùm Gương hướng chùm tia 7 Độ mở f/10 Đường kính 203.2 mm ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN XỬ LÝ TÍN HIỆU Đầu thu APD Hamamatsu Si APD S9251 series Hoạt động chế độ Geiger đếm photon, được hạ nhiệt độ tới -20 o C. Module đếm photon tốc độ cao Picosope 6000 series 2 kênh tốc độ lấy mẫu 1GS/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB. Chương trình thu nhận tín hiệu Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt, hoạt động ở chế độ đếm photon. Chương trình xử lý tín hiệu: Matlab PC: Chip 2,5 GHz; RAM 2GB Xử lý tín hiệu tìm một số đặc trưng của lớp bề mặt. Hình ảnh module đầu thu photodiode thác lũ và khối làm lạnh được thể hiện trong Hình 2.11. Trên đó chúng tôi sử dụng 4 cổng kết nối cáp RG58C/U 50 Ω với mục đích giảm tối đa nhiễu điện có thể gây ra cho đầu thu. Trong đó có 4 cổng gồm: cổng tín hiệu, cổng nuôi cao thế và hai cổng nuôi thế cho pin nhiệt điện có gắn kèm mạch LC dập tắt các nhiễu điện. Giao diện và các tham số đầu vào phù hợp với từng phép đo được thể hiện trong hình 2.12. Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20 o C, hút ẩm, khép kín và giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar. 4 cổng cáp 50 Ω Quạt tản nhiệt Bộ làm lạnh cho APD Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger Không gian được hút ẩm 8 2.3. Phƣơng trình lidar Phương trình lidar cụ thể được viết dưới dạng sau [109]:     =   . . .     .  2       +      exp 2     [     +   ()]  0  (2.1) Trong đó P laser là công suất laser phát, C là hằng số đặc trưng của hệ, A là tiết diện của telescope thu tín hiệu, O(z) là hàm chồng chập đặc trưng của hệ đo,      à      lần lượt là hàm đặc trưng cho hệ số tán xạ ngược của son khí và phân tử khí,      à   () là hệ số suy hao. 2.4. Xử lý tín hiệu lidar 2.4.1 đến 2.4.9: Chúng tôi trình bày về về kỹ thuật xử lý tín hiệu lidar và xác định các thông số trưng của hệ lidar, của lớp son khí trong khí quyển: Xác định hàm chồng chập, xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt và lớp Mây Ti tầng cao, độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm. [...]... quang học đặc trưng của son khí viết trên ngôn ngữ Matlab CHƢƠNG III Quan trắc các đặc trƣng vật lý của lớp son khí tầng thấp Trong chương 3 chúng tôi trình bày những kết quả nghiên cứu cụ thể được nhóm áp dụng với đối tượng son khí trường gần trái đất 3.1 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 3.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật toán đạo... chúng tôi cũng có những kết luận về quy luật tăng tỉ số khử phân cực khi tăng độ cao hoặc giảm nhiệt độ của lớp mây Ti… Những kết quả trong chương 4 đã được công bố trong các bài báo [19] và [37] của nhóm tác giả KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu các đặc trưng vật lý của lớp son khí trong khí quyển bằng kỹ thuật lidar Trong luận án chúng tôi đã thu được một số kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm... đo Raman lidar và hệ lidar nhỏ gọn sử dụng laser diode 905 nm phát triển tại Viện Vật lý Những kết quả này đã được công bố trong các bài báo [16, 19, 20, 21, 37] của nhóm tác giả Trong thời gian tiếp sau chúng tôi tiếp tục nâng cao hiệu xuất nghi nhận của hệ dial lidar sử dụng laser diode công suất cao quan trắc các đặc trưng vật lý của son khí tầng thấp và phân bố của hơi nước trong miền khí quyển trường... gian 3 Nghiên cứu sự phân bố của lớp son khí tầng thấp tại Hà Nội cho thấy sự phân bố chủ yếu tập trung dưới độ cao 5 km Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội ~1,5 km, sự biến đổi trong ngày và độ cao trung bình Xác định hệ số lidar đặc trưng của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km đạt giá trị trung bình 40 ± 11 Các kết quả nghiên cứu này được trình bày trong các bài báo của nhóm nghiên cứu [16,... sau: 1 Tìm hiểu lý thuyết tương tác giữa photon ánh sáng với các phân tử khí, với các hạt son khí có kích thước khác nhau trong khí quyển Xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Matlab, xác định các đặc trưng vật lý: phân bố không gian theo thời gian, độ sâu quang học, hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar, hệ số khử phân cực của lớp son khí bề mặt và lớp mây Ti tầng cao Đánh giá chất... 40 ±11 Hanoi 3.7 Kết luận chƣơng III Trong chương III, chúng tôi khai thác dữ liệu quan trắc trường gần từ hệ lidar Raman nhiều bước sóng và hệ lidar mini sử dụng laser diode ở bước sóng 905 nm khảo sát các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp dưới 5 km Chúng tôi rút ra một số kết luận sau:  Son khí tầng thấp ở Hà Nội tập trung trong miền không gian dưới 5 km  Đỉnh lớp son khí bề mặt (Boundary... trƣng tỉ số lidar Độ sâusố lidarhọc Tỉ quang 55 50 45 40 35 30 25 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Khoảng cách (km) Khoảng cách (km) Hình 3.13: Tỉ số lidar (cùng với sai số) đặc trưng lớp son khí tầng thấp trong khí quyển trên bầu trời Hà Nội, khảo sát ngày 21 tháng 11 năm 2012 Tỉ số lidar đặc trưng của lớp son khí dưới 3,5 km tại thời điểm phép đo nhận giá trị 40 ± 11, giá trị trên so sánh với những kết quả của các... quan trắc lớp son khí tầng thấp dưới 10 km Với nhiều ưu điểm và đặc biệt phù hợp với điều kiện nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật khảo sát từ xa tại Việt Nam, phát triển hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao đang mở ra một hướng phát triển thiết bị khoa học có nhiều ứng dụng thực tiễn Với những kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu trong thời gian tác giả thực hiện nghiên cứu trên các hệ lidar, khẳng... cho phép chúng ta có thêm cơ sở dữ liệu kết luận về đặc trưng của mây Ti nhìn thấy trên bầu trời Hà Nội [130] 4.5 Kết luận chƣơng IV Các đặc trưng cơ bản chúng tôi tập trung khai thác là: 1 Đặc trưng vĩ mô của mây Ti a Đặc trưng phân bố độ cao của mây Ti tại Hà Nội trong năm 2011 thay đổi từ độ cao 12,5 km tới 14,3 km 20 b Đặc trưng độ dày của lớp mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội với độ dầy trung... quan về độ cao của đỉnh lớp mây Ti và lớp phân tầng đối lưu hạn của khí quyển Hà Nội ~3 km… 2 Đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao: a Tần suất phân bố của mây Ti trên bầu trời Hà Nội ~ 56%, đóng góp lưu trữ năng lượng bức xạ tại bước sóng 532 nm ~21,4% b Đặc trưng tỉ số khử phân cực của lớp mây Ti tầng cao tại Hà Nội ~45% với những trường hợp đặc biệt có thể lên trên 80% c Trong nghiên cứu chúng tôi . VIỆN VẬT LÝ  BÙI VĂN HẢI SỬ DỤNG KỸ THUẬT LIDAR NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG KHÍ QUYỂN Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 TÓM TẮT LUẬN. viện Viện Vật lý 1 CHƢƠNG I Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trƣng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất Đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp son khí tồn tại trong khí quyển. cụ nghiên cứu của nhóm tác giả) được sử dụng để xác định các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển. Chúng tôi trình bày về cấu trúc của hệ lidar được thiết kế, xây dựng tại Viện Vật lý