Đang tải... (xem toàn văn)
Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển ( Luận án tiến sĩ)
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62 44 11 01 Người hướng dẫn khoa học PGS TS ĐINH VĂN TRUNG GS TS NGUYỄN ĐẠI HƯNG Hà Nội 2014 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Đinh Văn Trung thầy hướng dẫn, giúp đỡ cho không gian làm việc chuyên nghiệp suốt trình thực luận án Tơi xin bày tỏ kính trọng tới GS TS Nguyễn Đại Hưng Thầy gương người định hướng cho chuyên môn tham gia học tập nghiên cứu Viện Vật lý từ năm 2007, thời gian làm nghiên cứu sinh thời gian học tập tiếp sau Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới cơ, chú, anh, chị tồn thể bạn Trung tâm Điện tử học lượng tử, Trung tâm Vật lý kỹ thuật, Phòng Quản lý Tổng hợp Phòng Sau đại học Viện Vật lý dành cho tơi tình cảm chân thành giúp đỡ tốt để học tập, trao đổi công việc chia sẻ sống Xin chân thành cảm ơn! Tác giả Bùi Văn Hải Lời cam đoan Luận án với tiêu đề “Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển” thực Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung GS TS Nguyễn Đại Hưng Tôi xin cam đoan kết làm việc Nhóm lidar cá nhân tác giả hướng dẫn PGS TS Đinh Văn Trung Các số liệu kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố trước ngồi nước Tác giả Bùi Văn Hải MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt tiếng Anh i Danh mục đồ thị hình vẽ ii Danh mục bảng biểu viii Mở đầu Chương I Cơ sở lý thuyết khảo sát đặc trưng vật lý son khí khí trái đất 1.1 Khí trái đất 1.1.1 Cấu trúc khí 1.1.2 Son khí tầng thấp 11 1.1.2.1 Lớp son khí bề mặt 13 1.1.2.2 Lớp son khí tự tầng thấp 16 1.1.2.3 Vai trò son khí tầng thấp 16 1.1.2.4 Các đặc trưng lớp son khí tầng thấp 24 1.1.3 Mây Ti tầng cao 24 1.1.3.1 Cơ chế hình thành mây Ti 24 1.1.3.2 Vai trò mây Ti khí tầng đối lưu 32 1.1.3.3 Các đặc trưng mây Ti 33 1.1.3.4 Kỹ thuật khảo sát mây Ti 34 1.2 Các kỹ thuật quan trắc khí 35 1.3 Kỹ thuật lidar 37 1.3.1 Nguyên lý cấu tạo hệ lidar 37 1.3.2 Tương tác xạ với khí 42 1.3.2.1 Lý thuyết tán xạ Rayleigh 43 1.3.2.2 Lý thuyết tán xạ Mie 48 1.3.2.3 Lý thuyết tán xạ Raman 55 1.4 Kết luận chương I 61 Chương II Kỹ thuật hệ đo lidar 63 2.1 Hệ lidar 63 2.1.1 Hệ lidar nhiều bước sóng 63 2.1.1.1 Khối phát 63 2.1.1.2 Khối thu 64 2.1.2 Hệ lidar sử dụng laser diode 67 2.1.2.1 Khối phát 71 2.1.2.2 Khối thu 77 2.1.3 Đầu thu quang điện cho hệ lidar 81 2.1.3.1 Đầu thu nhân quang điện (PMT) 81 2.1.3.2 Đầu thu photodiode thác lũ (APD) 85 2.2 Kỹ thuật đo tín hiệu lidar 88 2.2.1 Kỹ thuật đo tương tự 88 2.2.2 Kỹ thuật đếm photon 89 2.3 Phương trình lidar 93 2.4 Xử lý tín hiệu lidar 94 2.4.1 Chuẩn hóa tín hiệu 94 2.4.2 Xác định hàm chồng chập đặc trưng hệ lidar 98 2.4.3 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt lớp mây Ti tầng cao 104 2.4.4 Xác định độ sâu quang học son khí phân bố khí 105 2.4.5 Xác định hệ số suy hao trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman 106 2.4.6 Xác định hệ số tán xạ ngược son khí từ tín hiệu lidar đàn hồi 107 2.4.7 Xác định tỉ số lidar đặc trưng son khí 108 2.4.8 Xác định tỉ số khử phân cực son khí 108 2.4.9 Đánh giá sai số thông số đặc trưng 109 2.5 Kết luận chương II 111 Chương III Quan trắc đặc trưng vật lý lớp son khí tầng thấp 114 3.1 Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 114 3.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 114 3.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 115 3.2 Quan trắc thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 118 3.2.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 118 3.2.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 120 3.2.3 Đánh giá kết đo hệ lidar sử dụng laser diode 122 3.3 Đặc trưng độ sâu quang học 123 3.4 Đặc trưng suy hao 124 3.5 Đặc trưng tán xạ ngược 125 3.6 Đặc trưng tỉ số lidar 126 3.7 Kết luận chương III 128 Chương IV Quan trắc đặc trưng vật lý mây Ti tầng cao 129 4.1 Đặc trưng phân bố không gian 129 4.1.1 Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 129 4.1.2 Bằng hệ lidar sử dụng laser diode 139 4.2 Đặc trưng độ sâu quang học 141 4.3 Đặc trưng tán xạ ngược 142 4.4 Đặc trưng khử phân cực 144 4.5 Kết luận chương IV 146 KẾT LUẬN 148 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 150 TÀI LIỆU THAM KHẢO 152 PHỤ LỤC i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt tiếng Anh Ký hiệu Nguyên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt laser Light Amplification by Stimulated Bộ khuếch đại ánh sáng phát Emission of Radiation xạ kích thích lidar Light detection and ranging Ghi nhận tín hiệu quang xác định khoảng cách DEM Digital Elevation Models Mô hình số địa hình DTM Digital Terrain Model Ảnh số địa hình DSM Digital surface model Mơ hình số bề mặt INS Inertial navigation system Hệ thống hành hướng quốc tế GPS Global positioning system Hệ thống định vị toàn cầu TOMS Total Ozone Mapping Spectrometer Phổ phân bố tổng lượng Ozone WMO World Meteorological Organization Tổ chức khí tượng giới PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện APD Avalanche photodiode Diode quang thác lũ QE Quantum efficiency Hiệu suất lượng tử PC Photon counter Bộ đếm photon MCA Multichannel pulse-height analyzer Bộ phân tích biên độ xung đa kênh TTL Transitor-transitor logic Bộ logic CMOS Complementary metal–oxide– semiconductor Bán dẫn xít kim loại SNR Signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu OF Overlap function Hàm chồng chập SF Spatial filter Phin lọc không gian OPO Optical parametric oscillator Bộ dao động tham số quang DL Discrimination level Mức so sánh CBL Convective boundary layer Lớp son khí đối lưu bề mặt ABL Atmospheric boundary layer Lớp son khí bề mặt NCAR National Center for Atmospheric Research Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí Mỹ CCM3 Community climate model Mơ hình khí hậu C3 i Danh mục đồ thị hình vẽ Hình 1.1: Phân bố nhiệt độ mật độ phân tử khí trung bình khí trái đất theo độ cao tới 100 km [62] Hình 1.2: Cấu trúc khí trái đất thay đổi nhiệt độ theo độ cao, miền không gian 120 km bao quanh trái đất [70] Hình 1.3: Ảnh vệ tinh chụp 26/2/2000, bão cát thổi qua sa mạc Sahara tây bắc châu Phi theo đám mây cát rộng hàng ngàn số vng [63] Hình 1.4: Ảnh chụp TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) thời điểm ngày 26/2/2000 địa điểm Phổ màu chuyển từ xanh sang đỏ theo tăng dần mật độ khối son khí [63] Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc lớp khí bề mặt [62] Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng giới MWO [68] Hình 1.7: Ảnh số loại mây tầng đối lưu khí [70] Hình 1.8: Ảnh số lọai mây không phổ biến khác tồn tầng đối lưu trái đất [70] Hình 1.9: Mơ hình giải thích tạo thành đám mây [70] Hình 1.10: Nguyên lý hoạt động lidar [3] Hình 1.11: Sơ đồ khối hệ lidar xây dựng Viện Vật lý gồm hai phần bản: khối phát khối thu Hình 1.12: Tán xạ đàn hồi hạt có kích thước khác so sánh với bước sóng ánh sáng kích thích [22, 33, 112] Hình 1.13: Phân bố cường độ tán xạ theo hàm pha tán xạ Rayleigh [104] Hình 1.14: Kích thước số loại son khí phổ biến [109] Hình 1.15: Dạng hàm hệ số tán xạ ngược hạt nước hình cầu đồng có chiết suất n =1.33 phụ thuộc vào kích thước đặc trưng x hạt [112] Hình 1.16: Cường độ theo góc tán xạ tương ứng với bước sóng 1064 nm 532 nm hạt kích thước nhỏ 0,1 µm [104] Hình 1.17: Cường độ tán xạ theo hàm pha tương ứng với hai bước sóng 1064 nm 532 nm với tâm tán xạ có kích thước 10 µm [104] ii Hình 1.18: Phân bố cường độ theo góc tương ứng hai bước sóng 1064 532 nm hạt có kích thước lớn cỡ 1000 µm [104] Hình 1.19: Giản đồ dịch chuyển mức lượng tán xạ Rayleigh Raman Hình 1.20: Phổ tán xạ Raman số loại khí phổ biến khí (oxi, ni tơ, nước) kích thích bước sóng 532 nm [112] Hình 2.1: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser máy tính ghi nhận liệu Trên hình tín hiệu lidar chế độ tương tự [16, 19] Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu liệu, nguồn ni cao hạ Hình 2.3: Hình ảnh chi khối phát hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm hãng Osram dạng bề mặt xạ laser [14, 61] Hình 2.5: Sơ đồ mạch ni chip laser diode hãng Osram [14] Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách m, c) Sơ đồ ngun lý chuẩn trực chùm laser Hình 2.7: Cơng suất phát trung bình laser diode phụ thuộc ni Hình 2.8: Độ rộng xung laser hoạt động chế độ cơng suất phát cực đại Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser hoạt động chế độ cơng suất phát tối ưu Hình 2.10: Hình ảnh đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 hãng Hamamatsu sử dụng hệ lidar sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động chế độ Geiger [13] Hình 2.11: Module đầu thu APD làm lạnh tới -20oC, hút ẩm, khép kín giảm nhiễu chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu hệ lidar Hình 2.12: Giao diện chương trình đếm photon viết ngơn ngữ Labview thực đo tín hiệu hệ lidar đo bước sóng 905 nm Hình 2.13: Cấu trúc nguyên lý khuếch đại ống nhân quang điện [79] Hình 2.14: Độ nhạy đầu thu theo bước sóng tín hiệu b) Hệ số khuếch đại theo ni c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79] iii ... 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Hà Nội 2014 LỜI CẢM ƠN Trước... 129] Trong hoàn cảnh điều kiện nghiên cứu luận án thực với tên gọi: Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển Luận án thực với mục đích đối tượng nghiên cứu cụ... Bùi Văn Hải Lời cam đoan Luận án với tiêu đề Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý son khí tầng khí quyển thực Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học