Hệ thống Lidar quan trắc Sol khí: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện tử Nghiên cứu hoàn thiện

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

U DUY TU N

SOL

- 2021

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

U DUY TU N

1 2.

- 2021

I CA Đ AN

u n n v t u LIDAR t n t n n n u n t , n , n v n t l u – n n l m o v n n t m s n n uy n u n n và u n n

n u s n x n m o n y l n trìn n n u mìn , kết quả n n u trìn b y tron lu n n l trun t , k h quan v từn ể bảo v ở bất kỳ v n o

n u s n x n m o n rằn m s úp ỡ o v t n lu n n ã m ơn, t n t n trí n tron lu n n n y u ỉ rõ n uồn ố

, n y ... tháng .... năm 2021 ả lu n n

D T

I C N

r t n, n u s n x n l ảm ơn ến TS. uy n u n

Anh, u n n t y ã n n uy n m n, úp

ỡ, n v n v k í l n n u s n tron suốt qu trìn t n lu n

n t ến sĩ.

n u s n x n b y t l ảm ơn t . uy n ế ruy n y

ã n v n, k í l n n u s n tron suốt t n t n n n

u s n t n n n u n t , T n , T n từ năm ến

nay.

n u s n n x n ảm ơn t n , v to n t ể b n

tron n n n u n t , T n , T n , n h n ín t n

p n ã n o n n u s n n n tìn ảm n t n n

v s úp ỡ tốt n ất ể n n u s n n n u, t p tron

t n qu

n n t n ảm ơn!

, n y … tháng … năm 2021

ả lu n n

D T

C C

Danh mụ k u, viết tắt v t ến n .......................................... v n mụ bản b ểu .............................................................................. xi n mở u .................................................................................................. 1 C ơn n qu n v t ốn r qu n trắ sol k í ............................ 8 t vấn ...................................................................................................... 8 1.1 p ơn p p o sol k í tron k í quyển .................................... 11

1.1.1 ơn p p o sol k í tr c tiếp .................................................... 12

1.1.2 ơn p p o sol k í n t ếp ( ) ................................... 13

1.1.3 n ụn r tr n t ế v t t m ........................... 16

1.2 Các nghiên c u thiết kế, chế t o h r o sol k í .......................... 18

1.2.1 Trên thế gi i: ...................................................................................... 18

1.2.2 Ở t m ....................................................................................... 24

ơn p p x n cao l p biên khí quyển bằng số li u Lidar. . 27

1.3.1 Trên thế gi i ....................................................................................... 27

1.3.2 Ở Vi t Nam ....................................................................................... 29

ết lu n ơn ........................................................................................ 30 ơn ơn p p qu n trắ sol k í bằn r ............................... 32 t vấn .................................................................................................... 32 2.1 Nguyên lý ho t ng c r o c các thông số khí quyển ......... 39 2.2 ơn trìn Lidar .............................................................................. 44

2.2.1 số K ............................................................................................ 48

2.2.2 G(R) hàm phụ thu c vào các yếu tố hình h c c a h . ................... 48

2.1.3 β( ) số tán x n sol k í ............................................... 49

2.1.4 ( ) tr ng truy n ................................................................ 50

iii

ết lu n ơn ...................................................................................... 51 ơn ơn p p t ết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắc sol khí tố u ................................................................................................ 53 3.1 Bài toán xây d ng h Lidar ................................................................... 53

3.2 Thiết kế h Lidar ................................................................................... 54

3.2.1 L a ch n m t số modul ph n c ng. ................................................... 55

3.2.2 Chế t o m t số modul ph n c ng ....................................................... 66

3.3 p n t n số r ......................................................... 70 3.4 u ỉn r ............................................................................. 77 3.5 Xây d n ơn trìn p n m m o v l u tr số l u .................... 84 ết lu n ơn ..................................................................................... 87 ơn y ng ph n m m x l kết quả o v p ơn p p tín o l p b n k í quyển t k u v ................................................ 88 t vấn .................................................................................................... 88 4.1 n m m x l số l u o ................................................................. 89 o t n m v n kết quả o r t .... 93

l u o sol k í t Lidar .................................. 93

n số k t u t v t số l u r ................ 93 l u o sol k í t r n n u ế t o ..... 94 ố l u o sol k í bằn b n t m k n ...................................... 96

4.2.2 n tí kết quả o ....................................................................... 97

ết quả o t t ết b ................................... 97 ết quả o t t ết b r .................................. 99 4.3 ín o l p b n k í quyển bằn số l u r .......................... 103 ết lu n ơn ................................................................................... 114 K T LU N ............................................................................................... 115 n mụ n trìn k o t ả l n qu n ến lu n n ..... 117 l u t m k ảo ..................................................................................... 118

Tiếng Vi t .................................................................................................. 118

Tiếng Anh .................................................................................................. 118

.................................................................................................. 126

D ,

N N

ABL Atmospheric Boundary Layer p r n k í quyển

ADC Analog - to -Digital Converter uyển t ơn t - số

AERONET Aerosol Robotic Network n l qu n kế o sol k í tron k í quyển

AFV Apparent Field of View r n n ìn b ểu k ến

AOD Aerosol Optical Depth y qu n sol k í

APD Avalanche Photodiode ốt t l

AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer ết b o b x p n ả o

EARLINET European Aerosol Lidar Network n r qu n trắ ol k í Châu Âu

FOV Field of View r n n ìn

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation k uế n s n bằn p t x kí t í

LBKQ The planetary boundary layer p b n k í quyển

Lidar Light Detection and Ranging ết b p t n n s n v k oản

LRS Lidar and Radiometric Sensing r v ảm b ến p n x

MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer ết b o qu n p ìn ản

MPLNET n r The NASA Micro-Pulse Lidar Network

NASA National Aeronautics and Space Administration ơ qu n n k n v trụ o ỳ

Overlap Function m ồn p OF

Photomultiplier Tube Modules n n n qu n n PMT

Quantum Efficiency u suất l n t QE

Radiant Sensitivity n y b x S

SNR Signal-to-Noise Ratio ỷ số tín u tr n n u

UAV Unmanned Aerial Vehicle t t ể b y k n n l

WCT Wavelet Covariance Transform B ến Wavelet h p p ơn s

Extinction Coefficient H số suy o n s n α

Scatter Coefficient H số t n x n β

D

Tên hình v Trang Số hi u hình v

8 ìn Cấu trúc c a t ng khí quyển

10 ìn M ng tr m Lidar khu v n m n n u khí quyển

11 ìn Minh h a các hình th c nghiên c u khí quyển

12 ìn 4 Ảnh minh h p ơn p p o sol k í tr c tiếp

13 ìn n b y m n t ết b o sol k í

15 ìn 1.6 ấu trú r t o k ểu -static

16 ìn 1.7 ấu trú r t o k ểu ồn trụ

16 ìn 8 trí tr m

ìn 9 Ảnh h Lidar t i Vi n V t lý,Vi n Hàn lâm KH&CNVN 17

ìn 10 Ảnh h Lidar LSA- , r n i h c Bách Khoa Hà N i 18

ìn 19 ơ ồ cấu trúc (a), ảnh h Lidar (b) t tr n i h a v t lý và Hành tinh t i Manoa, Honolulu, Hawai

ìn 12 Cấu trúc h Lidar t un , o n 21

ìn 1.13 Ảnh h Lidar do NASA chế t o 23

ìn 14 Ảnh (a) và (b) h Lidar LSA-2C 24

ìn 5 Ản idar c tài KC.01.21/06-10 25

ìn 2.1 33 n x n ồ tr n t kí t k n u v b s n n s n kí t í

ìn í t c m t số lo i sol khí ph biến 34

ìn ấu trú v n uy n l k uế ống n n qu n n 36

ìn M n uy n l un ấp n t ế o 36

ìn 5 Ảnh và m n ấu nối bên ngoài cao áp C4900 36

ìn t số lo s n n n s n k n u 37

ìn ơ ồ khối h Lidar 39

ìn 2.8 ơ ồ biểu di n qu trìn o tín u Lidar trong khí quyển 42

ìn 2.9 ơ ồ di n tả quá trình tín hi u Lidar 43

vii

ìn 2.10 Minh ho hình h c h Lidar 44

ìn 2.11 ơ ồ khối mô tả bản chất v t lý h Lidar 45

ìn 2.12 Minh h a ản ởng hàm chồng ch p và tín hi u 49

ìn 3.1 ơ ồ khối h Lidar 54

Hình 3.2 Ảnh khối phát tia laser c a laser LOTIS 55

ìn 3.3 Ảnh khối phát tia laser c a laser Briliant 56

ìn 3.4 Ảnh khối phát tia laser c a laser Litron Nano 57

ìn 3.5 Ản u p t l s r l s r 59

ìn 3.6 ơ ồ ấu trú k ối thu 60

ìn 3.7 Ản v sơ ồ cấu trú kín t n văn lo i Celestron 61

ìn 3.8 61 Bản vẽ hình h v ng truy n qua c a thấu kính LUD 50.0 -43.9-UV-355-532

ìn 3.9 62 Bản vẽ hình h v ng truy n qua c a thấu kính DCX UV 16 x 15

ìn 3.10 Ảnh kính l c F03-532.0-4-1.00 63

ìn 3.11 63 Ản v ng truy n t s n k qu k ối tách chùm PBSH- 450-1300-100

ìn 3.12 64 Cấu trúc hình h v ồ th nh y b c x t o b c sóng PMT

ìn 3.13 ơ ồ khối m ch cấp nguồn h Lidar 66

ìn 3.14 ơ ồ m ch nguyên lý cấp nguồn h Lidar 67

Hình 3.15 M ch in và m ch cấp nguồn có linh ki n 67

Hình 3.16 68 M ch nguyên lý, m ch in cấp nguồn v u khiển h số khuế i PMT

Hình 3.17 Ảnh b cấp nguồn u khiển h số khuế i PMT 68

Hình 3.18 Ảnh chuẩn tr c ánh sáng dùng hai thấu kính 69

Hình 3.19 Bản vẽ ơ k í b gá lắp hai thấu kính 69

Hình 3.20 Ảnh 3D c a b gá hai thấu kính 70

Hình 3.21 Ảnh các b ph n quang h c thu 70

Hình 3.22 Mô hình t ng quát mô ph ng h Lidar 72

Hình 3.23 u ồ thu t toán m p n 75

viii

Hình 3.24 (a) tín hi u Rayleigh mô ph ng hi u chỉn t o cao 76

(b) tín hi u m t phân t khí theo MSIS-E-90

Hình 3.25 ìn vẽ m tả ìn l s r p t v kín t n văn 77

ìn 26 79 ( ) kín t n văn t tế, (b) m p n un p n t

ìn 27 80 trí vít ỉn trụ qu n l s r son son v trụ qu n t u

ìn 28 núm t n ỉn v trí l s r p t 81

ìn 29 ( ) m p n un kín t n văn, (b) r t tế 81

ìn 30 Ản v trí o kín t n văn t o n 82

ìn 31 ín u r t u từ n s u k u ỉn 83

ìn 32 ơ ồ k ố ơn trìn o v l u tr số l u 84

ìn 33 o n ơn trìn t u tín u r 86

ìn 4.1 ơ ồ k ố hiển th kết quả o 90

ìn 4.2 ơ ồ ơn trìn x l số li u 90

ìn 4.3 ơ ồ khố t u v ản Lidar 91

ìn 4.4 92 (a) ín u ch y ơn trìn mô ph ng (b) tín hi u r o lú n y

ìn 4.5 Thiết b quan trắc MPLNET ở Hà N i 93

ìn 4.6 Ản tín u ồn b n o o o n k 95

ìn 4.7 r n n u t ết kế, chế t o và tích h p 96

ìn 4.8 ín u r o lú ( ) t i 98

ìn 4.9 ín u r o lú ( ) t i 98

ìn 4.10 ín u r o lú (01/10/2012) t Hà N i 99

ìn 1 ín u r o lú 8 ( ) t i 99

ìn 2 ín u o r lú (26/10/2016) 100

ìn 3 ín u r o lú 48 p út (23/11/2016) 101

ìn 4 ín u r o lú 35 p út ến 17 58 phút 101

ìn 5 ín u r o n y 102

ìn 6 103 ín u r o lú 16 p út ến 18 gi 37 phút (24/11/2016)

ìn 7 ìn n a hàm Haar 105

ìn 8 u ồ t u t to n x n p ụ t u ãn nở 107

ìn 9 108 ( ) ín u r t u u ỉn t o o (b) p ụ t u v o ãn nở ( )

ìn 108 ( ) ín u r t u u ỉn t o o (b) p ụ t u v o ãn nở ( )

ìn u ồ t u t to n x n o p ụ t u ãn nở 109

ìn p ụ t u o LBKQ v o ãn nở 110

ìn Ản o l p b n k í quyển v m y n y 111

ìn 24 111 Ản o l p b n k í quyển v m y n y ( phút ến phút)

ìn 112 Ản o l p b n k í quyển v m y n y ( ến 18 p út)

ìn Ản o l p b n k í quyển t (09/3/2018) 113

ìn Ản o l p b n k í quyển t (09/4/2018) 113

D

Tên b ng Trang Số hi u b ng

Bảng 2.1 M t số lo i sol khí ph biến và nguồn gốc hình thành 33

Bảng 3.1 Thông số k thu t ơ bản c a LOTIS LS – 2137U 55

Bảng 3.2 Thông số k thu t ơ bản c a Laser Briliant 56

Bảng 3.3 Thông số k thu t ơ bản c a Laser Litron Nano S120-20 57

Bảng 3.4 í t ìn , tr n l n s r 58

Bảng 3.5 t n số k thu t ơ bản b n uồn un ấp 58

Bảng 3.6 t n số k thu t ơ bản kín t n văn C11 60

Bảng 3.7 Các thông số k thu t c a ốn n n qu n n 65

Bảng 4.1 ố l u t n số k í quyển o bở b n t m k n 97

Ph

n n y, n m m tr n l vấn n m tr n tr n t ế n

n ở t m n m m tr n yếu l n m n uồn n v

n m k n k í, l t n n y r b n o on n n un

t , b u, v v Ở t m ô nhi m m tr n n ở m b o n

b t l ở t l n n , t n p ố ồ í n v t k u

n n p. Theo số li u quan trắ m tr ng không khí t i Hà N i c a

Trung tâm quan trắ t n uy n v m tr ng công bố. Ô nhi m bụi vào th i

gian vừa qua, th i có nh ng biến ng, c bi t là s tăn nồng

bụi PM2.5. Kết quả quan trắc từ các Tr m quan trắc không khí t ng cho

thấy tron u năm nồn bụi PM2.5 trung bình 24 gi c a m t số

n y ã v t gi i h n cho phép c a QCVN 05:2013/BTNMT [10]. V quản

l n uồn ất xả t ả y r n m m tr n ở t m n n u

bất p nên vi n n u t n số m tr n , n t n n y

r n m n ằm bảo v m tr ng sốn là c n thiết. Ô n m k n k í

yếu o n uồn ín m t l o vụ n ở t n n ly, o t n

m t tr t o r n lo n t n p n t n k í quyển, h l o o t

n t n n tr ất v on n y r n k , bụ bố l n k í

quyển

Ở t m, ã ơn trìn , t n n u k o v lĩn

v m tr n , b ến k í u tron m t số nghiên u v k

t u t o x k n t ếp xú . Lidar là m t trong nh ng t ết b uy n ụn .

Vi c s dụn k thu t quang ph , n t v công ngh thông tin cho

phép ng dụng Lidar o tr n v t lý c a khí quyển v phân

giải cao theo th i gian và không gian [1],[2],[4]. y nay, Lidar ã trở thành

m t công cụ không thể thiếu ể nghiên c u b ến k í u n un v v t

lý khí quyển n r n . Lidar có khả năn o, n g v p n tí m t

c a bụi, sol khí (aerosol), ozon... hay các lo i khí thả c h i gây ô nhi m

n Th y ngân, SO2, NO2, Benzen... [12],[26],[48]. Hi n nay, ở n c

tiến tiến n Pháp, M , c, Nga, Trung Quốc, o n, l rus u

n n u v chế t o nhi u h thống Lidar ể nghiên c u khí quyển

[35],[83],[65] ron quố p n , Lidar n ể phát hi n k í c, máy

bay tàng hình v v t t ể b y k n n l ( ). Trong hàng không dân

dụng và quân s , Lidar n ể phát hi n s biến i c a các luồng gió, o

cao c a tr n mây, các t n m y t o o ể bảo ảm cho các ho t

ng an toàn bay [14],[28],[69].

Cục Khí quyển v ơn n v i Công ty hàng không Michigan

(M ) xây d ng và th nghi m h thống theo dõi th i tiết bằng Lidar ở cả trên

m t ất và trên máy bay. H thống cho phép giám sát nh ng b ến ng c a

các h thống th i tiết l n và d o n các dòng khí c a chúng, từ r

nh ng d báo th i tiết tr c v chính xác cao.

Ở o n (Trung Quốc) ng dụng Lidar ể o c, nghiên c u phân

bố nhi t khí quyển, tín ất v t lý c a mây t ng cao, sol khí và bụi có

nguồn gốc sinh h n cháy rừng, canh tác nông nghi p. T i Pháp, thành

phố on v tr n i h c Lyon ã n u năm n n u v ô nhi m

không khí, sol khí [4],[58].

Ở t m, tr c nhi u nhu c u ng dụng k thu t Lidar phục vụ các

mụ í qu n s , nghiên c u m tr ng và d b o k í t ng th y văn H

Lidar ã c nhi u ơ qu n nghiên c u, p t tr ển v n ụn quan tâm.

M t số ơ qu n n n V t l u, Vi n V t lý t u n n l m

o v n n t m,Vi n V t lý K thu t (Vi n KH&CN Quân

s ), n V t l k t u t ( r n B k o ) b u ã

nh ng nghiên c u và phát triển h Lidar ch yếu ng dụng cho nghiên c u sol

khí và m t v ng dụng khác [1],[3],[4],[9].

y nay, Lidar c s dụng khá ph biến trên thế gi i. Tuy nhiên v

giá thành cao, chi phí v n hành l n cùng v i s ph c t p trong k thu t xây

d ng h t ốn và th i gian quan trắc dài v n là nh ng trở ng ối v i nh ng

n m n v ti m l c kinh tế và k thu t n t m [94] o ,

vi n n u t ết kế, ế t o và tích h p p n n ; xây d ng p n m m

o, t u t p v x l số l u m t h Lidar n o n n u khí quyển ở

Vi t Nam là m t nhi m vụ n ĩ k o c trong nghiên c u ơ bản,

tron k t u t n t , t n v tron o t o phát triển n uồn nhân l c

chất l ng cao trong lĩn v l n qu n

: mụ í ín :

T xây d ng, tích h p c m t h Lidar quan trắc sol khí c tố u

v nhi u m t n : mo ul p n c ng tích h p l a ch n và chế t o c

kiểm ch ng bằng ph n m m mô ph n t o p ơn trìn r; p ơn p p

hi u chỉnh h thốn ể t p ép o nh y cao; p n m m o, t u

t p v x l số l u;

n o chính xác k tín cao l p biên khí quyển từ số li u o

c a h Lidar c xây d ng; t í ểm o k ểm n v x lý số li u t k u

Đố . H r qu n trắ sol k í thông qua v n n u

vấn s u

M p n t n số k t u t p n t ấu t n r n ằm

k ểm n t n số k t u t l n khi t ết kế ể ế t o v

tí p m t r. H u ỉn p n n r ể tín u t n x

p ản ồ t u nằm ở ín (trung tâm) kín t n văn P ơn

p p u ỉn n y sẽ tăn tỷ số tín u n u (SNR) v n n o n y

r. T n uyển ế o t o số t n số m tr n

o n n t , ẩm, m y v m úp o o t n r l n

o t. Kết p r v tr m o tr n m t ất k ể n n u

sol k í [11],[19]. S ụn t u t to n ể x l số l u r o , p ụn

x l số l u r o sol k í t

. K t u t n t , qu n v t n .

N uy n tắ o t n r t ơn t n r r [12]. r s ụn b

x l s r, ồn t s ụn k t u t qu n p v qu n o p ép o

t n số v t l tr n k í quyển t o k n n v t n

v p n ả o [2],[4]. u ết r u n uy n l ấu t o

ồm bốn b p n sau: p n t n ất r l m t t ết b l s r;

p n t l m t k ố t u qu n b o ồm kín t n văn, p n l , b

p n ...; p n t b l b t u n n tín u t n x v p ản x ún

t n n ốn n n qu n n ( ) số k uế rất l n,

n tố t ấp v n u n o ốt t l ( oto o Avalanche)

n v b s n tron m n ồn n o i [2],[4],[7],[42]; p n t

t t ốn Lidar l m t n t p t p n ằm k uế tín u từ

lố r ốn n n qu n n ( ) o ốt t l ; c p n m m

chuyên ụn t n v o, t t n số k t u t k ố , t u

t p v x l số l u.

T k

 Nghiên c u thiết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắ sol k í tron

k í quyển v i n i dung:

Kiểm tr v n t n số k thu t các modul ph n c ng tích

h p h Lidar từ kết quả ch y ơn trìn m p n p ơn trìn r

tr k ế t o;

Quy trình hi u chỉnh h Lidar v b c hi u chỉnh cụ thể có tính

to n v o c nhằm giảm b t th i gian hi u chỉnh thiết b trong khi chế t o,

th i gian chuẩn b o và tăn nh y thiết b ;

ơn trìn o, thu th p số li u và các ế o p p v t n số

u v o v m tr n o (n t , ẩm, m y v m ); chế o kết p

v tr m o k ể ả quyết p ép o p t p tron k í quyển

 Xây d ng ph n m m o, thu th p và x lý số li u và xuất p ơn p p

tín cao l p biên khí quyển từ số li u Lidar v i n i dung:

Ph n m m o, t u t p và x lý kết quả o m y v sol k í tron k í

quyển t o t n t v p n ả cao trong không gian (1-3m);

P ơn p p x n tr ãn nở tố u trong tính biến i

Wavelet hi p p ơn s ; t u t to n, ơn trìn tính o bằng

biến i Wavelet hi p p ơn s (WCT) từ số l u r t u p ụn

x n o l p b n khí quyển t .

H Lidar thiết kế chế t o d a trên các giải pháp k thu t n P n m m

m p n t n số k t u t modul p n n , p ơn p p u ỉn

r ể n n o n y p ép o, c ế o p p v t n

số m tr n o v tín năn k thu t t ơn ơn v i m t số h Lidar

c n c ngoài.

un ấp l u o sol k í ã x l n o , y

qu n ( ) ể s ụn o tín to n, u ỉn ản ởn sol k í

t ản v t n [37],[79] n l u n y n n ể y m ìn

v n uyển sol k í v ả quyết b to n k v t l k í quyển

[18],[47].

Lidar t ể n n r n v s ụn o p ơn k n u t

t m phục vụ cho n t b o k í t n , n p v b ến i khí

u, p n ốn v ảm n t n t .

r n n u t ết kế và chế t o tron n c sẽ u ểm là

n tron t ết kế, p t tr ển, bảo trì, bảo ỡng và s a ch a. Hơn n a giá

thành bằn so v i thiết b nh p ngo i nên phù h p v u ki n kinh tế

Vi t Nam.

mụ í , tín m v k o n n trên lu n n sẽ

ấu trú gồm các n un ín n s u

C ơ I: T ố Lidar l .

C ơn n y trìn b y ấu trúc, thành ph n khí, thành ph n sol khí cấu

thành nên l p khí quyển b o qu n tr ất. T ng quan v p ơn p p v

t ết b qu n trắc sol khí trong khí quyển bằn thiết b Lidar. xuất m t số

vấn n n u m : Kiểm ch ng t n số k t u t ph n c ng

r o sol k í bằn p n m m m p n theo p ơn trìn r; p ơn

p p u ỉn t ốn r ể n n o tỷ số tín u n u; t t

n ế o p ụ t u t n số u v o m tr n o (

và chế o kết h p; t u t to n v ơn trìn x l số

l u r, tín o l p b n k í quyển từ số l u r

C ơ II: ơ l Lidar.

ơn n y trìn b y l t uyết quá trình v t l tán x n ồi và không

n ồi, tán x Mie - Rayleigh xảy ra gi t ơn t p oton n s n v

các phân t khí; cấu t o, ế o t n v n n yếu tố k t u t ản

ởn ống n n qu n n ( ); cấu trúc, nguyên lý ho t ng và các

khối cơ bản cấu thành m t h Lidar o sol khí; m ìn to n u

n v t l tron r bẳn p ơn trìn r

C ơ III: ơ t k , ch t o và tích h p h Lidar quan tr c sol khí tố

ơn n y trìn b y bài toán xây d ng h Lidar th c tế ể quan trắc sol

khí c a Vi n V t l a c u; thiết kế r qu n trắ sol k í; c ơn trìn

m p n t n số k t u t ể kiểm ch ng p n n l a ch n và t chế

t o r; chế t o r qu n trắ sol k í t o t n số k t u t

p n n c l a ch n và t chế t o; xuất quy trình k t u t u ỉn

l r n ằm n n o tỷ số tín u n u ( ), n n o n y

Lidar; xây d ng ph n m m o và thu th p số li u; các chế o t o

thông số m tr ng.

C ơ IV: Xây d ng ph n m m x ơ H N

ơn n y trìn b y p n m m x l số l u o r n n

u, ế t o v o n t n t n t l u - o n uố t,

tron năm , và 2018 n o l p b n k í

quyển ở t m t số t ểm năm , và bằn số

l u o r t n qu p ơn p p b ến v l t p p ơn s v

xuất tr ãn nở l n ơn o bằn m o t ốn r n n

u, t ết kế v ế t o

C ơ I T ố Lidar

Khí quyển c r ất là l p k í b o qu n r ất c gi l o l

hấp d n c r ất. T ng khí quyển bảo v s sốn tr n r ất nh s hấp

thụ các b c x c c tím c a m t tr i, làm nóng b m t r ất qua hi u ng

nhà kính và làm giảm s khác bi t v nhi t gi b n n y v b n m

T ng khí quyển c phân thành các l p riêng bi t Hình 1.1. T ng khí quyển có khố l ng khoảng 5.1018 kg, ba ph n t k ố l ng này t p trung ở

khoảng 11km tính từ m t ất. L p khí quyển càng m n k cao càn tăn ,

không có gi i h n rõ ràng gi a t ng khí quyển và không gian bên ngoài.

t n t n o cao 100 km là ranh gi i gi a t ng khí quyển và

không gian bên ngoài [7].

H 1.1 Cấu trúc c a t ng khí quyển [7]

í ph biến nhất là khí tơ ếm khoảng 78% khí quyển. Khí ph

biến th hai là khí Oxy, chiếm khoảng 21% khí quyển. Oxy c n cho hô hấp

c a tất cả các sinh v t sốn tr n r ất, từ on n i t i các loài vi khuẩn.

Khí Argon chiếm i 1% khí quyển, nó là m t khí quý rất trơ, nó không

tham gia bất kỳ phản ng hóa h n o u ki n bìn t ng. Ba lo i

khí trên chiếm 99,96% khí quyển. Ph n còn l i 0,04% ch a m t số lo i rất

quan tr n ối v i s sống v k í u r ất tron sol k í Sol khí

(aerosol) l ác h t rắn, l n tồn t lơ l ng tron k n k í n (k , s ơn

m , bụ …) kí t ỡ từ từ vài nanomet (nm) t i hàng chục micromet

(µm). Chúng ta có thể nh n thấy s hi n di n c sol k í k ún l n

thông qua s phân tán và hấp thụ tia b c x m t tr i. Nh ng sol khí này có

nhi u nguồn gốc, có thể là nguồn gốc t n n n từ ất, từ muối biển, từ các

m y t c v t ho n t ể o on n i t o ra từ vi ốt các chất

thải, nhiên li u than, d u trong các khu công nghi p ol k í t ng tr c tiếp

và gián tiếp lên tr l ng b c x c tr ất và khí h u [60],[74] ng

tr c tiếp là các sol khí tr c tiếp phân tán và hấp thụ các tia b c x m t tr i

l m o l p k í quyển ấm l n v b m t tr ất l n , ản ởn tr t ếp

ến k í u tr ất [82] o r , sol khí ở t ng thấp c a khí quyển tác

ng gián tiếp l t y i kích cỡ các ph n t mây, tăn số t n n n n

kết, ìn t n t n n ơn, n ến tăn t n x v p ản x m y

t n n l m n ế s v m v l n kết, kéo t n tồn t

m y v n ăn ản s l n l n t n tron m y t o r t m

[8], l m t y i phản x và hấp thụ b c x c a m t tr i c m y v n v y

t ng lên tr l n năn l ng c tr ất ol k í n t ể gây ra các

phản ng hóa h n kể nhất là phản n t ng phá ho i ozon ở t ng

bìn l u Sol k í c chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nh nhất g i là ph n

t c c nh (nh ơn k oảng 0,1 µm) ch yếu phát sinh từ chuyển i các

ph n t k í n k í 2, NOx và Cacbon h u ơ b y ơ b oxy hóa và

n n tụ l i. Cấp ng kính l n nhất c g i là ph n t thô (xấp xỉ

1µm) c t o ra rất ơ c, gió th i trên khu v c bụi ho c bốc lên từ bụi

n c biển. Gi a các ph n t c c nh và ph n t thô là ph n t nh cỡ , ến

1µm. D n n y c quy cho là d ng tích tụ vì các sol khí ở kí t c này

tích tụ từ các ph n t c c nh v xu ng tồn t i lâu dài trong khí quyển

(vài ngày). D ng này liên quan ch yếu t i tr l n năn l ng tr ất và

biến i khí h u bở t ơn t a chúng v i b c x m t tr i. Sol khí là m t

trong nh ng tác nhân quan tr ng gây ra biến i khí h u, chúng ản ởng

gián tiếp t lĩn v c kinh tế xã h , m tr ng. Vi c nghiên c u

t ốn qu n trắc sol khí là vấn cấp thiết và quan tr ng. S dụng h Lidar

trong nghiên c u khí quyển nói chung và nghiên c u sol k í n r n ã

c nhi u n c trên thế gi i s dụng [1],[25],[34],[52],[56].

Ngày nay nghiên c u t ng ản ởng t i khí h u và biến i khí

h u là m t trong nh ng vấn quan tr ng c k í t n v n y n c

nhi u nhà khoa h c quan tâm. Sol khí là m t trong tác nhân quan tr ng gây

nên nh n t y i hóa h c c a khí quyển, t y i quá trình hình thành mây,

phản x và hấp thụ năn l ng b c x gây nên nh ng biến i trong h thống

th i tiết – khí h u. Từ nh n t ng c a sol khí lên h thống khí h u, gây

biến i khí h u, chúng ản ởng gián tiếp t lĩn v c kinh tế xã h i,

m tr ng. Vì nh n l o n u tr n v t ến hành nghiên c u n n o k ả

năn qu n trắ sol k í l qu n tr n tron n t b o k í t n n

n p n ốn v ảm n t n t ở t m Lidar l m t tron n n

t ết b n n o s ụn tron v n n u, qu n trắ k í

quyển n un v sol k í n r n rất u quả

Hình 1.2 M ng tr m Lidar khu v n m n n u khí quyển

n n y n n l m o v n n t m p t

n n u v n b n , , o n v s ụn r tron qu n

trắ k í quyển ,[2],[4],[7]. ìn 1.2 l m ng tr m Lidar khu v n

Nam Á nghiên c u khí quyển ì v y s ụn r ể n n o k ả năn

qu n trắ sol k í l m t n m vụ tín k o o v p n

t t n

1.1 C ơ khí tr

p ơn p p o sol k í tron k í quyển Hìn 3 có thể c chia

thành lo o tr c tiếp (t i ch ) v o n t ếp (vi n thám) [38] k

thể c phân chia theo kiểu t ết b o n v t ết b o b n n

có thể p n t o p ơn p p o s dụng nguồn riêng c a thiết b ể t o

n uồn b c x (radar, Lidar, vv) v lo n uồn b c x phụ thu c vào m t

nguồn bên ngoài (ph b c x , sunphotometers).

H 1.3 Minh h a các hình th c nghiên c u khí quyển

ơn p p o tr c tiếp l p ơn p p t u t p số l u t n qu

thiết b o c tính c a m u bằng cách tiếp xúc tr c tiếp v i m u o

Ví dụ n t tr m o ở m t ất. Kĩ thu t o n t bằng nhi t kế, o

ẩm bằng ẩm kế, o m t khí, m t sol khí bằng các thiết b lấy m u o.

Th c hi n nhi m vụ lấy m u tr c tiếp ho c gắn các thiết b o v o n

bóng thám không, trên máy bay, tàu th y, tr m n … ể ghi nh n

số li u rồi g i v trun t m l u tr và x lý.

1.1.1 ơ

p ép o tr t ếp ểm l i là các tham số v quang h c, hóa h c

và tính chất v t lý vi mô có thể x nh c ín x , n n n chế là

k n phân giải số li u t o cao, ngo i trừ thiết b o t trên máy

bay, bóng thám không ho c kinh khí c u. D li u o tr c tiếp có các thông số

v kí t c và thành ph n hóa h c c a sol khí, M n t n y, n n

không thể o l i di n cho không gian, th n o phải có s

t ng h p kết quả c a các thiết b o t t i m t ất, máy bay, khí c u và quan

sát bằng v tinh m i t o t n ơ sở cho các mô hình khí quyển nói chung và

sol khí nói riêng. ìn 1.3 l ản m n a các hình th c nghiên c u khí

quyển trên thế gi i. Nh ng nghiên c u này có thể c th c hi n ến toàn b

b u khí quyển. ron n n n n u p ơn p p n n u o

sol k í trong k í quyển ún c th c hi n ở t ết b t tr n m t ất,

trên kinh khí c u (Stratostat), trên máy bay (U-2, WB57) Hìn 4 v b n

bay Hìn 5.

H 4 Ảnh minh h p ơn p p o sol k í tr c tiếp

Hình 1.5 l t ết b o s ụn b n o su bơm k í n ể bay trong

không k í v bu y ở m t ất ể ố n ết b n y m n t o

t ết b o v có thể o sol k í tron k oản t n v [52].

H 1.5 Bóng bay m n t ết b o sol k í

1.1.2 ơ ( )

ơn p p o từ xa có thể kể t l kĩ t u t o x s dụng sóng vô

tuyến – h rada, s dụng ánh sáng – h L r y p ơn p p ụp ảnh v

tinh. Các k thu t o p ép chúng ta nh n biết m t số tr n l

c ối t ng nghiên c u mà không c n phải tiếp c n tr c tiếp ố t ng c n

khảo sát. n ín l u ểm v t tr u tiên c t ết b o x

t trên m t ất hay gắn trên các thiết b ng ho c các v tinh nhân

t o. Bên c n u ểm n i tr v n kể nhất ín l k ả năn p n

giải v th i gian và không gian c a t ết b o ối v i các tham số c n quan

trắc. p ép o b c x trong không gian (Radiometric NOAA-7) có thể

nghiên c u sâu và phân bố kí t c quang h c c a sol khí. ron k í

v tinh n n t o là thiết b duy nhất có ph m vi ph sóng toàn c u, n n n

n ểm l các cảm biến thụ n t tr n ơn p p n y p

dụn o tr n ơn tron u ki n tr tron phân giải thẳn ng

có thể t u t o p ơn p p ấp thụ. M t n ế k l s tr v trí

c v t n o li u v t n t n u ỉn bở p ép o m t

ất v t n n t phân giải quang ph o ơn n

( ải cao) n n n ng h n chế trên v n xảy r ể

t p ép o phân giải v k n n cao t ì p ép o dùng h

Lidar rất t u n l o v un ấp d li u v l p k í quyển n un

v sol khí n r n [31]. H Lidar t ơn t n r r, tuy nhiên có nh n u

ểm v t tr i và là m t k thu t tiên tiến c áp dụng r ng trên khắp thế

gi i cho cả mụ í qu n s v n s . Lidar s dụng các b c x tia c c tím,

tia hồng ngo i nhìn thấy và c n hồng ngo i. Lidar là viết tắt viết tắt c a

Light Detection And Ranging . H Lidar có các cảm biến ch ng cung cấp

d li u phân giải theo không gian và th i gian. Tín hi u Lidar phản x tiêu

chuẩn phù h p trong các khu v c khí quyển s ch, trên t n ố l u v t ng

bìn l u S kết h p c a m t số p ơn p p o o p ép x nh rõ ràng

các thông số v t lý n p ơn p p , tí p ể x l un số l u

t u từ m n tr m qu n kế o sol k í AERONET [89] v m n tr m

L r o sol k í Châu Âu EARLINET [93].

H Lidar quan trắ sol k í t ết kế t o ấu trú ơ bản ồn

trụ (mono-static) ho k n ồn trụ (b -static). Trong cấu trú k n

ồn trụ , t ết b p t bố trí l p v t ết b t u n n v m t

khoản t ơn ối xa và cả u c thiết l p k n u ể

t c m t phân giải nhất nh trong không gian Hìn 6. uồn p t ở

y p ả l n uồn s n l n tụ (continuous wave light). o ấu trú n y p

p v p ép o ở v trí o o t ấp. nh y c r b

n ế o n u từ các nguồn n sáng bên ngoài. ấu trú r n y p t

tr ển v o n n năm trở v tr [12],[58].

H 1.6 ấu trú Lidar t o k ểu -static

n n y, ấu trú r t ết kế Lidar k ểu ồn trụ Hìn 7 là ph

biến. T ết b p t l s r bố trí ở cùng v trí v t ết b t u ểu t ết kế

n y c bố trí t o k n u l m t trụ o hai trục. V i cách bố

trí hai trục, trục c a laser p t v trụ kín t n văn thu l son son v

n u, n n ún m t khoảng cách nào ể tia l s r v o k u

v qu n s t kín t n văn Hìn 7 ối v i bố trí ồng trụ , m tia laser

ng t p í tr c c kín t n văn, xuất hi n song song v i kính thiên

văn và ở ểm a c kín t n văn Hìn 7b. Cách bố trí gi a khối phát

và khối thu Hình 1.7a quyết nh t i tín hi u ghi nh n ở khoảng cách g n c a

h Lidar. Ở nh ng khoảng cách ngắn, kín t n văn k n t ể thu nh n toàn

b tín hi u t n x trở l i mà chỉ m t ph n c a tín hi u laser tán x trở v c

ghi nh n n tín hi u t u t y i theo khoảng cách và phụ thu c

v o tr n n kí t c, hình d n , phân kỳ và thông số k thu t

c kín t n văn, tr ng nhìn khố t u ( ) v k oản a trục

quang c a khối phát và khối thu. Trong h ồng trụ , m l s r p t ồng

trục v i trụ qu n kín t n văn ìn b uy n n bố trí n y

p ả s ồn b tín u rất tốt ể t ể lo n u l n từ n uồn p t

vì n t n y ở ín kín t n văn thu.

H 1.7 ấu trú r t o k ểu ồn trụ [89]

1.1.3 Ứ V N

n qu n trắ (Micro-Pulse Lidar NETwork) l ơn

trìn từ năm , s ụn m n t ết b Lidar ể n n u

p n bố sol k í v m y t o u t ẳn n l n tụ n y m, tron t

gian dài, p ụ vụ n n u b ến k í u và k ểm n m ìn kết quả

o từ v t n n m n n o t n tr m Hìn 8.

Hình 1.8 trí tr m

ụn k t u t o r un ấp kết quả o phân giải cao

(phân giải 7,5m) t v trí m m y theo th i gian th c v o m t Ấn

(Gadanki). D li u phân giả o o p ép p n tí , b o s ìn

t n n n m m y, b t l m y n n o l p b n

k í quyển t o t i gian th c bằng cách s dụn số l u o sol k í

Lidar [88].

Ở k rt (Indonesia) m t thống m ng tr m r v ế t n x

ã t n m từ năm n v n l t ốn qu n trắ

bằn oson n c th c hi n trong cùng th n ã o t ấy s

t y i c a cấu trúc l p b n v s l u t n b ển - ất li n ã c quan

s t rõ r n tron o n n y Các l p sol k í c quan sát phía trên l p

ranh gi i ở cao từ ến 5km [68].

V N

Lidar s ụn trong d b o úng ng p, tri u ng do Sở Khoa h c và

Công ngh Thành phố Hồ Chí Minh triển khai v d án ng dụng công ngh

Lidar xây d ng mô hình 3 chi u phục vụ quản l t thành phố. Khi hoàn

tất d án có thể x nh chính xác cốt n n thành phố, ồng th r t n

tin cảnh báo, d b o ín x n uy ơ b ng p ể n i dân ch n ối

phó [4].

H 1.9 Ảnh h Lidar t i Vi n V t lý, Vi n Hàn lâm KH&CNVN

Nghiên c u sol khí bằng h r ã m t số ơ sở n n n t ,

Vi n thông (Vi n KH&CN Quân s ), Vi n V t l a c u, Vi n V t lý (Vi n

Hàn lâm KH & CN Vi t Nam) ở Hìn 9 v n t l ( r n

k o ) ở ìn 1.10 b u ã n ng nghiên c u và phát

triển h Lidar ng dụng cho nghiên c u sol khí và m t số ng dụng khác tiếp

c n Lidar [1],[2],[4],[7].

H 1.10 Ảnh h Lidar LSA-2C, r n i h c Bách Khoa Hà N i

1.2 C ,

1.2.1 T :

ăm - 1995 t i phòng thí nghi m v t lý Ahmedabad – khoa v t lý

ng dụng thu tr n i h b n ro ã n n u và phát triển

v v o s dụn o r b c sóng s dụng là 532nm là hài b c 2

c b s n ơ bản nm s r c phát thẳng lên khí quyển v i góc nghiêng 450. M t kín t n văn n s r n ng

kín m ể thu tín hi u t n x từ o t ấp v m t kín t n văn n

kín m n ể o n t t b l c nhi u b c sóng trung tâm

532nm, băn t n nm c s dụn ể giảm nhi u n n. Tín hi u t n x

s u k qu b l c sẽ c thu th p ở u vào ống n n qu n n (PMT),

tín hi u ở u ra PMT ến b x lý số li u (Stanford Research Systems)

[12]. Ở y tác giả b b o k n c p ến vi c thiết kế, chế t o h Lidar từ

các modul ph n c n v n k n c p ến các chế o k n u

ăm - tr n i h a v t lý và Hành tinh ở Manoa,

Honolulu, Hawai nghiên c u và phát triển v v o s dụng h Lidar nh

ể o t n x sol khí. Trong ph n thiết kế h Lidar, bài báo chỉ c p ến sơ

ồ cấu trúc h Lidar t o k ểu ồn trụ Hình 1.11a và ảnh c a h thốn ã

c chế t o v i các modul ph n c ng Hình 1.11b.

a b

H 1.11 ơ ồ cấu trúc (a), ảnh h Lidar (b) t tr n i h a

v t lý và Hành tinh t i Manoa, Honolulu, Hawai

H Lidar này s dụng laser phát có buồng c n ởng lo i Nd:YAG, ho t ng ở chế xung v i t n số 20Hz, công suất phát 20 mJ t b c sóng chính 1064 nm, 12 mJ t b c sóng 532nm và 7 mJ ở b c sóng 355nm. M t kín t n văn n kín , m ể thu tín hi u laser t n x v n kín m t l s r k oảng mm v p n kỳ 1 mrad ở b s n nm và 1,5 mrad ở b s n nm s r c gắn ở phía bên c a kính thiên văn v lăn kín n c s dụn ể ng chùm tia laser vào trung t m kín t n văn, ấu trú L r n y l m t h thốn ồng trục. Tín hi u phản x s u k qu b l c sẽ c thu th p bở u vào ống n n qu n n PMT lo ối v i thu tín hi u phản x khi dùng laser phát b c sóng 532nm và dùng lo ốt t l n n tín hi u phản x khi

dùng laser phát ở b c sóng 1064nm. Tín hi u t u ến o n k Tektronix lo bít ể t u t p và x lý số li u u r o n k ktron x kết nố v m y tín qu n nố t ếp ết quả x lý tín hi u sẽ cho ra các thông số v chi u o, dày c a mây và sol khí [54].

Tuy nhiên mô ph ng các thông số k thu t modul ph n c ng theo p ơn trìn r tron t ết kế tr c khi chế t o h L r tr n ã k n c c p. Các chế o k n u p p v i các thông số m tr ng o và chế o kết h p ể chia sẻ số li u v i các tr m o k í quyển khác ở m t ất n k n t ra ở h Lidar này, chỉ có chế o tron u ki n b u tr i trong.

ăm tác giả Hyo Sang Lee và các c ng s công bố sáng chế t i M [49] v h thống Lidar k thu t số ng v i 67 ểm bảo v v h thống n hành ph n c a h thống gồm có laser xung, kín t n văn, thu tín hi u phản hồi x lý k thu t số; trong số các ểm bảo v c a sáng chế này k n ểm bảo v v mô ph ng các thông số ph n c ng trong xây d ng h thống Lidar.

ăm t ả Hyo Sang Lee và các c ng s l i công bố sáng chế t i M [50] v h thống Lidar k thu t số ng nâng cao v ểm bảo v . Tron t ả sáng chế t m ểm m i v kết nối nguồn phát laser v i cáp quang. uy n n n n s n ế năm ểm bảo v c a sáng chế n y k n ểm bảo v v mô ph ng các thông số ph n c ng trong xây d ng h thống Lidar d a trên p ơn trìn r

ăm tác giả David S. Hall, Los Altos Hill công bố sáng chế t i M [26] v h thống Lidar chính xác cao v ểm bảo v tron cấu trúc h gá có thể lắp t c nhi u lo i laser và ống n n qu n n; h có cấu trú qu y k o v i tố thấp nhất 200 vòng/phút. Sáng chế này k n ểm bảo v v mô ph ng các thông số ph n c ng tích h p trong chế t o h thốn r chính xác cao d t o p ơn trìn r

T un , o n ã x y ng h Lidar hai kênh dùng cho nghiên

c u sol k í (m y – rrus lou ) ìn 12.

Hình 1.12 Cấu trúc h Lidar t un , o n

H này ho t ng d a trên tán x yl ; s r c dùng là Nd:YAG

phát thẳn n lên khí quyển ở b c sóng 532nm. Kính thu (telescope) là

d n wton ng kính 45cm. Tín hi u t u s u k qu b l c

tách hai kênh phân c và p n n n . Các tín hi u n y c

khuyế i bằng hai ống nhân quang n ( ) v ến thiết b x lý tín

hi u k n o p ép p n ả ến 24m [1]. Theo n i dung bài báo, cấu trúc

h Lidar này theo kiểu ồng trục. Ph n thiết kế h lidar từ các modul ph n

c n n n v c chế t o và chế o k n c p.

Trung tâm nghiên c u m tr ng c a Academia Sinica hi n n s

dụng h Lidar Raman do Hãng Raymetrics - Hy L p chế t o ể nghiên c u

tr n v t lý c a sol khí và bụi có nguồn gốc sinh h n y rừng, canh

tác nông nghi p. H Lidar này s dụng laser YAG Nd có công suất o, năn

l ng xung 200 mili Joule/xung ở b c sóng 532 nm và khoảng 70 mili

Joule/xung ở 355 nm. Anten thu quang h c là m t kín t n văn lo i

ss r n ng kính 40 cm. H n t thu tín hi u Lidar gồm k n ể

thu tín hi u ở 532 nm (phân c c d c và phân c c ngang), tín hi u Lidar ở

355nm, tín hi u tán x Raman o k í tơ ở nm ron u ki n th i tiết

tốt h Lidar này có thể t u c tín hi u do tán x Mie/Rayleigh ở 532nm hay

355nm từ khoản km v o tín u tán x Raman từ k í tơ ến

khoảng cách 5-6 km [4]. H Lidar s dụng ở y l sản phẩm t ơn m nên

thiết kế cấu trúc t ốn , thông số k thu t modul ph n c n ể tích h p là

bí m t công ngh c a công ty n n n i s dụng không biết.

H Lidar Hình1.13a là thiết b thu c m ng tr m MPLNET c a NASA,

ho t ng ở chế Rayleigh. Bên c n p ép o r n i mây thì số li u

MPLNET còn có thể n ể x nh m t cắt ngang tán x ; dày quang

h c c m y; cao l p biên khí quyển; h số suy giảm v dày quang h c

sol khí. Thiết b bao gồm m t h kín t n văn ồng trục có tác dụng thu tín

hi u tán x v , phát tín hi u là m t laser Nd-YLF phát ra xung ánh sáng công

suất 6 - 8 mJ v i t n số xung 2500Hz ở b c sóng 532 nm. Tín hi u c ghi

theo chi u thẳn ng. Lidar n y ã ho t ng t i Hà N i từ tháng

11/ ến tháng 11/2012, th c hi n o t ng liên tục 24 gi trong ngày.

Số li u Lidar trong m n y l u i d ng file netCDF v phân

giải theo u t ẳn n 75m và theo th i gian là 1phút. H r n y ã s

dụng t i n t l u n từ v n n , o v t các thông

số k thu t u do các chuyên gia c a NASA th c hi n. r này l sản

p ẩm t ơn m n thiết kế cấu trúc h t ốn , thông số k

thu t modul ph n c ng tích h p u là các bí m t công ngh o sở u

k n uyển o. ì v y các chuyên gia tuy t ối không tr o , thảo lu n

v n i dung này.

ìn 13b l Lidar n s ụn l s r p t l lo

b s n p t ( nm, nm v nm) t n số xun l s r l z, o t

n ở ế n n ắt n n ( - Switching). qu n t u s ụn

m t kín t n văn n kín mm v s ụn p s qu n o p n

truy n tín u o t ống n n qu n n ( ) [54].

) r o ố n b) r o ng

H 1.13 Ảnh h Lidar do NASA chế t o

Hãng Photonics Technology Obninsk (LB Nga) hi n cung cấp thiết b

Lidar LSA-2C Hình 1.14 v i các thông số k t u t: Nguồn phát laser Nd:

năn l ng xung c i khoảng 100 mili Joule/xung t b c sóng

1064 nm và 50 mili Joule/xung t b c sóng 532 nm. Laser có t n số l p l i

z v r ng xung 5 nano giây. Anten thu quang h c c a h Lidar là m t

kính thiên văn lo ss r n kí t c 25cm. H t u qu n n t gồm

hai kênh ho t ng ở chế o t ơn t , cho phép thu tín hi u tán x t i hai

b c sóng laser ở 1064 nm và 532 nm. Thiết b Lidar LSA-2C này có thể o

c tín hi u tán x trở v từ khoảng cách tố km n y o p ép o

phân bố trong không gian c sol k í v x nh m t số thông số v t l n

kí t c h t trung bình. H Lidar LSA- n ể phát hi n cháy rừng,

nguồn phát tán sol khí [4]. H r n y ã s dụng t i Vi t m (tr ng i

h c Bách Khoa Hà N ) n ãn ỉ cung cấp tài li u v n n , ơn

trìn o v x lý số li u. V t l u thiết kế cấu trúc t ốn , thông số k

thu t modul ph n c n ể tích h p u không có bất c thông tin nào từ nhà

sản xuất.

a b

H 1.14 Ảnh (a) và (b) h Lidar LSA-2C

Trong m t số b b o quốc tế (2019), n un n n u ã p ến

m p n thông số k thu t p n n r n m ồn p

qu n trong p ơn trìn Lidar, so s n kết quả y ơn trìn m

p n v kết quả o t n m [16]. S ụn p ơn trìn Lidar ể m

p n tín u r p ản ồ v v so s n kết quả m p n v t

n m. uy n n y ỉ là các mô ph ng ơn lẻ từ m t ến hai thông số k

thu t modul ph n c ng trong t ng thể nhi u thông số k thu t modul ph n

c ng tích h p h Lidar, l n qu n ến p ơn trìn r

1.2.2 V N

Nghiên c u thiết kế, chế t o h Lidar quan trắc sol khí nhằm mục tiêu

nghiên c u, o c và phân tích thông số sol khí từ xa, kết h p v i nh ng b

số li u o bằn p ơn p p o k ể n c s t y i khí

h u, m ô nhi m c m tr ng, phục vụ cho các mụ í n n n quốc

phòng và kinh tế xã h i là m t n m vụ khoa h c.

t n u t ết kế, ế t o r n ụn tron o

t n số k í quyển mã số KC.01.21/06-10 o uy n ế ếu [4]

v t ết kế k t u t Lidar làm vi c v l s r b c sóng phát 1064 nm

và 532 nm. H thu và máy tính phân tích, x l , l u tr số li u ho t ng ở

b c sóng phát c a laser YAG-Nd là 1 nm v nm u thu lo i

p oto o t l ( ) n o b c sóng 1064 nm và ống nhân

qu n n ( ) n o b c sóng phát 532 nm Hìn 1.15.

H 1.15 Ản Lidar c tài KC.01.21/06-10

ron n un t ết kế chế t o h Lidar có nêu các thông số k thu t

c a h Laser YAG-Nd Briliant, cách gá và tinh chỉnh h phát và h thu c a h

Lidar. V m p n t n số k t u t p n n tí p h thống theo

p ơn trìn r o n to n c p trong báo cáo kết quả. Ph n

n i dung kết quả th nghi m h thống Lidar có ph n u chỉnh chùm tia laser

vào th tr ng c kín t n văn uy n n p ơn p p v quy trìn u

chỉn k n c trình bày trong báo cáo; n un n y t r

m t quy trình hi u chỉnh gi a b p t t l s r v kín t n văn ể thu tín

hi u tán x l n nhất. V chế o t ã hai chế o n y v o m

còn ở các chế o k p ụ thu c vào các yếu tố m tr n o v ế

o kết h p v i các tr m o k í quyển m t ất k t ì c p.

u n n t ến sĩ c a tác giả ăn ải v ụn k t u t r

n n u tr n v t l sol k í tron t ng khí quyển năm

n n u xây d ng, phát triển m t h Lidar nh s dụng laser diode công

suất cao phát b c x nm v u thu APD quan trắc l p sol khí t ng thấp

i 10km [3]. Trong n un n n u n y, không p ến n un

m p n t n số k t u t mo ul p n n tron p ơn trìn r

khi xây d ng, phát triển h Lidar. X y n ế o p p v t n

số môi tr n v kết p v tr m o k í quyển k n

n n u.

u n n t ến sĩ c a tác giả Nguy n Xuân Tuấn v n u v p t

tr ển k t u t r n ụn k ảo s t p n bố n t v m t k í quyển

năm [9]. ron ơn n v ết p ến t ết kế v p t tr ển

Lidar v n un : tả o t n , n t n y v n n

Lidar. Tuy nhiên n un m p n t n số k t u t r

k t ết kế v p t tr ển r p. Ph n tố u o ấu hình

h r c p ến ph n hi u chỉnh trục quang c a chùm laser và trục

quang c kín t n văn ể làm giảm hi u n t n x trong thu tín hi u

r uy n n p ơn p p v quy trìn u chỉnh c nghiên c u.

Từ phân tích các nghiên c u thiết kế, chế t o Lidar v giá thành, chi

phí v n hành h r o sol k í tron n c và trên thế gi i. ả nh n

thấy rằn n o n to n tron t ết kế, ế t o và tích h p p n n

Lidar là c n thiết. C ơn trìn m p n t n số k t u t mo ul p n

n tí p t o p ơn trìn r giúp kiểm ch ng t n số k t u t

ph n c n tr c k ế t o ết l p quy trìn u ỉn n n o n y

h o; x y n ế o p p v t n số m tr n v kết p

v tr m o k í quyển k úp o t n r u quả ơn là

nh ng n i dung m i rất n n n u.

1.3 ơ x cao l p biên khí quy n b ng số li u Lidar.

ụn r n ằm x n u cao c a l p b n k í quyển ã

t n ở n u n tr n t ế gi i [72],[94] o l m t

biến số quan tr n tron m ìn b o k í u và ô nhi m không khí. Do

v c quan trắ cao LBKQ v phân giải cao theo chi u thẳn ng

và theo th i gian là c n thiết [66].

3 T

ron s ụn số l u r ể x n o l p b n k í quyển [23].

Tác giả Vanessa Caicedo và các c ng s n u r b p ơn p p ể tính

cao l p biên khí quyển ơn p p r nt, p ơn p p p n tí ụm

(cluster analysis) v p ơn p p Wavelet_Haar s dụng số li u từ thiết b o

Vaisala CL31. Kết quả cho thấy p ơn p p Wavelet_Haar có kết quả tốt.

Tuy nhiên ở m p ơn p p n n u ểm v n ểm nhất nh.

Trong bài báo p ơn p p Wavelet_Haar k n x n ín x tr

ãn nở m ch n giá tr giãn nở a ng u nhiên l k k ăn p ơn

pháp này. Ví dụ v tín hi u o m giá tr giãn nở a n bằn 30m.

P ơn p p v l t ể x nh chi u cao l p ranh gi i khí quyển

(ABL) từ các tín hi u Lidar [61],[80] ơn p p biến i Wavelet hi p

p ơn s ( ) c s dụn x nh s biến thiên trong các tín hi u

L r o c. S dụn p ơn p p n y, chi u cao l p ranh gi i khí quyển

sẽ phụ thu c vào giá tr giãn nở a. Tuy n n x nh giá tr giãn nở a cho

thu t toán Wavelet k n c p ến tron b b o n y.

Nghiên c u s dụng phép biến i Wavelet hi p p ơn s ể x nh

cao l p biên khí quyển từ số li u tán x v c a h Lidar bằng cách tìm giá

tr l n nhất trong p ơn p p biến i Wavelet hi p p ơn s . Kết quả cho

thấy s phụ thu c n kể v o giãn nở a tron x nh cao l p biên k í

quyển. M t cách tiếp c n khác c phát triển bằng cách s dụng nhi u giá tr

giãn a. Cách tiếp c n này cho phép thu th p thông tin chi tiết ơn v cấu trúc

c a l p biên khí quyển từ số li u l r o c [51].

ơn p p W v l t c áp dụng cho x l số l u Lidar hồng

ngo i ể x nh cao l p biên khí quyển. ơn p p này cho phép t o

ra s biến k n n phân giải cao l p ranh gi i khí quyển và các

cấu trúc khác nhau trong b u khí quyển ph c t p nhi u l p. ơn p p này

c kiểm ch ng bằng cách s dụng số li u từ bốn h thống Lidar khác nhau

v c t t trên bốn a ểm khác nhau [59].

V i h Lidar do NASA chế t o Hình 1.13 số li u t u n

gói theo d ng chuẩn NetCDF. Số li u thu c chia thành tr ng d li u

k n u ối v i d ng chuẩn NetCDF v tr ng d li u v i d ng

chuẩn NetCDF 1.5. Số li u ở d ng chuẩn t t ì r t n số

cao l p biên khí quyển ( _ t) uy n n y l p n m m n

k m v i thiết b o chuyên dụng nên không có thông tin v thu t toán x lý

số li u Lidar o .

H t ết b r -2C do Hãng Photonics Technology Obninsk (LB

) un ấp ìn 4 ụn p n m m lu x k m v t ết b

ể y ở ế o t ơn t ơn trình ồm năn : T ết l p

t n số o qu trìn o; k ở n o ừn qu trìn o; b ểu n

l u từ u v o b uyển t ơn t - số n ồ t ; l u l u

v o ĩ n m y tín ; ển t l u l n o tr ron kết

quả p n m m lu x có số l u: ín u t n x Lidar n n v bìn p ơn k oản (z) z2 ; h số t n x n t b s n nm v

1064 nm; tỷ số L r t b s n nm v nm; tỷ số số

t n x n k n 1064 nm và kênh 532 nm; m t k ố ; b n kín u

ụn ; h số suy hao do sol k í t b s n nm. Tuy nhiên kết quả

o l p b n k í quyển từ số l u Lidar o ã k n tính toán.

1.3.2 V N

t n u t ết kế, ế t o r n ụn tron o

t n số k í quyển mã số KC.01.21/06-10 o uy n ế ếu [4]

ch nhi m. Trong các n i dung c tài có nghiên c u ph n m m thu nh n

và x l tín hi u trong các chế o. Ph n m m này có các ch năn Ch n

ch năn o; t ết l p chế o; chế ơn k n ; o ế k n v mở

file số li u x lý. Ở chế mở file số li u, c ơn trìn o p ép k ểm tra kết

quả, ồng th i cho phép th c hi n m t số tín to n ơn ản. Ở y t

c p ến p ơn p p, t u t to n tín cao l p biên khí quyển từ số

li u Lidar o c.

u n n t ến sĩ c a tác giả ăn ải v ụn k t u t r

n n u tr n v t l sol k í trong t ng khí quyển năm [3].

Trong mục x lý tín hi u Lidar ở ơn có m t số n un ã c

nghiên c u: Chuẩn hoá tín hi u; x nh hàm chồng ch p tr ng c a h

Lidar; x n o ỉnh l p sol khí b m t và l p mây Ti t ng cao; xác

n sâu quang h c c a sol khí phân bố trong khí quyển; x nh h số

suy hao tr c tiếp từ tín hi u m n; x nh h số tán x n c c a sol khí

từ tín hi u r n ồ ; x nh tỉ số Lidar c a sol k í; x nh tỉ số kh

phân c c c a sol khí. N un x n cao l p biên khí quyển từ số li u

r o c p.

u n n t ến sĩ c a tác giả Nguy n Xuân Tuấn v n u v p t

tr ển k t u t r n ụn k ảo s t p n bố n t v m t k í quyển

năm [9]. Trong n i dung x lý d li u r ã trìn b y t u t giả o

nhi t từ số li u o r n ồi - Ramam kết h p ở tron ơn i

dung nghiên c u cấu trú v tr n k í quyển t i Hà N c trình bày

tron ơn ỉ c p ến nhi t t i t n ố l u v t n bìn l u. N i

dung x n cao l p biên khí quyển, p ơn p p, t u t to n ể tính

cao l p biên c n n u.

Từ phân tích các n i dung nghiên c u tron n c và trên thế gi i v x

l số l u r t u . Khai thác có hi u quả số li u o từ h Lidar l

nhi m vụ quan tr ng, giúp nâng cao hi u quả c a thiết b o xuất p ơn

p p x n cao l p biên khí quyển từ số li u Lidar bằng biến i

Wavelet hi p p ơn s v i giá tr giãn nở a x n là m t n i dung m

tron n ụn r qu n trắ sol k í t t m

ơ I

ron ơn n y t ả trình bày cấu trúc, thành ph n khí, thành ph n

sol khí cấu thành nên l p khí quyển b o qu n tr ất trong khoản cao từ

0 - 100 km. Nêu t m quan tr ng c a vi c nghiên c u sol khí trong khí quyển

ối v i vấn phòng tránh và giảm nh thiên tai.

p t ng quan v p ơn p p qu n trắc sol khí trong khí quyển

bằng ph ơn p p tr c tiếp v p ơn p p n t ếp. Quan trắc sol khí gián

tiếp bằng h Lidar là m t p ơn p p k o c và hi n i, o p ép o

tin c y o l u o c so sánh d li u o bằn p ơn p p

k n p ơn p p ảnh v tinh, thám không và m y b y c nhi u n c

tiên tiến trên thế gi i và Vi t Nam s dụng.

m k ảo m t số ơ sở nghiên c u n u ở trên Thế gi i và Vi t

m ã n n u, chế t o và s dụng h thiết b Lidar trong vi o t o

nguồn nhân l c chất l ng cao, trong b o k í t ng, thuỷ văn v p tác

quốc tế uy n n y l t ết b ph c t p, lĩn v c nên c n phả t ếp tụ

nghiên c u.

ron n n u v t ốn r tron n v quố tế ã c

t ả trình bày ở trên, có m t số n i dung t ấy c p c bi t là

các nghiên c u t i Vi t Nam:

 Thiết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắ sol k í tron k í quyển tối

u ồm:

- Kiểm tr v n t n số k thu t cuảy các modul ph n c ng

tích h p h Lidar từ kết quả ch y ơn trìn m p n p ơn trìn r

tr k ế t o;

- Quy trình hi u chỉnh h Lidar v b c hi u chỉnh cụ thể có tính

to n v o nhằm n n o tỷ số tín u n u, tăn nh y thiết b .

- C ế o p p v t n số u v o v m tr n o (n t

, ẩm, m y v m ) v ế kết p v tr m o k ể ả quyết

p ép o p t p tron k í quyển

 Xây d ng ph n m m o, t u t p và x lý số li u và xuất p ơn p p

tín cao l p biên khí quyển từ số li u Lidar v i n i dung:

- Ph n m m o, t u t p và x lý kết quả o m y v sol k í tron k í

quyển t o t n t v p n ả o tron k n n ( -3m);

- ơn p p x n tr ãn nở tố u tron tín biến i

Wavelet hi p p ơn s ; t u t to n, ơn trìn tín o bằng

biến i Wavelet hi p p ơn s ( ) từ số l u r t u p ụn

x n o l p b ên khí quyển t

C ơ II ơ

Rất nhi u các quá trình v t lý có liên quan tron p ép o dùn Lidar.

Các quá trình v t lý chính bao gồm tán x n ồ v k n n ồi, s hấp

thụ, hấp thu vi phân, huỳnh quang c n ởng, hi u n oppl r, p n bố

Boltzmann và s phản x từ mục tiêu ho c b m t. H ểu b ết qu trìn n y

ín l ì k o ể nghiên c u h r qu n trắ sol khí.

T x tán x Mie – Rayleigh)

Trong khí quyển tr ất tồn t i nhi u thành ph n v t chất có cấu t o

d ng h t v i hình d n , kí t c khác nhau. Tán x n ồi xảy ra trên các

h t c miêu tả t ng quát theo lý thuyết tán x Mie – Rayleigh, thông

t ng n i ta chỉ g i chung là tán x Mie. V tr ng h p tán x trên phân

t khí – tán x yl l tr ng h p c bi t k kí t c c a tâm tán x

rất nh so v b s n kí t í ron tr ng h p tán x Mie trở v

theo quy lu t c a lý thuyết tán x yl v c g i là tán x Rayleigh hay

tán x phân t . V i các h t kí t c rất nh so v b c sóng ánh sáng

kí t í , n p n t hay nguyên t chất khí trong khí quyển, nh ơn

cỡ 1000 l n b s n n s n nm kí t í , t ì l t uyết s dụng sẽ là

lý thuyết n ồi Rayleigh. V i các h t sol khí t ng tồn t i trong dải kích t c từ 10-8 ÷ 10-2 m thì lý thuyết tán x n ồi tuân theo là lý thuyết tán x

Mie [81]. Trong Hình 2.1 thể hi n s t ơn ng gi kí t c h t tán x và

lý thuyết tán x .

ron

l n kín t

l b s n n s n kí t í

H n x n ồ tr n t kí t k n u

v b s n n s n kí t í

Tán x c phát triển bở ust v , n ã r n m giải

tích cho tán x c a m t b c x v b c sóng kích bất kỳ gây ra bởi m t h t

c u có bán kính bất kỳ a và chiết suất ph c n n o ì v y, tán x Mie

không b gi i h n bở kí t c h t tán x , nó bao gồm cả tán x Rayleigh.

Nói cách khác, tán x Rayleigh là m t tr ng h p c bi t c a tán x Mie và

các biểu th c xấp xỉ g n ún v u ki n cụ thể c a tán x

Rayleigh. Tuy nhiên, thu t ng tán x t n n ể chỉ tán x

bởi nh ng h t kí t t ơn ơn o c l n ơn kí t c c b c

sóng b c x kích thích. Trong Bảng 2.1 thống kê m t số lo i sol khí phố biến

có nguồn gố k n u n p v o k í quyển tr ất có liên quan t i các

quá trình ho t ng c a t n n v on n i. Nó ản ởng tr c tiếp t i

m tr ng sống c a sinh v t n n vấn v th i tiết có liên quan

[22],[35],[76],[78],[85].

B ng 2.1. M t số lo i sol khí ph biến và nguồn gốc hình thành [6]

Các lo i sol khí Ngu n gố m

Sol khí nông nghi p Khí thả , k ốt v t li u nông nghi p

ol k í th m y, un , o t n

ol k í ơn

Nguồn sol khí từ b m t ơn s n góp c a muối và các lo k o n , n t ể là sol khí lụ a th i ra.

Sol khí lụ a

Sol khí có nguồn gố on n i, th ng v t, chúng tồn t i g n b m t c tr ất g n các khu rừng.

Sol khí sa m c Xuất phát từ b m t sa m c có m t l n và phụ thu c vào tố gió ở sa m c.

Tồn t i ở m i bán c u và có nguồn gố l u i có tính lắn ng Sol khí bắc c c và nam c c

Trong Hình 2.2 thể hi n kí t t ơn ng c a nh ng lo i sol khí

ph biến ron ún t ể ý t i nh ng lo i sol khí ph biến nhất l

các lo i sol khí tồn t i trong l p b m t gồm các h t s ơn m v k kí

t c trong khoảng 0,05 - μm t n n n tron m m y t ng

thấp kí t c trong khoảng 1- μm t n t ể băn tồn t i trong l p

mây t n o kí t o ng trong khoảng 500 - μm…v n u

lo i h t sol khí khác [67],[77].

H í t c m t số lo i sol khí ph biến

ể n n tín hi u quang yếu có thể s dụng các photodiode, các ống

n n qu n n ( ) y p oto o t l ( ) i các PMT hay

p oto o t l o t ng trong chế Geiger có thể ghi nh n từng

p oton ơn lẻ, nh y c u thu là rất cao. K thu t ếm p oton nh y

o c s dụng khi tín hi u tán x n c v yếu, ví dụ tron tr ng h p

n tán x yếu (hi u ng tán x m n) y n tron tr ng h p vùng

c n nghiên c u ở khoảng cách quá xa. Số p oton ếm c trong m t ơn v

th n s u k xun l s r p t c ghi nh n l i. Cấu trú v n uy n l

o t n a m t PMT có thể mô tả n ở trên Hình 2.3. PMT là m t ống hút

chân không có c a s quang nh n p oton, p oto t o ối di n v i c a s ,

n c c trung gian (dynode) có tác dụn n n l tron qu n n và c c

ơn no Khi ánh sáng t i PMT thì tín hi u sinh ra ở PMT thông qua

nh ng quá trình sau [40],[48],[73]:

- Ánh sáng xuyên qua c a s vào (faceplate).

- Photon t p vào cathode kích thích qu n n t (photoelectron)

phát x ng t i phía a nốt c a ốn n n qu n n.

- Photoelectron sinh ra từ p oto t o c gia tố v n n ể

p v o n c c th nhất (dynode th nhất) làm phát x ra các electron (quá

trình phát x th cấp) qu trìn n n l tron c tiếp tục l p l i ở các dynode

tiếp theo.

- Cuố n l tron c t p h p sau nhi u l n nhân lên t i anode

ể sinh ra tín hi u ở u ra.

Quá trình nhân electron c u n tr n no , n t ế trên

các dynode sẽ tăn n ảm bảo chênh l n t ế gi a hai dinode liên tiếp

(PMT ở tr ng thái ho t ng) [39],[41],[42].

H 3 ấu trú v n uy n l k uế ống n n qu n n

n uy n l un ấp n p t n s ụn n ìn

Ở y no un ấp n t ế bở m t ãy n trở mắ nố t ếp

n u v nố v n t ế o p (t n tr m) Ở m t số lo

tr n p un ấp t t tr n - ín u u r

sẽ ế l n p v n n t y t o t ết kế m tả r

H n uy n l un ấp n t ế o

Hình 2.5 là sơ ồ m ch n ấu nối bên ngoài và ảnh b nguồn cấp n

áp cao C4900 c a Hamamatsu s dụng cho ống nhân quang n PMT. M ch

p ng nhanh, nhi u thấp, bảo v chống qu n u ra và tiêu thụ n

năn t ấp. n áp s dụng 15V; i n áp ra từ 0V ến -1250V; dòng ra 0,6mA.

Hình 2.5 Ảnh và m ch n ấu nối bên ngoài C4900 [43]

V cấu trúc ơ bản PMT có thể chia làm hai lo i: M t lo i c a s nh n

photon ở p í tr n u c a khối cấu trúc PMT (head–on type) và lo i c a s

nh n photon nằm phía hông c a khối cấu trú (s -on typ ) ìn 6

[40],[41]. Vì v y, u quan tr ng là l a ch n cấu trú ể phù h p v i

u ki n o v cấu trúc khối quang h c c a h o ếu u thu nh n tín hi u

c a PMT có d ng hình ch nh t thì nó phù h p v i các máy quang ph ho c

khi chúng ta c n chuẩn tr c ánh sáng, còn lo i c a s thu nh n là d ng tròn sẽ

thích h p v tr ng h p tín hi u tín ối x ng v k n n u

PMT có khoảng l a ch n r ng v ng kính từ 5 mm ến 120 mm. Tuy

nhiên, nếu chúng ta l a ch n u PMT có tiết di n l n ể tăn n thì tín

hi u nhi u và dòng tố n tăn t o l m ảm chất l ng tín hi u (tỷ số tín

h u tr n n u ảm) o lo , kí t u t u n t n số

k t u t r n a chúng c n c xem xét phù h p ể l a ch n n ằm p n

mụ í , y u u tín tín u khảo s t u y ún t

c p t i m t số t n số k t u t ơ bản v ể l m ơ sở khi l a ch n lo i

phù h p v i mụ í o tín u yếu c a h Lidar khảo sát khí quyển.

H t số lo s n n n s n k nhau

 Hi u suất l ng t (quantum efficiency) c u thu PMT

Hi u suất l ng t c a PMT là tham số n ĩ qu n tr ng bởi nó

quyết nh hi u suất thu nh n (detection efficiency) c a PMT, bằng tỉ số gi a

số qu n n trên số p oton t i m t nh y sáng c u o ì v y c n

l a ch n PMT có hi u suất l ng t cao ng v b s n tr n a

khối phát h r ví ụ n t b c sóng 532 nm.

 Thế p ng và h số khuế i (gain)

khuế i c a PMT phụ thu c vào vi c ch n h số khuế i c a

u thu, tuy nhiên v i h số khuế i tín hi u cao thì nhi u n sẽ c

khuế i v i h số n v y. V t ng quát chúng ta nên ch n khuế i khi ho t ng l n ơn 6, tuy nhiên sẽ còn phụ thu v o r ng

xung tín hi u trở v ống nhân qu n n – PMT bởi th i gian hồi phục c a

m i PMT là khác nhau.

 Phân bố cao xung c a tr n t ơn oto l tron ( )

M k n c nêu trong các catalog c n n l m t

thông số quan tr ng vì nó liên h v i hi u suất x nh m n nh c a

PMT. Vì v y khi chúng ta s dụng PMT cho mụ í ếm photon (v ối

t ng tín hi u c c yếu) chúng ta phả tín ến thông số này xem nó tốt hay

k n , tín n y x nh bằng tỉ số gi n ỉnh và n n.

 Số xung tối (Dark count)

Số xung tối là m t thông số quan tr ng cho vi x nh gi i h n i

c a tín hi u cho mụ í o a PMT. Vì v y PMT có số xung tối càng nh

thì khả năn o tín u yếu chắc chắn sẽ tốt ơn i các PMT có cùng m t

cấu trú n c c thì photocathode càng r n ơn sẽ có số xung tối càng cao

ơn n n nh y n sẽ o ơn ối v v n b c sóng dài. Vì v y ể

tố u u suất o n ể o b s n ơn nm t ì v c

làm l n ể giảm nhi u tối là c n thiết.

 p ng th i gian – Tố ếm c c v phân giải th i gian.

Tố ếm c i c x nh bởi khả năn p ng th i

gian c , phân giải th i gian c a m ch x lý tín hi u v r ng

xung. H u hết các PMT không có vấn v th n p ng khi tố ếm c i lên t i 3x106 (xung/giây) [42].

2.1 N Lidar ố

V nguyên tắc ho t ng Lidar n t ơn t n r r [12], n n

Lidar s dụng b c x laser trong mi n t ngo i, khả kiến và hồng ngo , ồng

th i s dụng các k thu t quang ph và quang h ã o p ép o c

tr n v t lý c a khí quyển theo không gian và th i gian v phân giải cao

[2],[4] u ểm c a h Lidar l phân giả o ơn so v i radar, n nh

ơn v k ả năn t o hình ảnh 3 chi u. Khả năn p n ải không gian có

thể t t i hàng mét và khả năn p n ải theo th i gian rất cao có thể ến

n y y l l i thế ơ bản so v i các công cụ o c khí quyển khác

n b n t m k n vì n ụ này chỉ o p ép o c t i m t số th i

ểm nhất nh và t cao gi i h n khoảng 30 km ối v i bóng thám không

[1],[7].

H u hết các h Lidar u có nguyên lý cấu t o t ơn t n Hình 2.7

gồm bốn b ph n chính sau:

H 2.7 ơ ồ khối h Lidar

B ph n th nhất là m t thiết b laser. Có nhi u lo l s r c lắp t

trong các h o r o i Laser rắn c s dụng rất ph biến v b c

s n ơ bản l nm v b c sóng khác là 532nm, 355nm, 266nm.

Công suất xung khoản v m l oul xun ến v trăm m l oul xun , b c

x s n ơn sắ v r ng xung khoảng cỡ nanô giây nh s dụng khóa

n t (Q-switch). B c x laser công suất cao khi phát vào khí quyển thông

qua m t h quang h c thích h p (anten phát – nguồn phát) sẽ t ơn t v i

các thành ph n khác nhau c a khí quyển n p n t khí, bụi, sol khí và

mây. M t ph n b c x laser sẽ c phản x o t n x v k ố t u c a thiết

b Lidar [12],[54],[89],[91].

B ph n th hai là m t k ố t u qu n (kín t n văn) kí

t c l n ể thu nh n và t p un c tín hi u laser tán x v p ản x rất

yếu từ khí quyển t i ống n n qu n n r ng thu nh n (FOV) c kín

t n văn p ải có giá tr l n ơn rất nhi u so v n kín m t l s r

ố t u qu n t ng là m t kín t n văn lo i Newton ho c

ss r n ng kính từ 20 m ến n trăm m o kín t n văn

r k ố t u Lidar còn có các phin l c, b phân c … ể lo i b nhi u n n và

b c sóng khác v b c sóng c a tín hi u Lidar không mong muốn

[2],[4] [12],[54],[89].

B ph n th ba là sensor t u n n tín u tán x v p ản x ín u

hi u tán x v p ản x trở v sẽ c h i tụ v o u o qu n , t ng là

ống n n qu n n ( ) t n n o ở b c sóng trong mi n t

ngo ến v n n ìn t ấy số khuế i rất l n và có nhi u thấp. Lo i

PMT có dòng tối thấp, ún c s dụng trong các h r n ể ếm

p oton ốt t l ( oto o v l n ) n v b c sóng

trong mi n hồng ngo i [2],[4],[7],[40] ừ tín u t u o phép xác

n tr n v t lý c a các thành ph n khí quyển và phân bố c a

chúng trong không gian và theo th i gian. Chúng ta có thể quan trắ tr có

mây hay không mây, m t cắt tán x n c c a sol khí, h số suy hao c a sol

khí, dày quang h c sol khí t ng c ng, cao l p biên k í quyển.

B ph n th t l m t h n t ph c t p nhằm khuế i tín hi u từ

các ống nhân qu n n v t c hi n p ép o tín u này theo chế

t ơn t ( n n ho n p) ối v i tín hi u t n x v p ản x t ơn ối

m nh, ở vùng khí quyển g n (tán x y yl ) y ếm photon

ối v i tín hi u tán x , p ản x ở khoảng cách xa (tán x Raman). Các ph n

m m chuyên dụng th c hi n vi c o v t thông số k thu t gi a các

khối. Ph n l n các h Lidar hi n nay t n hiển th , thu th p v l u tr số

li u tín hi u o t o t i gian th c. Vi c x lý số li u cho ra kết quả c

th c hi n sau [55],[56],[62].

Theo Hình 2.8 khoảng th i gian τ là th i gian gi a tính từ th ểm phát

xung laser vào khí quyển t i th ểm o tín u Lidar tán x trở v cho

p ép t x n c khoản l quãn ng t i v trí ố t ng gây

ra tán x (nguồn c a tín hi u tán x Lidar) thông qua mối liên h

(2.1) D =

ron c là v n tốc ánh sáng. Khi nghiên c u khí quyển ở các khoảng cách

xa (nhi u km) t ì p ải s dụn l s r năn l ng l n (từ vài chụ m ến

v trăm m ) uốn phân giải không gian cao (khoảng vài mét t i vài

chục mét) t ì l s r p ả p t xun r ng h p (vài nano giây) v

n v n l m t h n t k ả năn p n n n t o t n t n

số làm vi từ - z v phân giải cao (ADC nhanh và số bít

l n) ể o tín u Lidar. Ngoài ra, h Lidar còn phả n n o ể có

thể lấy trung bình tín hi u t n x qu n trăm ến hàng nghìn xung laser.

V n n sol k í kí t c c a các h t t ơn ơn v b c sóng laser

(cỡ micro mét) thì tán x Mie l m n , l n ơn n u l n so v i tán x

Rayleigh c a phân t khí [2] ron tr ng h p này, Lidar là m t k thu t rất

h u í v c ng dụng m nh mẽ.

Từ n tín hi u ánh sáng tán x , có thể tín to n sâu

quang h c, h số tán x c a các h t sol k í o p ép x nh tính chất v t lý

và phân bố c sol k í ín x cao [36],[55],[56],[62]. Trong khí

quyển sol khí có nhi u nguồn gốc khác nhau và hi n di n t i cả t n bìn l u

ở cao 20 - 30 km. Tuy nhiên, sol khí t p trung nhi u nhất ở t ng thấp c a

khí quyển, ến cao khoảng m t v km, n tron m m y t nhiên.

Ngoài ra sol khí còn xuất hi n do ho t ng công nghi p (l n qu n ến khí

thả , t ô nhi m ở t l n), sản xuất nông nghi p ( ốt rơm s u

mùa vụ) hay các quá trình sinh h c khác. Khi n n u sol khí ở t ng thấp

c a khí quyển, công suất c l s r n k n n phải l n, chỉ c n s dụng

laser xung v năn l ng xung khoản v m ll oul n ánh sáng

tán x tín t o p ơn trìn Lidar [12],[48].

H 2.8 ơ ồ biểu di n qu trìn o tín u Lidar trong khí quyển

Trong hình 2.9 sơ ồ c a m t quá trình tín hi u Lidar c b ểu n. Ở

nguồn p t l s r t t ểm O, phát ra m t xung ánh sáng ngắn v i góc

phân kỳ l Ω v b t u n n ánh sáng (tín hi u ánh sáng laser trở v ) t t i

ểm P bên c nh nguồn phát laser m t tr n n ìn v góc mở ω r n

nh sáng xung laser theo th i gian l η0. Ở Hình 2.9b t ì η0 t ơn ơn v i

chi u r n tron k n n Δr0. Nói cách khác, giá tr tán x t t t o ra

trên thu ánh sáng ở trong ph m v k oản từ r’ ến r r là

khoảng cách từ nguồn p t l s r ến v t thể c tán x bởi tia laser. Trong

th c tế, hình ảnh chiếu s n t ng là coi là hình trụ và r là khoảng cách

trung bình từ l s r ến v t thể tán x .

r = , (r’ + r’’)

b a

H 2.9 ơ ồ di n tả quá trình tín hi u Lidar [77]

Khi ánh sáng này truy n qua khí quyển Hìn 2.10 sẽ tán x ánh sáng theo m ng. Ánh sáng tán x ở góc bằng 1800 ng v p í l s r c

thu nh n nh kín t n văn v b ến i thành m t tín hi u n nh m t h

quang h v n t n ánh sáng trở v ở bất kỳ th ểm t phụ

thu c vào h số tán x tron m tr ng truy n ánh sáng và khoảng cách từ

nguồn p t l s r ến v t thể tán x . Giả thiết t i th ểm t t (t1 = 0)

tr n th ểm s n xun l n xun l s r c phát ra ngay t u

phát laser. Chúng ta xem xét tín hi u t n x xuất hi n t u vào c a b t u

t th ểm t2:

Tr ng h p t n t = t2- t1 >> η0. t t ể sinh ra tín hi u tán x trở v

nh n bở b thu t i th ểm t2 sẽ nằm trong khoảng từ r’ ến r’’ ối

quan h gi k oản th i gian và v trí tán x v t t ể tu n t o biểu th c

2 = ct (2.2)

(2.3) 2 ’ =c( t- η0)

ron l tố n s n un n s n t o on ng từ laser

p t ến v t thể tán x s u m t ph n tín hi u tán x t o on ng

n c l i từ v t thể tán x ến b thu o số 2 xuất hi n ở phía bên trái

c a cả hai biểu th c (2.2) và biểu th c (2.3).

Theo biểu th c (2.2) và (2.3). Khoảng cách hình h c c a vùng v t thể

tán x là từ r’ ến r mối liên h ến r n xun l s r p t r η0 Hìn

2.9b n s u

(2.4)

H 2.10. Minh h a hình h c h Lidar

2.2 P ơ Lidar

ìn 2.11 l sơ ồ m tả t n qu t m t r v các t n số,

ố t n ngh n u, u k n n u n n c giả t í n s u

Số p oton p t a laser. NL( L):

H số truy n b c x ánh sáng (laser) từ nguồn p t ến ( L,R):

khoảng cách R.

β( , L,θ, ) số t n x n c c p oton v p v o ố t n ở

k oản v tán x

∆R: d y k oản t m n p xun l s r

H số truy n tán x quay l i ở khoảng cách R

( , ) A/R2: Khả năn t u nh n photon tán x c a h thu

Hi u suất h Lidar và yếu tố hình h c η( , L)G(R):

Nhi u n n v n u k NB:

H 2.11 ơ ồ khối mô tả bản chất v t lý h Lidar

ơn trìn Lidar l p ơn trìn ơ bản trong h Lidar biểu th mối

quan h gi l n p oton p t a laser ( ă ợng laser phát ra) v i

l ng photon thu nh n c (năn l ng tán x trở v ). Tia l s r c truy n

trong khí quyển y ố t ng khác và có s t ơn t v t lý gi a ánh

sáng laser v i ối t ng (v t thể) Hình 2.10 [79].

Xây d n p ơn trìn Lidar l x y n m ìn to n qu

trình v t lý di n tron k í quyển k t n n s n l s r ơn

trình Lidar có d ng t ng quát sau [12],[29],[32],[49],[50],[77]:

+ ơn trìn Lidar tính v i số l ng photon tán x t u c v i góc

tán x θ so v i số l ng photon phát ra từ laser.

( L, ) ( , ) η( , L)G(R)] + NB (2.5)

NS( , ) = L( L) β( , L,θ, )∆

S giảm b c 2 c a số l ng photon tán x t u c theo khoảng cách là

do di n tích c a kín t n văn chỉ chiếm m t ph n c a m t c u bán kính R

chung quanh thể tích tán x (Hình 2.10).

+ ơn trìn Lidar tính v i công suất tín u t n x t u c ở góc

tán x θ so v i công suất laser phát ra.

. ( L, ) ( , ) η( , L)G(R)] + PB (2.6)

PS( , ) = L( L) β( , L,θ, )∆

ron u ki n tán x l ẳn ng ở khoảng cách R, di n tích kính

t n văn hỉ thu nh n m t ph n nh c a t ng số l ng photon tán x c

tán x vào góc khối 4. ơn trìn r tín v i số photon tán x t u c

so v số l ng photon phát ra từ laser.

NS( , ) =

.[ ( L, ) ( , ) η( , L)G(R)] + NB

(2.7) NL( L) βT( , L, )∆

p ơn trìn ( 5) t m số l

Số p oton t u c t b s n v ở khoảng cách R NS( , )

Số photon phát ra bởi laser NL( L)

β( , L,θ, ) số t n x n c c p oton v p v o ố t n ở

k oản v tán x

∆R: d y k oản t m n p xun laser

ết n kín t n văn

A A/R2 Góc khối (góc nh n di n) là khả năn m t photon tán x

c thu nh n bở kín t n văn

( L, ) ( , ) H số truy n ánh sáng từ l s r p t ến ố t ng và tín hi u

tán x trở v từ ố t n ến kín th n văn

Hi u suất toàn b thống thu tron ( ) l số η( , L)G(R)

p ụ t u v o yếu tố ìn ồng ch p c a ph n di n tích

b c x laser v tr ng quan sát c a b thu.

Tín hi u n u n n và các nhi u k n nhi u c a b thu, NB

nhi u c a các m n t , nhi u b x , tán x m t tr i,

n u ánh sáng c a vì sao và n n t n p ố.

ơn trìn Lidar c phát triển i hai thừa nh n: Quá trình tán x

l c l p và chỉ xuất hi n tán x ơn n x c l p n ĩ là các ph n t là

bi t l p và chuyển ng ng u nhiên vì thế s n p ến t n năn l ng

tán x bởi nhi u ph n t không có mối quan h v pha. Nên t n n

tán x ơn ản là t n n tán x từ m i ph n t . Tán x ơn l m t

photon b tán x chỉ m t l n. Tán x nhi u l n k n xét ến.

Công suất tín hi u Laser tán x trở v nh n c bở kín t n văn t

trên m t ất tín t o p ơn trìn Lidar (2.8) [12],[48],[77],[79],[80].

( ) = ( ) β( ) ( ) ( 8)

Công suất tín u s r t n x n c n n ( ) l m t m

o c biểu di n bởi 4 thành ph n:

- l m t số k n p ụ t u v o t m số n n suất

p t l s r, u suất t ốn qu n t u;

- ( ) l m t m số p ụ t u v o yếu tố ìn ;

- β( ) l số t n x n ố t n t n x ;

- ( ) l số l n truy n tron m tr n .

2.2.1 H ố K

l m t số k n p ụ t u v o t m số n n suất

p t l s r, u suất t ốn qu n t u ơn trìn (2.9) biểu di n

số K:

η ( 9) K= P0

ron

P0 là công suất trung bình c a m t xung laser;

τ r ng th i gian c a xung;

ăn l n xun c tính theo biểu th c E0 = P0τ

cτ l dài c a thể tí c chiếu r i c a m t xung laser ở m t th i

ểm cố nh

Δ = ( τ) l quãn n v v c a m t xung.

A là di n tích hình h c c a kính t n văn

η u suất t ng thể c a h .

2.2.2 G R) ố

Trong h Lidar hai trục, hai trục quang c a h c tách nhau m t

khoảng tối thiểu bằng bán kính c a v t kín kín t n văn Hình 1.7.a tia

l s r v o tr ng nhìn c kín t n văn từ phía m t b n m tr n

cho h v s chồng ch p gi a tia laser phát và góc mở c a kính t n văn

c g i là hàm chồng ch p O(R) (overlap function). Giá tr c a hàm này

bằng 0 t i v trí t l s r v o tr ng c a kính t n văn, giá tr từ ến

1 là v trí khi m t ph n tr ng c a tia laser chồng ch p v tr ng nhìn c a

kính t n văn n n o n to n (m t ph n tín hi u tán x c ghi

nh n) và có giá tr bằng 1 khi toàn b tia laser nằm tron tr n n ìn a khối

thu Hình 2.12. G(R) là hàm số biểu di n ở biểu th c (2.10), thể hi n giá tr

c a tín hi u l s r t n x tron Lidar v i khoảng cách bằng R [55],[79],[80].

(2.10) G(R) =

H 2.12 Minh h a ản ởng hàm chồng ch p và tín hi u [80]

2.1.3 R) H ố x sol

H số tán x n c là tham số x n u suất c a tín hi u nh n c

bở kín t n văn tr n m t ất. H số tán x n c là m t thông số khí

quyển quyết n t n suất tín hi u tán x trở v x nh bao nhiêu

ph n ánh sáng laser b tán x t o n n c l i. V i Nj là nồn c a

ph n t tán x h t lo i j trong không gian chiếu sáng c a xung laser và

σj,sca(π, ) Ω) l t ết di n tán x vi phân c a các ph n t t o n n

l ở b s n [79]. H số tán x n có thể c viết n t ng các lo i

ph n t tán x biểu th c (2.11).

(2.11)

Nj nồn ơn v m-3; tiết di n tán x vi phân n c là m2sr-1, h số

tán x n ơn v là m-1sr-1.

Ho c h số tán x n c có thể c viết theo biểu th c (2.12) n s u

(2.12)

βmol( , ) số t n x n p n t k í;

βaer( , ) số t n x n sol k í

H số tán x c a phân t k í x nh x nh từ biểu th c (2.13), khi lấy m t khí t i m n c biển N v i giá tr ≈ , 19 phân t xét trong m t cm3 [77].

(2.13)

Từ biểu th c 2.13, chúng ta d nh n ra s phụ thu c c a h số tán x n c 𝛽(R, ) c a phân t khí là m t hàm tỉ l thu n v -4. Vì v y khi thay

b s n kí t í t ì n tín hi u tán x n c sẽ khác bi t rất l n (v b s n = nm t ì βm = 15,8*10-9 cm-1.sr-1 v ối v b c sóng s n = 1064nm t ì βm = 0,99*10-9 cm-1.sr-1) ây chính là lý do các h

Lidar có b c sóng ngắn t n c s dụn ể khảo sát l p sol khí trong

khí quyển d a trên tín hi u tán x n c Rayleigh.

2.1.4 T R) ờ

M t ph n c a ánh sáng laser b mất tr n n ( ) từ b phát (laser

phát) t ố t ng và tán x trở l ng tán x c thể hi n bởi hàm

truy n ( , ) tron biểu th c (2.14) có thể nh n giá tr từ ến 1 [79].

(2.14)

Số h n n y l tr ng h p riêng c nh lu t Lambert-Beer-Bouguer

cho Lidar. Tích phân lấy tr n quãn ng từ h Lidar t cao R. H số 2

thể hi n cho hai l n truy n v v . ron α(r, ) l số suy o c

n n ĩ t ơn t n số tán x n β( ) tín t o biểu th c (2.15) là

tích c a nồn và tiết di n suy o σj,ext cho m i lo i ph n t tán x j.

(2.15)

S suy hao có thể xảy ra do tán x và hấp thụ ánh sáng bởi phân t và

các sol khí. H số suy hao có thể c theo biểu th c t ng c a 04 thành ph n

theo biểu t ( 16)

(2.16) α( , ) = αaer,abs( , ) + αaer,sca( , ) + αmol,abs( , ) + αmol,sca( , )

Ở y ỉ số biểu th i s v bs l ỉ th cho hi n t ng v t lý

tán x và hấp thụ. Bởi vì tán x n s n r ng làm cho ánh sáng b

suy giảm c chỉ th bằng h số σsca v σabs chỉ th cho h số hấp thụ. V y h

số suy o σj,ext( ) ở biểu th c (2.15) c tính bằng h số hấp thụ c ng v i h số tán x (tích phân) biểu th c (2.17) v n ơn v m2. n α( , ) l h số suy o tín t o ơn v (m-1).

(2.17) σj,ext( ) = σj,abs( ) + σj,sca( )

Các biểu th tr n ã cho thấy β v α u phụ thu v o b c sóng c a

laser phát. V i s phụ thu c c n tán x , h số suy hao v o b c

sóng kích thích. Nên b c sóng ngắn chiếm u t ế (có n tán x l n) ở

lo i sol khí kí t c nh ơn o c bằng b c sóng kích thích trở xuống.

y l kết lu n quan tr ng cho vi c thiết kế h Lidar quan trắc sol khí ở ph n

sau.

ơ II

ron ơn , tác giả trình bày n n vấn v quá trình v t l gồm

tán x n ồ v k n n ồi, l thuyết v quá trình tán x Mie – Rayleigh

xảy ra gi t ơn t photon ánh sáng và các phân t khí.

n u v ấu t o, t o t n v n n yếu tố k t u t

ản ởn ống n n qu n n ( ) qua t ể n n n

v số k uế p p v Lidar n ế t o

rìn b y cấu trúc, nguyên lý ho t ng và các khố ơ bản cấu thành

m t h r o sol k í, t n số ơ bản tron p ơn trìn r b ểu th

mối quan h gi l n p oton p t l s r (năn l ng laser phát ra)

v l ng photon thu nh n (năn l ng tán x n c), m tr n l n

truy n nh sáng laser trong khí quyển, s t ơn t v t lý gi a ánh sáng laser

v ố t ng (v t thể) và s phụ thu v o b s n l s r p t ối v i các

h số tán x , suy hao c a sol khí. S phụ thu c này sẽ quyết nh vi c l a

ch n thiết b laser trong cấu hình h r ối v i từng bài toán quan trắc khí

quyển cụ thể.

h u n v t l mô tả bản chất xẩy ra tron p ép o n Lidar

thể hi n bằn m ìn to n (p ơn trìn r). l ơ sở o

v m p n các thông số k thu t modul ph n c ng tích h p Lidar sẽ

trình bày ở ơn .

C ơ III ơ , ố

3.1 Bài toán xây

Xuất phát từ nhi m vụ c a Vi n V t l a c u, Vi n Hàn lâm Khoa h c

và Công ngh Vi t Nam v nghiên c u v t lý khí quyển và ng dụng trong

công tác bảo v m tr ng, phòng chống giảm nh thiên tai, tron qu n

trắc mây, sol khí, nghiên c u t ơn t b c x , mây, các thành ph n khí và

sol khí v u ki n th i tiết, khí h u.

Vi n n t m v o nhi u ho t ng quan trắc quốc tế thu c các

ơn trìn , d án ơn trìn n n u t ơn t n m – k í t ng

khu v n m , m n l i Lidar toàn c u và D án quan trắc sol khí

và ô nhi m. Vì v y yêu c u t ra là nghiên c u thiết kế, chế t o và tích h p

h Lidar quan trắc sol khí v i nh ng mục tiêu ín n s u

- o tín u Lidar t u c do tán x Rayleigh c a sol k í ến cao

15km v phân giải khoảng 30m tron u ki n th i tiết thu n l i.

- So sánh số li u quan trắc sol khí v i số li u o sol k í c a các thiết b

ho p ơn p p k

- Có b số li u tín hi u o m y, sol k í t i khu v c Hà N i v tín

cao l p biên khí quyển (LBKQ) từ số li u t u c ể s ụn o tín to n,

u ỉn ản ởn sol k í t ản v t n v l b ến số u vào ể y

m ìn v n uyển sol k í.

V i các mụ t u n y i h Lidar phải có Laser phát các xung ngắn,

r ng xung h p cỡ nano – giây, chùm laser t b s n p t phân

kỳ thấp, nh ơn mr v năn l n xun l n (mJ/xung). ả

ch n laser phát ở b c sóng 532nm cho nghiên c u, thiết kế, chế t o và tích

h p h Lidar vì lý do:

+ Theo biểu th c 2.13, chúng ta d nh n ra s phụ thu c c a h số tán x n c 𝛽(R, ) c a phân t khí là m t hàm tỉ l thu n v -4. Nên k t y i

b s n kí t í t ì n tín hi u tán x n c sẽ khác bi t rất l n (ví dụ v b s n kí t í = nm t ì βm = 15,8*10-9 cm-1.sr-1 v ối v b s n s n = nm t ì βm = 0,99*10-9 cm-1.sr-1).

+ So sánh kết quả c a h Lidar nghiên c u thiết kế v ế t o v i kết quả

o từ các thiết b n : H Lidar quan trắc mây, sol khí MPLNET c a NASA

s dụng phát laser ở b c sóng = 532nm; Thiết b quang ph kế t ng

tín dày quang h c sol khí t i các dải ph k n u, tron b c

s n = nm dùng trong m ng tr m AERONET.

3.2 T

H u hết các h Lidar u có cấu t o t ơn t n sơ ồ khối Hình 3.1

gồm có các b ph n chính sau: H phát (laser phát); h quang h c (kính thiên

văn, p n l c, b phân c c …); s nsor t u n n tín u tán x v p ản x

(PMT, APD); h n t u khiển, ph n m m thu th p và x lý số li u. Các

b ph n chính ã c t ả trìn b y tron ơn .

Hình 3.1 ơ ồ khối h Lidar

Ở n i dung này, t ả phân tích và l a ch n các modul phù h p có sẵn

trên th tr ng ể tích h p. Ngoài ra còn thiết kế và chế t o m t số modul từ

các linh ki n r i r c ể phù h p v i thiết kế, yêu c u k thu t và giảm chi phí

khi xây d ng h Lidar.

3.2.1 L a ch n m t số modul ph n c ng.

3.2.1.1 L a ch n laser

a) M t số lo i laser trên th ờng

+ Laser LOTIS LS – 2137U p n kỳ v buồn bơm l s r qu kép

c bi t Hình 3.2, cho phép ho t ng ở chế b khuế i v i m t nguồn

cung cấp năn l ng duy nhất và h thống làm mát. Các tinh thể th hai

(KTP), th ba (KDP) và th t ( o ) t tron k ố

b t c kiểm soát nhi t chính xác và các b t s n hi u suất

cao v tinh khiết ph cao c a b c x u ra. o r t ốn l m m t

n bằn chất l ng lu n uyển tu n o n tron t ết b l m l n .

H 3 2 Ảnh khối phát tia laser c a laser LOTIS

Thông số k thu t ơ bản c a laser Lotis LS- 2137U ở Bảng 3.1 [57].

B ng 3.1 Thông số k thu t ơ bản c a LOTIS LS – 2137U

TT T ố G

1 c sóng laser phát (nm) 1064; 532; 355; 266

2 ăn l ng laser phát (mJ) 700 (1064nm); 400(532nm); 160(355nm); 120 (266nm).

3 ả t n số xun ( z) 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10

4 r n p xun (ns) 6 - 8

5 m p n kỳ (mr ) 1,0

6 Jitter (±ns) 1,5

7 n kín m t (mm) 8

ìn là Laser YAG-Nd c a hãng Quantel Brilliant m t số t n số k

t u t s u

- s r xun , l m v ở ế -Switch;

- n số xun l s r p t z ;

- n kín t n o t ất ∅6mm;

- s n l s r p t nm;

- m t l s r p t p n bố năn l n n uss

H 3.3 Ảnh khối phát tia laser c a laser Brilliant

B ng 3.2 Thông số k thu t ơ bản c a laser Briliant [87]

TT T ố G

s n l s r p t (nm) 1064; 532; 1

ăn l n l s r p t (m ) 360(1064); 180(532); 2

ả t n số xun ( z) 10 3

r n p xun (ns) 4(532nm) - 5(1064nm) 4

m p n kỳ (mr ) 0,5 5

Jitter (±ns) 0.5 6

n kín m t (mm) 7 6mm

Hình 3.4 là laser lo i Nano S120-20 do công ty Laser Litron c v ơn quốc

Anh chế t o có các thông số k thu t ở Bảng 3.3.

H 3.4 Ảnh khối phát tia laser c a laser Litron Nano

B ng 3.3 Thông số k thu t ơ bản c a laser Litron Nano S120-20 [85]

TT T ố G

s n l s r p t (nm) 1064; 532, 355, 266 và 213 1

ăn l n l s r p t (m ) 2 120(1064); 65(532); 15(355); 12(266) và 2(213)

ả t n số xun ( z) 20 3

r n p xun (ns) 6 - 8(1064nm) 4

Jitter (±ns) 0,5 5

n kín m t (mm) 6 4mm

b) C l

mụ í lu n n v y u u n t l u là có

m t r qu n trắ sol k í tố u v n u m t. Nên t ả n

Laser LOTIS TII [86] vì n n l o sau:

- P t l s r ở b s n k n u tr n n m t ỉ n

u ỉn n qu n ; c n suất o m ở b s n nm,

m ở b s n nm; 160m ở b s n 355nm và 120m ở b

sóng 266nm;

- ụn laser ơn ản bảo trì v t y t ế l n k n (

;

- t n l s r n y rẻ ơn so v l s r n lo , o t n

tốt, n n v k í u t m.

- Laser này n suất l n nên t ể t ếp tụ s ụn ể p t tr ển

r o sol k í ở k oản x bằn k t u t o t n x m n

s r lo - ồm p ụ k n ơ bản kí

t ơ k í v tr n l n m tả ở Bản .

B 3 Kí t ìn , tr n l n laser LOTIS TII

TT T (mm) T (kg)

1 uồn un ấp – 2225M 363 x 364 x 192 16,5

2 u p t s r - 2215 205 x 820 x 130 24

3 t ốn l m l n - 1125 363 x 364 x 280 15,5

4 u k ển từ x - 5 130 x 180 0,5

uồn n un ấp o t ết b laser LOTIS TII (PS- )

t n số k t u t ở Bản

B 3 5 t n số k t u t ơ bản b n uồn un ấp

TT T ố G

1 uồn n xo y u u v o (220 ± 20)V; (50, 60) Hz

2 n suất bơm trun bìn ( ) 750

3 ăn l n bơm l n n ất ( )

4 r n xun bơm ( s) 80 -100

5 u r – Switch (xung vuông) r n xun - s; n = 5V (Rload = Ω), = ( load =∞)

6 u r xun ồn b r n xun - s; n = 5V (Rload = Ω), = ( load =∞)

o u p t l s r ìn kết ấu l m t k ố p k m

n m n rất ín x v s n n n t ở buồn n

ởn bằn ất l n (n ất) ơn buồn n ởn son

son v p t r xun l s r r n xun từ - 8ns.

Laser LOTIS TII c buồn n ởn n n t bằn ất l n

o t n t o n uy n tắ : t l n n ất ất l n l m m t p ả n ơn 0 ếu n t ất l n o ơn 0 t ì l p t p t

l s r sẽ ừn o t n p t l s r ỉ o t n k n t ất l n l m m t l n ơn 0C. u n y úp o n suất p t l s r n

H 3 5 Ản u p t l s r laser LOTIS TII

1. p n , - , b p n , ơn ; 2. uồn n ởn ; 3. p

ơn u r ; 4. p ơn xo y; 5. n bảo v ; 6. n n kí

t í ; 7. ắ nố n ; 8. u k ển -switch; 9. p bảo v b ến

áp; 10. u k ển - v ; 11. n b o tr n t o t n

laser; 12. bảo v ; 13. WS(1064/532nm); 14. FH; 15. qu y; 16. WS

(266/532nm); 18. ít t n ỉn ; 19. ít u ỉn s ; 20. ắm

stand-by; 21. n ấp n l m m t v o r ; 22. n xả n ; 23. ắm

n ; 24. on tr l s r; 26. ơn xo y o on tr ; 27. ỉ t b

s n n t ; 28. u r m t l s r

3.2.1.2 L a ch n các modul cho ố

ố t u Lidar n m vụ t u t p tín u t n x n v b ến

tín u qu n t n tín u n ố t u ồm kín t n văn,

qu n ( ) v ống n n qu n n

(PMT) Hìn 6.

H 3.6 ơ ồ ấu trú k ối thu

a) L a ch n k ă )

ố t u c l a ch n s ụn m t kín t n văn (1) lo m t –

Cassegrain (C11) [88] t n số k t u t n Bản , ản v ấu trú

b n tron kín t ể n ở Hìn 3.7. Kín t n văn n y ã c nhi u

n c trên thế gi i và ở Vi t Nam s dụn ể phát triển h Lidar [14].

B ng 3.6 t n số k thu t ơ bản kín t n văn C11.

mở (D) Chỉ số mở (F) H số khuế i (M)

’’ ( mm) 10 70

H 3 7 Ản v sơ ồ cấu trú kín t n văn lo i Celestron

b) L a ch n th u kính quang h c

ron sơ ồ ấu trú k ố t u Hình 3.6 m t số linh ki n quang h c

n : thấu kính h i tụ ( ) v ( ) n ằm biến i chùm tia tán x song song ở

u ra kín t n văn t ết di n A thành chùm tia tán x song song có tiết

di n B ( ờng nhỏ ơ ) sao cho bằng ho c nh ơn t ết di n C là c a s

nh n tín hi u c a PMT. (lo i PMT-H6780-03 có c a s nh n tín hi u là hình

tròn, ng kính là Φ = 8 mm).

Tác giả s dụng 02 thấu h i tụ ể biến i chùm tia t n x t n

số k thu t [92]:

Lo i LUD 50.0-43.9-UV-355-5 c n sản xuất Hìn 8

Φ = 50 mm f = 50 mm; fb = 43,9 mm

d y tâm tc= 18mm; d y c nh te= 2,4mm

H 3.8 Bản vẽ hình h v ng truy n qua c a thấu kính

LUD 50.0-43.9-UV-355-532

Theo thông số k thu t c a nhà sản xuất [92]. Hi u suất truy n qua c c

i c a ánh sáng t b s n = nm k oảng 90% Hình 3.8

Lo i thấu kín t l lo _ ( x ) Hìn 9 c n sản

xuất [92] có m t số thông số ơ bản:

Φ = 16 mm; EFL =15mm;

H 3.9 Bản vẽ hình h v ng truy n qua c a thấu kính DCX UV 16 x 15

Theo thông số k thu t c a nhà sản xuất [92]. Hi u suất truy n qua c c

i c a ánh sáng t b s n = nm v o k oảng 90% Hình 3.9.

V y v lý thuyết khi s dụng 02 thấu h i tụ ể biến i chùm tia tán x

thì giá tr c a tín hi u tán x s u k qu thấu kính trên sẽ b suy ảm v

tr u suất bằng khoảng:

ηLen = ηLen1* ηLen2 = 81%.

c) L a ch n kính l c và khối tách chùm

Kính l ( ) c dùng trong h thu Hình 3.6 nhằm mục tiêu l c

nhi u không mong muốn l n vào trong tín hi u tán x t u c. V i h thu tín

hi u tán x n ồi, t c là tín hi u tán x t u b c sóng trùng v i

b c sóng c a laser phát. V i l s r p t b s n = nm t ì t ả s

dụng kính l c lo i F03- 532.0-4-1.00 Hình 3.10 c a CVI có thông số k thu t

n s u [92]:

ng kính Φ = 25mm

dày d = 6,35mm

s n trun t m = nm

Tpeak (%) nh nhất = 30

r ng n a c i (FWHM) = 3±0.6nm

Thông số k thu t c a nhà sản xuất thì hi u suất truy n qua c i c a

ánh sáng t b s n = nm thấp nhất khoảng 30%.

Ở y tác giả ch n tr ηFilter =50% tín hi u tán x truy n qua.

H 3 10 Ảnh kính l c F03-532.0-4-1.00

Khối tách chùm (5) có thể s dụng ho c không s dụng tùy thu c vào

mụ í p ép o Ở Lidar, t ả dùng khối tách chùm lo i PBSH-

450-1300-100 Hình 3.11 có thông số k thu t [92]:

H 3.11 Ản v ng truy n t s n k qu k ối tách chùm

PBSH-450-1300-100

Hình d ng: Khối hình vuông;

ín t c c nh = 25,4 * 25,4 *25,4 (mm);

Sai số kí t c = ± 0.25mm

H số truy n qua: TP = 90%;

Tỷ số gi a h số truy n qua trên h số tán x Tp/Ts = 500: 1

Dả b c sóng ho t ng = (450 – 1300) nm

Theo thông số k thu t c a nhà sản xuất cung cấp thì hi u suất truy n

qua c i c a ánh sáng t b s n = nm tron ải làm vi c c a

khối tách chùm tia khoảng 90%.

d) L a ch n ống n T - PMT)

Lidar v mục í l quan trắc sol khí trong khí quyển v p ơn

p p o tán x n ồi (t c là h thu nhận tín hi u tán x ó c sóng không

ổi so v c sóng của nguồn phát). s r p t ở b s n L=

nm v y tín hi u tán x p ản ồ t u n b s n = nm

T ả l n lo i PMT H 6780-03 c a hãng Hamamatsu Nh t Bản [40] có

cấu trú hình h c và dải ph p ng phù h p v y u u o ở b s n =

532nm Hình 3.12. T n số k t u t c a PMT H 6780-03 ở Bản .

H 3.12 Cấu trúc hình h v ồ th nh y b c x t o b c sóng PMT

V i thông số k thu t c nhà sản cung cấp ản T ả tính

c công suất (W) nh n c trên PMT d v o n n o c t u

ra c a Anốt. Theo Bảng 3.7 thì h số nh y b c x c a PMT H6780-03 = 62*10-3( ) t tot v b s n = nm v n p u khiển h số

khuế i U = 0,8V trong dả n p u khiển , ến 0,9 V.

Hi u suất l ng t (QE) c a PMT là tỉ số gi a số quang t b t ra kh i

catôt và số photon chiếu t i catôt trong cùng khoảng th i gian; nh y b c

x (S) là tỷ số gi n qu n n sinh ra từ catôt và công suất b c x t i

m t b c sóng nhất nh. Hi u suất l ng t c a PMT có mối liên h v

nh y b c x t i m t b s n t o biểu th c (3.1) [38],[40].

(3.1)

Áp dụng biểu th c (3.1) o n n qu n n PMT H6780-03 v i l b c

sóng tính bằn ơn v nm.

Hi u suất l ng t c a PMT H6780-03 bằng 14,45%.

Giá tr ηPMT = QE = 14,45% (sử dụng ỏ )

B ng 3.7 Các thông số k thu t c a ống n n qu n n

e) Ư ng hi u su t c a c a khối thu tín hi u

Hi u suất η a h thu Hìn 3.6 sẽ tín t o biểu t (3.2)

Hi u suất η( , L)G(R) c a h sẽ là:

(3.2)

ηsys = ηteles * (ηPo* ηFilter * ηLen) * ηPMT

= 90% * (90% * 50% * 81%) * 14,45% = 4,7%

Hi u suất c a h thu sẽ l ηsys = 4,7%.

3.2.2 Ch t o m t số modul ph n c ng

3.2.2.1 Ch t o b ngu n c p và u khi n PMT

ể h Lidar ho t ng thì không thể thiếu b nguồn cung cấp cho từng

b ph n cấu thành và các m n t t ơn n n ìn

H 3 3 ơ ồ khối m ch cấp nguồn h Lidar

ểm chung nguồn cho m ch n t , các cảm biến, hiển th và ống

n n qu n n (PMT) là nguồn m t chi u có các m c n áp và công suất

k n u ún t n c cấp n áp ±5V, ±9V, ±12V. Vì v y t

ả ã t ết kế, chế t o b nguồn cấp có nhi u m n áp, có thể u chỉnh

n áp ra từ n áp xoay chi u AC 220V z ìn l sơ ồ

m ch nguyên lý.

H 3 4 ơ ồ m ch nguyên lý cấp nguồn h Lidar

V sơ ồ m ch nguyên lý trên, t ả chế t o m ch in, hàn gắn các linh

ki n n t và o tr n p u ra c a nguồn ấp bằn ồng hồ v n năn

lo (SANWA-PM3) Hình 3.15.

Hình 3.15 M ch in và m ch cấp nguồn có linh ki n

ể cấp nguồn nuôi từ , ến , o v n p u khiển

h số khuế i từ , ến 0,9V [40]. ả thiết kế m ch nguyên lý và

chế t o m u khiển ốn n n qu n n PMT lo i H6780-03 Hình 3.16.

Hình 3.16 M ch nguyên lý, m ch in cấp nguồn v u khiển h số khuế i PMT

V i các bo m c chế t o gồm: nguồn cấp các m n áp DC,

m ch u khiển và hiển th giá tr n p u khiển h số khuếch i PMT.

Hình 3.17 là ảnh c a b nguồn do t ả thiết kế, chế t o s dụng v i

ch năn ấp n p, u khiển h số khuế i và hiển th . Nguồn cấp

cùng lúc tố 03 PMT (s dụn c cho 02 lo i H6780-03 và H10722-1)

v kí t c hình h c là (240 x 210 x 90) mm.

Hình 3.17 Ảnh b cấp nguồn u khiển h số khuế i PMT

3.2.2.2 Thi t k và ch t o b ỡ h quang h c thu

ể chùm tia sáng song song ở lối ra c kín t n văn ng kính bằng

40 mm t p chung t i m t thu ánh sáng c ng kính 8 mm v c

l c b nhi u thì c n có b ơn quang h c nhằm liên kết các linh ki n

l i v i nhau và v kín t n văn B quang h c thu ánh sáng tán x c a t

ả gồm: 2 thấu kính,1 kính l c truy n qu b c sóng 532nm, khối tách chùm

tia 50/50 và v chắn ánh sáng bên ngoài. Các linh ki n n y t sau lối ra

c kín t n văn v c nối v u t u qu n n n ìn

ể chuẩn tr c ánh sáng lối ra c a kín t n văn ng kính 40 mm

thành chùm ánh sáng song có tiết di n 10 mm là bởi 02 thấu kính lồi Hình

3.18. Khoảng cách gi a hai thấu kính bằng 65 mm là t ng tiêu c c a hai thấu

kính (f1 = 50 mm; f2 = 15 mm).

Hình 3.18 Ảnh chuẩn tr c ánh sáng dùng hai thấu kính

Hình 3.19 là bản vẽ ơ k í c a b gá lắp 02 thấu kính, có khả năn u

chỉn c khoảng cách nh c chế t o m t u n v nh v cố nh

bằng bu lông M3.

Hình 3.19 Bản vẽ ơ k í b gá lắp hai thấu kính

Hình 3.20 là ảnh 3D c a b gá lắp hai thấu kính v i khoảng cách bằng

65mm. Thiết kế này chùm ánh sáng song song lối ra c kín t n văn sẽ

c co nh l i và t p chung t i m t thu ánh sáng c a PMT.

Hình 3.20 Ảnh 3D c a b gá hai thấu kính

V i các b ph n quang h t u c t ả chế t o gồm: gá lắp thấu

kín u chỉnh khoảng cách, gá lắp kính l c, gá lắp khối tách chùm tia

50/50, gá ốn n n qu n n PMT và v chắn sáng bên ngoài Hình 3.21.

Hình 3.21 Ảnh các b ph n quang h c thu

3.3 ố

ả xây d n ơn trìn m p n t n số k t u t r

t o p ơn trìn r. Mô ph ng này c n thiết trong vi c kiểm ch ng s

l a ch n và chế t o các modul ph n c ng tích h p cho h Lidar. Kết quả c a

ơn trìn mô ph n c so sánh v ng m t phân t k í t o

cao c a NASA.

Mô ph n bắt u bằn t n từn b ho t ng c a h

Lidar Hình 2.11 v t n số k t u t, ố t ng nghiên c u, u ki n

m tr n v n u. ể m p n to n b qu trìn ánh sáng s r l n

truy n tron k í quyển t ơn t v ố t n . Tác giả tr n m ìn

to n c, các quá trình v t l t ơn t t n p n v qu trìn

v t lý liên quan. ơn trìn r t n qu t ( 3) tín số l ng photon tán

x t u so v số l ng photon phát ra từ xung laser.

ố p oton t u t b s n v ở k oản

(3.3)

NS( , )

ố p oton p t r bở l s r NL( L):

số t n x n p oton v p v o ố t n ở β( , L,θ, )

k oản v t n x

y k oản t m n p xun l s r

n tí kín t u t n văn ∆ A:

oản từ l s r p t ến ố t n t n x R:

( L, ) ( , ) số truy n quang từ l s r p t ến ố t n v tín u

t n x trở v từ ố t n ến kín t n văn;

số u suất qu n ; η( , L):

số ìn t ốn ; G(R):

u n n v n u k NB:

M p n L r t n t o b s u

- T o l p b ằn số ơ bản s ụn tron Lidar.

- o l p t m số Lidar v t m số k í quyển

- ắt u v n uồn p t laser và theo p ơn trìn r t n qu t l r

ể tín số p oton t u n n

- y t n số, u n v t l , u k n l n truy n ể n

u quả o t n L r n n kết quả uố n v so s n v

kết quả o t tế

ể m p n Lidar t ả s ụn p n m m bv w. Hình 3.22

m tả t n qu t l r t o ơn trìn m p n .

Hình 3.22 ìn t n qu t m p n r

m t xun l s r p t r t ì t o l t uyết v n s n (l t uyết

s n v t n s n ) ún t l ng số l ng photon phát ra trong

m t xung Lidar theo biểu t ( 4) [51],[52].

(3.4)

ron

năn l n xun l s r; Epulse :

h : ằn số pl n k

c : v n tố n s n tron n k n ;

: b s n l s r

p ụn biểu t ( 4) tín o lo s r lo LS – 2137:

ăn l ng xung: Epulse = 150 mJ

s n p t L = 532 nm;

h là hằng số Planck = 6.626 10-34 Js c là tố n s n = m s ≈ 8 m/s

V y m t xung laser có số l ng photon là

Số l n p oton ến v trí n o Tr theo biểu t ( 5).

(3.5)

ron

NTr : số p oton t ến v trí o;

RTmirror: số p ản x ơn tron l s r;

TAtmos: số truy n qu k í quyển t s n ở b s n

Trong m p n r t o p ơn trìn r t ì l n số t n x

yl v số truy n n s n qu k í quyển là rất quan tr ng. H số tán

x n Rayleigh c a phân t khí β( ) x nh từ d li u v nhi t

và áp suất t o zR c a m ìn k í quyển MSIS-E-90 biểu th c (3.6).

(3.6)

Tron

tín t o ơn v (m);

tín t o ơn v (mb r),

T tín t o ơn v ( lv n)

l n số p oton NR t n x n ồ t o biểu t ( 7).

(3.7)

nair t k í quyển từ m ìn k í quyển -E-90

l ng số p oton ến b m t ơn ín kín t n văn t o

biểu t ( 8).

(3.8)

ron : n tí ơn ín kín t n văn tín t o ơn v m2.

V kín t n văn n kín ơn ín D = 280mm (0,28m)

l n u suất c a h thu nh n tín hi u l n qu n ến p ản x

ơn ín , truy n qua c a các thiết b chuẩn tr t n văn,

truy n qua c a kính l c và hi u suất l ng t c a ống nhân quan n ( 9).

(3.9) ηreceiver = Rprimary * TRmirror * TIF * QE

ron

Rprimary: phản x ơn ín ;

TRmirror truy n qua c ơn t u

truy n qua c i c a kính l c; TIF

QE : Hi u suất l ng t c a PMT

l ng số p oton t u c bởi ống n n qu n n v u suất ηreceiver

c a h thu theo biểu t ( 10).

(3.10)

u ồ t u t toán mô ph n t n số r ìn 23 nhằm t

c các mục tiêu:

- Biết tr c tín hi u t u c từ h thống Lidar th c thông qua kết quả

ch y ph n m m mô ph ng;

- n c khả năn v u suất c a h r c chế t o.

- Cung cấp các thông số k thu t ể chế t o và phát triển h Lidar

- So sánh số li u o c từ h Lidar th c tế v i kết quả ch y mô

ph ng.

H 3.23 u ồ thu t toán m p n

ến n y ơn trìn m p n t n số r v t n

số k t u t u v o

ăn l n xun s r = μ ; b s n = nm; RTmirror = 1; TAtmos= 1; A =0,5 m2; Rprimary = 0,91;

TRmirror = 0,74; TIF = 0,8; QE = 0,15.

ìn 24a là kết quả ch y mô ph n v t n số k t u t u v o

r t o p ơng trình Lidar. Hình 3.24b l ng m t phân t

khí n y t n năm t vĩ 21.00, k n 106.00 theo số li u mô

hình chuẩn MSIS-E-90 c a NASA:

https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/msis_vitmo.php

b a

H 3.24 (a) tín hi u Rayleigh mô ph ng hi u chỉn t o cao (b) tín hi u m t phân t khí theo MSIS-E-90

Bằng ơn trìn m p ng, tác giả ã t c hi n mô ph ng quá trình

ho t ng c a h Lidar trên máy tính. Kết quả ch y mô ph ng v ng m t

phân t khí c a h thống tác giả xây d ng so v i số li u c a NASA là

t ơn ồn , u n y n ĩ các thông số k thu t ph n c ng l a ch n ể

tích h p h Lidar là phù h p, ảm bảo tín năn t o y u u. Mô ph ng này

giúp cho kiểm ch ng và khẳn nh s l a ch n ún ắn các thông số k

thu t ph n c ng tích h p trong quá trình chế t o r, tránh không b mua

v l k n n c nhằm tố u hóa vấn kinh tế.

ơn trìn m p ng còn giúp cho vi c thiết kế, chế t o và tích h p

cho các h Lidar t ơn t d dàng và thu n ti n theo yêu c u t ra thông qua

s t y i các thông số u vào c a ph n m m mô ph ng.

3.4 H

Mụ í a hi u chỉnh h Lidar là chỉnh cân bằng h thốn , ăn ỉnh

gá lắp ơ k í trục quang h c c kín t n văn v trục quang h c c a laser

phát cho chúng song song v i nhau và vi chỉnh b ơ k í thống laser

p t ể có tín hi u ở u ra PMT t n ( n , t y, n m, bắc) sao cho

giá tr n t u c ở ng Bắc là l n nhất, giá tr n c a ba

n ( n , t y v n m) bằn n u ối v i thiết kế h Lidar c a t ả và

so sánh kết quả tính theo lý thuyết và th c nghi m.

Tính toán theo lý thuyết:

ín k oản m ồn p gi t l s r p t v tr n n ìn

kín t n văn t o m tả ìn Hìn 3.25 ả t ết l trụ qu n t

l s r v trụ qu n kín t n văn son son v n u ún n u

m t k oản bằn 0 α l p n kỳ l s r v l

(tr n ) nhìn khi lắp th kính vào kín t n văn

r ng nhìn biểu kiến AFV (Apparent field of view - ) l r ng

c qu n s t c khi nhìn qua th kính tính bằn . Theo tài li u c a nhà sản xuất t ì lấy tr tron k oản từ 0 ến 0 [84].

H 3.25 ìn vẽ m tả ìn l s r p t v kín t n văn

Tr ng nhìn (FOV) th c ất là không gian qu n s t c qua kín

t n văn c tính t o ơn v [88] kín t n văn l lo m t –

ss r n t ì tr n n ìn tín t o biểu t (3.11)

(3.11)

Theo [88] p n kỳ l s r l mr ,

m ll r n l ng giác xấp xỉ ng tròn.

p n kỳ l s r

α = = 0.05730 (3.12)

t ết kế t ốn r t tế, k oản trụ qu n

l s r v trụ qu n kín t n văn ( = 0 = , m) t ì t v trí ểm

t l s r p t v tr n n ìn kín t n văn bắt u o n u v k oản

∅ ; d2 = h1* tag d1 = h1* tag

l = 1.

∅ + tag d0 = d1 + d2 = h1[tag

];

(3.13)

∅

= 64,68 m

h1 = , m l k oản n n ất t l s r p t v o tr n n ìn

kín t n văn tín t ơn t t ả tín k oản (

=h2) l k oản x n ất m t l s r p t nằm tr n v n tron tr n n ìn

kín t n văn

∅

; (3.14)

= 76,67 m

kết quả tín tr n t ì s u k oản 2 = , m t ì t l s r sẽ

v o tr n n ìn kín t n văn o n to n ết quả tín to n l t uyết n y

sẽ so s n v p ép o t n m ở Hìn 3.31.

o l t uyết p oton t n x t u n n bởi các ph n khác nhau

c kín t n văn. Trong m t h r t ể n bằn tr n p

o n n ở u r b b ến qu n n t y t o từn lo ống

n n qu n n s ụn ở n m t ế o t n r ( c

t n số k t u t t o r l k n thay ).

Ở y t ả s ụn p ơn p p kín t n văn t n un

¼, n tín hi u t u c ở u ra c l ăn ể hi u chỉnh h

Lidar ìn 3.26a l ản ìn n b n u n ìn từ tr n xuốn kín t n

văn v Hìn 3.26b l ản m p n kín t n văn t n un tr n

¼.

b a

H 3.26 (a) kín t n văn t tế, (b) m p n un p n t

Hi u chỉnh h t ốn r c tiến n t o n un

- C ỉn cân bằn o to n thống Lidar;

- Hi u chỉn trụ qu n l s r p t v trụ qu n k ố t u s o

o son son v n u bằn u chỉnh vít v ỉn ;

- Chỉnh các vít vi chỉnh c a h ơ k í ể có tín hi u u ra t i PMT theo

n ( n , t y, n m, bắc);

- Ghi nh n n tín hi u t u c t u ra PMT ở m i cung ph n

t kín t n văn;

- o s n n tín hi u t u ở các v trí cung ph n t k n u

c a kính t n văn v u chỉnh các vít tinh chỉnh Hình 3.28 c a h r ể

thu c tín hi u t n ( n , t y, n m, bắc), sao cho giá tr n

t u c ở ng Bắc là l n nhất, giá tr n c b n ( n , t y

và nam) bằng nhau;

Quy trình các b c th c hi n hi u chỉnh h Lidar:

- H r t ết kế, ế t o và tích h p ở Hìn 3.29b v trí t

r, t ến n u ỉn cân bằn o to n

- Hi u chỉn trụ qu n l s r p t v trụ qu n k ố t u s o

o son son v n u bằn vít v ỉn Hìn 27.

trí vít ỉn n bằn p í tr trí vít ỉn n bằn p í s u

H 3 27. trí vít ỉn trụ qu n l s r son son v trụ qu n t u

u ỉn s r p t n suất ố n ( ) t b s n =

nm v t số k uế n n qu n n ( ) bằn u ỉn

n p k uế [42]. Tinh chỉn vít v ỉn Hìn 3.28 sao cho chùm

tia laser ở b s n = nm v o tr n n ìn kín t n văn

u r o tín u, t l r ã t u n n c tín hi u

laser tán x n c từ khí quyển v a vào ng tín hi u n n

PMT, tinh chỉn vít v ỉn tr n t ốn ơ k í Hìn 3.27 v Hìn 3.28

ể k ểm tr p n qu n c c a h r t o n n , t y, n m v

bắ Kết quả t c giá tr n t u c ở ng Bắc là l n nhất, giá

tr n c a b n ( n , t y v n m) bằng nhau. ơn p p u

ỉn qu n n y u quả v s ụn tron m t số lĩn v

n qu n r, qu n kín ển v l n uy n t ( )

[5],[78].

trí vít ỉn t o n bắ , n m trí vít ỉn t o n n , t y

H 3.28 núm t n ỉn v trí l s r p t

ìn 3.29a l ìn vẽ m p n un p n t o tín u r t o

n bắ ( ), n n m ( ), n n ( ) n t y ( ) v ìn

3.29b là ản r v ỉn t o n n vít v ỉn

a b

H 3 29 (a) m p n un kín t n văn, (b) r t tế

ể tiến hành chia kín t n văn t n un . T ả s ụn m t

tấm ắn m u n t p í tr kín t n văn n Hìn 30 ấm ắn n y

ế t o t o ìn tr n n kín bằn o l n ơn n kín

kín t n văn v b k uyết ìn tr n n ằm o tín u p ản x l

p oton v ìn tr n n ăn tín u p ản x n l ìn 3.30 l ản t ể n

v trí o ở n (bắ , n m, n , t y) kín t n văn tr n t tế

c kết p v tấm ắn.

H 3.30 Ản v trí o kín t n văn t o n

ìn 3.31 l tín u o r t tế s u k n

bằn ; ỉn trụ qu n l s r phát v trụ qu n kín t n văn son

son v n u v t n ỉn ơ k í ỡ l s r t o n n , t y, n m

v bắ o t nghi m r sau khi ã hi u chỉnh v i t n số k t u t:

n suất p t l s r = 100mJ;

s n l s r = 532nm

n số p t = 10Hz

r n xun p t = 8ns

n kín m t s r = 8 mm

n p u k ển = 0,6V

n kín kín t n văn = 280mm

k oản th c tế trụ qu n kín t n văn v trụ qu n

l s r l m o s n tín u t u Hìn 3.31 gi p ép o l n t n ất

v l n t p n t n n (m u v m u n) l ốn

n u u n y o t ấy khí quyển tron suốt qu trìn o l n n k n

s x o tr n Tín hi u o ở un p n t p í bắc là rất khác bi t so

v tín u t u ở un p n t k ết quả o t ấy l tín u

ph n t n bắ lu n l n ơn tín u un p n t n l tron

p ép o r m t t ốn r ất l n tốt, tín u t

un p n t n n v n t y tr t ơn ơn n u v ồn

l n n u Ở p ép o n y o t ấy tín u ở un p n t n v t y

n n n u (m u v x n l y) ín u ở n n m (m u ồn )

xuất n ở v trí x ơn so v tín u xuất n ở n bắ ìn 3.31 o

t ấy s ồn p bắ v n m n n kiến và s chồn p y

c a toàn b kín t n văn l ở k oản m, nơ tín u ở n n ,

nam và tây h p nhất ( p v o n u)

H 3.31 ín u r t u từ n s u k u ỉn

ín u o bằn t n m p p v kết quả tín to n bằn

l t uyết. Biểu t (3.13) l ở k oản từ m trở l n t ì t l s r sẽ bắt

u v o tr n n ìn kín t n văn bằn n l tín u r o

ở n bắ bắt u xuất n ở k oản n y, n tín u m u

xanh ìn 3.31.

3.5 Xây d ng c ơ ố

C ơn trìn p n m m o v l u tr số li u làm nhi m vụ thu nh n tín

hi u số ở u ra b thu v o m y tín ển th , l u tr kết quả và t

các thông số k thu t khối phát, khối thu n n thông số m tr ng

qu s nsor ể ch n chế o p p.

ìn 3.32 l sơ ồ k ố ơn trìn o v l u tr số li u v ết bằn n n

n b w

H 3.32 ơ ồ k ố ơn trìn o v l u tr số l u

k ở t o ơn trìn sẽ t n p n ất t n t n v m tr n

o t n qu k ố s u

K ố ồm:

- o n t , ẩm m tr n o v o t ểm n t bằn

Sensor DHT 21

- o p suất m tr n o v o t ểm n t bằn Sensor MPS

20N0040D

- o t v trí t t ết b o bằn b t u GPS

- o m (x n t t ểm o m k n ) bằn Sensor

MH001654

- n tr tron , y m y bằn ụp ản b u tr .

ố ồm

- t n số v l s r p t ăn l n p t, t n số, r n xun

l s r, n t o t n ;

- t n số k t u t t o o n k MSO (t n số quét,

t n o, ế ồn b v ế t u t p tín u o (m t xun o trun

bìn n u xun );

- n số v tr n ẩn Lidar.

ố ng nhân quang n ( ) và thông số k t u t u ỉn

p p v ế o

ố k ố t u t p tín u n S ụn o n k MSO 4104 (tố

lấy m u từ - b s) v p n ả bít.

ố k ố o n n s ụn , giúp t n t o t t,

u ỉn t n số k t u t Lidar bằn t y.

ố ồm ế o

+ ế (st n -by); + ế o b n n y;

+ ế o b n m; + ế o tr tron

+ ế o tr n u mây

+ ế o kết p v tr m o

ố ểu n tr o tr t ếp v ghi số l u x l (thô)

ố t n số k t u t t ốn t n số m tr n o;

tr n t ìn v t gian o; t n số k t u t laser phát; thôn số k

t u t ; n u n n v n u t ốn

y ơn trìn o và l u tr số l u r, m y tín sẽ

kết nố v k ố ( ) t n qu n o t ếp ơn trìn o s

ụn k ố ( ) t t n số k t u t n t ết o k ố 3,4,5 và

ín u o ồn b bằn xun từ b n n o ( ủ

t); ơn trìn sẽ t n l n k n tín u v o v t t n số

v p n ả (b n , t n số); t m số o (m t xun , trun bìn n u

xun ); t n v l s r p t ( ó ă

ợ ó ) v n n file l u l u tr u k ơn trìn

t t n số v l u tr số l u xong trên màn hình xuất n o n

n s ụn ìn 33

H 3 33 o n ơn trìn t u tín u r

r n o n ìn 33 n s ụn o n to n t ể t y

t n số k t u t Lidar. M t số t n số u v o v m tr n o

(n t , m y v m ) p n t l n tụ n s nsor n m m sẽ

tín to n ể t n uyển sang ế o p p.

ơ III

ơn , t ả ã trìn b y qu trìn t ết kế, ế t o v tí p

Lidar o v n n u m tr n k í quyển theo y u u bài toán xây

n r qu n trắ sol k í n t l u r

thông số k t u t p n n tí p p p t n qu v k ểm n từ

kết quả ơn trìn m p n p ơn trìn r v ng m t phân t

khí c a l t ơn ồng.

t ết kế, ế t o v o n t n t ốn Lidar m p n

trên v t y t n số u vào ơn trìn m p n p ơn

trình Lidar. n y l m rõ ản ởn t n số k t u t từn

mo ul, p n t tí p Lidar, úp o s l n l n k n t n

số p p so v y u u tránh không b mua v l k n n c nhằm

tố u vấn kinh tế.

ơn trìn m p ng còn giúp cho vi c thiết kế, chế t o và tích h p

cho các h r t ơn t d dàng và thu n ti n theo yêu c u t ra thông qua

s t y i các thông số u vào c a ph n m m mô ph ng.

ả xuất m t quy trìn u ỉn r b quy

trình ã ảm b t t n u chỉn t ết b tr k o, tăn n y.

ả x y n p n m m o và t u t p số l u. C t n số

k t u t t ết b cài t t o n n s ụn . p n m m,

idar c k ả năn t í n o v u k n m tr n o n

sensor và t n uyển tr n t s n ế o p p

H Lidar n p ả t ến n các n v t ếp t o ể o n ỉn

t ết b n n n u t ốn v n u n n v o t n k

n u (v o bu s n , u, tố tron n y v m tron năm), n v

s số p ép o, k ả năn p n ả t o t tế b t l t u t to n x

l kết quả o n ằm r t n số v k í quyển n o l p b n k í

quyển, y qu n . t số n un n y trìn b y ở ơn

C ơ IV: X x ơ H N

n n y, v n n u tìn tr n n m k n k í, b ến k í

u ở n t n ú tr n v ã n n kết quả n ất n

p ơn p p qu n trắ từ x n Lidar, r , v t n n s ụn ể

o t n số k í quyển s ụn p ơn p p v n t m kết

p v t n v tr m o ở m t ất ể qu n trắ , m s t qu trìn

v n uyển t n p n k í quyển b m t l m t p ơn p p u quả rất n

quan tâm [11],[18] ơn p p qu n trắ sol k í v ất k í tron k í

quyển s ụn t ết b o b x m t tr ở ả p t tr n v t n v tr n

m t ất l m t n ụ u u s ụn n n y o t ết b o

b x t n n, t ết b o tí n Lidar, r r n s ụn

t m, s ụn n n v n t m qu n trắ , n n u k í

quyển m p t tr ển tron k oản năm trở l y ụn l u

ản v t n ể n n u p n bố t o t n v k n n

y qu n sol k í k u v t m [8], n n u quy lu t

b ến t o m từ v so s n v từ tr m

AERONET [31]. H n t , t m ã tr m o sol k í u số l u

kéo ơn m t năm l tr m ắ n , tr m ĩ ( ), tr m ơn

, tr m r n v tr m u G n y r s ụn ể

n n u sol k í

p ép o Lidar t n xuy n sẽ un ấp u số l u l n tụ

v t n p n v ấu trú k í quyển ron sol k í t n n qu n tr n

y n n n n t y k í quyển, t y qu trìn ìn t n

m y, p ản x v ấp t ụ năn l n b x y n n n n b ến tron t

t ết, k í u ấu trú t o u t ẳn n t n số k í t n

v tín sol k í l t n số u v o qu n tr n m

ìn v n uyển ất y n m tron k í quyển v n t n

t t ết n uy ểm n n n u v ểm sol k í tron k u v

u - ìn ơn o t ấy s p ụ t u m n mẽ m t , t m

số v t l sol k í l n yếu tố v ấu trú v o l p b n k í

quyển ( ) p b n k í quyển l nơ xảy r s tr o n t, n

l n v ẩm b m t nằm b n v t n ố l u t o b n tr n

ản ởn ến s n n k í quyển l p t ấp, u k n v n

uyển sol k í v ất y n m Tín to n o từ

số l u p ép o Lidar l m ở t m v n ĩ l n v k o v

tron n n u s phân t ng theo chi u thẳn ng các l p sol khí và các

c tính quang h c trong từng l p c a LBKQ.

ơn n y n n u x y n t u t to n v ơn trìn x n

o từ số l u Lidar do n m n n u t ết kế, ế t o v tí

p v p n ả o t o t n v k n n Trên ơ sở l u

Lidar o t ả tín o l p b n k í quyển bằn s ụn p ơn

p p b ến Wavelet p p ơn s (WCT); xuất t u t to n, ơn

trìn x n tr ãn nở tố u tín o từ số l u o Lidar

nhanh và ín x , b u x n o t k u v

4.1 x ố

Hìn l sơ ồ k ố b ểu n kết quả o r ừ l u m

ìn (b n t m k n o p n t k í - 90) t ả tín

số t n x β v suy o α p n t k í; l u o Lidar ghi t

n l ‘*.text’. u uẩn n l tín u s n n uẩn

NetCDF 1.5 bằn p n m m.

t p l u vào uẩn t o ấu trú l u mản , n n

uẩn un ấp l u u v o o ơn trìn ín ơn trìn ìn

4.2 sẽ t t m m t v t n số ( m ồn p t ốn ; n

ểm b n, tỷ số r, n u) ết quả r ơn trìn ín sẽ l l

l u t o n n t u uẩn t x l n tín u sẽ

b ểu n v s kết p v ơn trìn tl b v r n

H ơ ồ k ố ển t kết quả o

ơ ồ k ố x l số l u o t ể n bằn ơn trìn tín t n

m t số t n số từ kết quả ở Hìn

H ơ ồ ơn trìn x l số l u

Lidar Hìn 4.3 n n u, ế t o t n t l u v

mụ í n n u m tr n k í quyển n un v sol k í n r n

tr n t n số k t u t p n n tố u k ểm n bằn p n m m

m p n

H 3 ơ ồ k ố t u v ản r

p n p t l l s r - ( l rus) p t ở b s n ơ bản

nm v n suất l m , nm v n suất l m , nm v

n suất l m v nm v n suất l m un s r p t t ẳn

l n k í quyển ở b s n nm v t n số z ở m năn l n m

ín u r từ k í quyển t u bằn kín t n văn ( ) lo m t

ss r n n kín mm, số = ín u qu n s u k t u

từ kín t n văn sẽ t t ấu kín tụ ( ) v ( ) tụ m tín

u trở v t ết n mm ở lố r k kín t n văn t n m tín u

son son t ết n mm n l o t o ( ) b s n nm v

băn t n p nm sẽ l n u n n tr k tín u trở v qu k ố

t m p n ( ) sẽ t tín u trở v t b s n nm t n

t n p n p n vu n v son son so v p ơn p n

m l s r p t tín u qu n p n n y sẽ uyển t n tín

u n n ống n n qu n n - ( , ) s l m v Φ

= mm o t n ở b s n nm ín u n ở lố r n n qu n n

bở o n k tố o ( z) kết nố v m y tín qu n

ố l u o sẽ ển t , l t n l v x l bằn m t

p n m m uy n ụn

ìn 4.4a l ồ t b ểu n kết quả y ơn trìn m p n theo

p ơn trìn r v t n số k t u t u v o EL=180 mJ, = 532nm, Φ = 8mm, τ = ns, = z; số k uế (xấp xỉ 4)

ã trìn b y ở ơn III.

ìn b là tín u t u bằn r ế t o t t ểm 9

30 phút n y t n V t l u - o n uố t, u

ấy, , t n số k t u t t cho r ốn n t n số k t u t y ơn trìn m p n v n ẩn Lidar = 250.

a b

H (a) ín u y ơn trìn mô p n , (b) tín u r o lú n y

ín u t u từ r o t ấy xuất n t b ến t

o k oản m v m y l tín u p ản x m m y m tín

u p t l s r p p ả v p ản x trở l ết quả tín u t u từ

r l t ơn ồn v tín u y ơn trìn m p n

tr m o k í t n t n – (số tr m ở vĩ 0 ’ v k n 0 ’), b n t m k n t ả l n m t n y t v

quố tế t l lú v t m ể t u t p số l u v t t ết

ố l u b n t m k n n y lúc t tr m n –

ố l u t u t o k oản m ( ẩm tuy t ố ) =

100%. Cho t ấy ơ n ở tr n t bão v k u v n y m y o

s n số l u b n t m k n v tín u t u từ t ốn r l

p p

Đ Lidar H N

D l H N h Lidar

T ố ố Lidar MPL

H MPL (Micro Pulse Lidar) Hìn 4.5 thu c m ng tr m MPLNET c a

( t on l ron ut s n p m n str t on) t t ĩ -

Hà N i (21.047780° N, 105.799640° E) ho t ng ở chế Rayleigh. Bên

c n p ép o r n i mây thì số li u MPL còn có thể n ể x nh

m t cắt ngang tán x v dày quang h c c m y; o l p b n k í

quyển; số suy giảm và dày quang h c sol khí. Thiết b bao gồm m t h

kín t n văn ồng trục có tác dụng thu, phát tín hi u và m t laser Nd-YLF

phát ra các xung ánh sáng ở b c sóng 532 nm [31].

H 4.5 Thiết b quan trắc MPLNET ở Hà N i

n số k t u t lo - 532:

n suất p t l s r = 4 – 5 mJ;

s n l s r = 532nm

n số p t xung = 2500Hz

n kín kín t n văn = 80mm.

p n ả t ết b = 75m

l u tín u o yl t ốn t t o uẩn

t ồm t p p t o l l u

- l u t n o t o mố quố tế năm t n n y, p út y;

- l u v n t m tr n o t n t ết b v l s r p t;

- l u v n suất s r p t r (μ );

- l u v n u n n (Photon_ l trons μs); - l u v số p oton p ản ồ (( ount μs *μ )*km2) m t p út

m t số l u o m t l l u sẽ t t o n v t t ơn

n ố l u n t ơn n v số l u v số p oton p ản ồ t u ố

l u t l o t ơn n v số l u p oton t u ết b o ở

o tố km, p n ả t ết b l m l số l u l m t m

tr n t t ơn n v o km v n t ơn n v

1440 p út (m t n y)

4.2.1.2 D l H N h Lidar

o l l u k u l * sẽ t n số s u

τ ( u kỳ) = s t ì tr n to n m n ìn o n k [90] sẽ

k oản t n ấp l n n quét ết m n ìn sẽ l

T= 10* τ = * s = s

ron ơn trìn o v t u t p số l u từ o n k v o m y tín

t ì quét xon m n ìn t ì sẽ t n l v l ểm số

l u o v y m ểm tr n m n ìn sẽ k oản t n t ơn n l

Tín u o c là tín hi u t n x v p ản x n n quãn n l

chi u tín u (p t r ) v u tín u v (n n v ) n quãn n

là gấp , k p n ả p ép o l

u t p số l u o sol k í bằn Lidar trên. T ả t ế o

ồn b n o tr n o n k Hìn 6. trí ồn b tr n o n k bắt

u t v trí ểm n tố m o n k t ể t u tín

u sẽ l t n Khoản tố số l u o n k l (

ủ ) l

u ỉn t n quét tr n o n k t ì k oản tố

t ể o n sẽ t y τ ( u kỳ) = s t ì o tố

o c là = km v p n ả l m

H 4.6 Ản tín u ồn b n o o o n k

t ốn Lidar tr n t tế Hìn 4.7 t x n so v trụ o n (nằm n n ) m t 0 n n o (t ẳn n ) sẽ l

z = h *sin(250)

z = 30 *sin(250) =12,67 Km

* sin(250) = 3m * sin(250) = 1,268 m ( p n ả ) =

t ốn Lidar n n u, chế t o t n V t l u - o n

uố t, u ấy, Hìn 7 t n số k t u t o t n

n s u

- ăn l n l s r p t L=180 mJ;

- s n l s r = nm;

- r n xun l s r p t τ = ns;

- T n số p t xun l s r = z;

- n kín m t l s r Φ = 8mm; - số k uế (xấp xỉ 4);

- n kín kín t n văn = mm - n ẩn t ốn l 0.

H 4.7 Lidar n n u thiết kế, chế t o và tích h p

3 ố l

Tr m o k í t n t n – (số tr m ở vĩ 0 ’ v k n 0 ’) y b n t m k n t ả l n m t n y t

v quố tế t l lú v ở t m ể t u t p số l u

v t t ết n số l u ở bản 4. ừ số l u b n t m k n x n

n u t n số v t t ết tron m y [84]. ố l u b n t m

k n bản 4. l số l u o n y v o t n l t tr m

n – t u . o k oản m ẩm tuy t ố

= 100% u n y o t ấy o t ấy ơ n ở tr n t bão v k u

v n y m y

B ố l u t n số k í quyển o bở b n t m k n

4.2.2

H N

ơn trìn t u t p số l u h r l m t p út m t

l n ố l u l u tr t o n n l uẩn t T ả s ụn

ơn trìn r n ro ể x l số l u ìn 4.8 v ìn l n tín u

o n y t n năm bằn t ết b Ở n tín u n y, t ả n n

t ấy v o lú m m y xuất n m t m m y ở t n t ấp v

m t m m y ở t n o ìn 8 oản m t s u lú m m y

t n t ấp v n tồn t v xu n y ơn b ểu n bở tr o tín u

t n x p ản ồ l n ơn tr o tr m m y ở t n o ã t n b ểu

n l tr o tín u p ản ồ bằn 0 Hìn 9

H ín u r o lú (01/9/2012) t i

H 9 ín u r o lú ( ) t i

ìn v ìn l n tín u o v o n y t n năm

t t n k n u T ả qu n s t t ấy v o lú , tr

tín u t n x t ốn o tr xấp xỉ tr bằn , tr tron

v k n m y ìn 10 o lú , tr tín u t n x

t ốn o tr k , t l xuất n m t m m y n m n ở

t n t ấp Hìn 11.

H 10 ín u r o lú ( ) t i

H 11 ín u r o lú (01/10/2012) t Hà N i

H N Lidar

H r n n u, thiết kế và chế t o t n t l u –

18 Ho n uố t, u ấy, Hình 4.7 t t n số

k t u t s u

- ăn l n l s r p t L=180 mJ;

- s n l s r = nm;

- r n xun l s r p t τ = ns;

- n số p t xun l s r = z;

- n kín m t l s r ɸ = 8mm; - số k uế (xấp xỉ 4);

- n kín kín t n văn = mm; - n ẩn t ốn l 0.

tr tín u p ản ồ bằn r t ểm n y

Hìn 2. ín u t u từ r o t ấy xuất n t b ến t

o k oản m v m y l tín u p ản x m m y m

tín u l s r p t r p p ả v tán x v o số l u b n t m k n t ả

n y ở ản lú t tr m n - t ì ở k u v

n y m y ở o k oản m.

H ín u r o lú ( )

ìn 3 l tín u r o v o lú n y v

t n số k t u t r k o n s u

n suất p t l s r = 100mJ;

s n l s r = 532nm

n số p t = 10Hz

r n xun p t = 8ns

n kín m t s r

100

n p u k ển = 8 mm = , ( số k uế 5) [38]

n kín kín t n văn = 280mm

ố l u t u o t ấy t t ểm n y xuất n m m y ở o

mét v mét

H 4.13 ín u r o lú 48 phút (23/11/2016)

ìn 4 l tín u r vẽ tron k oản t n p út (từ

p út ến p út) n y Ở y t ả t ấy xuất n

m m y o k oản , km v , km

101

H 4 ín u r o lú 35 phút -17 58 phút

ìn 4.15 (a, b, c, ) l tín u r o v o t n

p út, p út, p út v p út n y ố

l u r t t ểm p út ìn 5a k n xuất n m y

tron t ểm o t ểm p út tín u từ t ốn r

t u o t ấy ã xuất n m t m m y ở o k oản mét ìn

4.15b ểm 29 p út tín u t u ìn 5 o t ấy ã

xuất n m m y ở o k oản mét v tr n mét n

tín u t u , t ả x n n tín l m m y ở tr n o

y n ơn m m y ở t ấp ừ số l u tín u t u o n to n

t ể x n y l p m y ìn 5 l tín u r t u

t t ểm p út ú n y ở o k oản km v km

m y v y l p m y tr n o ã y ơn y l p m y ở p í

t o n tín u t u

a b

d c

102

H 4.15 ín u r o n y

ìn 6 l tín u r t u tron k oản t n p út (từ

p út ến p út) n y Ở ìn vẽ o t t ấy

m m y o k oản km v km m m y ở o k oản

km xuất n v o t n ở p út, m m y t ở o k oản

km xuất n t t ểm p út

H 4.16 ín u r o lú 16 phút -18 37 phút

4.3 T cao b ng ố

T n ố l u k í quyển có thể chia thành hai l p: l p s t ất cao từ

ến 3000 m g i là l p biên khí quyển (LBKQ) và ph n còn l i là l p ối

l u t do [16],[27]. LBKQ ch u ản ởng tr c tiếp bở t ng c a b m t

r ất và phản hồi l t ng b m t trong khoảng th i gian m t gi

ho ít ơn. Nh n t ng bao gồm: ma sát, bố ơ , truy n nhi t, khí thải ô

nhi m. LBKQ có ản ởn ến s n nh c a khí quyển l p thấp, u

ki n v n chuyển sol khí và các chất gây ô nhi m. Phân bố theo chi u thẳng

ng c a các thông số k í t ng và các c tính sol khí là các thông số u

vào quan tr ng c a các mô hình v n chuyển các chất gây ô nhi m trong khí

103

quyển và các hi n t ng th i tiết nguy hiểm. Nh ng nghiên c u v ểm

sol khí cho thấy s phụ thu c m nh mẽ c a m t sol khí và các tham số v t

lý c a nó vào các yếu tố cấu trú v cao LBKQ [75]. cao LBKQ có thể

x nh bằng nhi u p ơn p p b o ồm c t k í t ng [13], thám

không [35], máy bay [73], sodar [20], m t cắt gió [77], Lidar [19],[82] và cắt

l p vô tuyến dùng h thốn nh v toàn c u (GPS) [23]. M p ơn p p

u có thế m nh và h n chế riêng. Ngay cả ối v i m t công cụ, n t ể

rất nhi u ể x n cao LBKQ.

ron lu n n, t ả trình bày p ơn p p b ến avelet p

p ơn s ( ) ể tín to n cao l p biên khí quyển ( ) từ số l u

r o sol k í; xuất p ơn p p x n tr ãn nở tố u ể

x n o o m t r do t ả t n n n u ế

t o, tí p v o n t n ụn số l u r ể x n o l p b n

k í quyển ã n u n trìn n bố [63],[82]. Trong số

ơn p p ơn ản l t n ỡn o tín u r ã u

ỉn t o o ể x n ỉnh c a LBKQ [70] ơn p p n y m t

h n chế l k n x n ỉn tron tr n p ỉn

p t p (l p sol k í p t p)

ơn p p r nt n l m t trong nh n p ơn p p s

ụn ơn p p r nt n c g l p ơn p p ểm - uốn

o x n t v trí m t o m u tiên c a tín hi u

r u ỉnh theo o lấy giá tr tối thiểu uy n n p ơn

pháp này b ản ởn rất m n bở n u v n k n x n c nh ng

t y p n bố n trong tín hi u Lidar [58].

ơn p p p ơn s y c g l p ơn p p ntro

o l o m t p ơn s t m t tr l n n ất ì n

m t l ng l n số l u p n bố t o u ể tín to n p ơn s t m t

o v y phân giả t m t tron v x n o b h n ế

104

[58],[81].

ắ p ụ n n n ểm tr n, t ả xuất s ụn p ơn

pháp b ến W v l t p p ơn s ( ) ể tín o từ số

l u r t u [46],[53],[70].

ến n n ĩ n s u

(4.5)

ron

- Wf( ,b) l b ến W v l t l n tụ m (r)

- r l o - (r) l tín u t n x r u ỉn t o o v f (r) = P(r)r2 - P(r)r2 l tín u t n x t u u ỉn t o o r

- rb và rt l n v tr n trắ ồ t ơn n

(4.6) h[ ] [

]

- l tỷ l (s l ) y l tr ãn nở, y l yếu tố qu n tr n o

p ép t y p n ả o.

- b l v trí uyển

Hàm Haar lấy tr tron b ểu t (4.6) v m n ìn n Hình 4.17.

105

H 4.17 ìn n m ar

b t ến n x n o l p b n k í quyển ( )

) n n rb và rt tí p n

b) ín m r v tr ãn nở

) ín m f(b) l tí (r)* (b)

) ín tr tí p n Wf(b) tron k oản từ rb ến rt .

b , b, , d l p l ở o r t ếp t o u qu trìn

l p sẽ m t ãy tr Wf(b) t ơn n v v trí uyển b k

nhau ( tr v trí uyển b lấy t ơn n p n ả l u

Lidar).

- ìm tr x tron ãy Wf(b) x n tr n

- ừ tr x ãy Wf(b) x n o r t ơn n .

o r ín l o l p b n k í quyển tron u số l u v o tín

to n.

ơn trìn ( ) o t ấy, Wf ( ,b) l m t n x tín u t n x r u uẩn t o o P(r)r2 n n v hàm Haar. Hàm Wf(a, b) p ụ

t u b ến số l tr ãn nở a v b ến uyển b. G tr ãn nở

n u t n nên b ến W v l t p p ơn s Wf (a,b) l m t m

uyển b. l n m t tr ãn nở t í p l t t

ín quyết n t n n tron v x n o ỉn bằn

p ơn p p n y [53].

ìn 18 l l u ồ t u t to n tín to n s p ụ t u tr ãn nở

106

p ơn p p b ến W v l t p p ơn s (WCT).

H 18 u ồ t u t to n x n p ụ t u ãn nở

ìn 19 l tín u r o t n t l u lú

n y ìn 19 l tín u t u ã u ỉn t o o,

ìn 19b l ồ t b ểu n m tín u r t u tr n v

tr ãn nở k n u v s ụn n n n tl b ể tín t o l u

107

ồ t u t to n ìn 8 tr bắt u ở o từ m trở l n ến

m o ìn 19b tr t y t o tr ãn nở G tr

l n n ất ở v trí = m v tr n n ất ở = m

a b

H 19 ( ) ín u r t u u ỉn t o o, (b) WCT p ụ t u v o ãn nở ( )

ìn 20a l tín u r o t n t l u lú 18

n y ã u ỉn t o o, ìn 20b l ồ t

b ểu n m tín u r o tr n v tr ãn nở

k n u

a b

108

H 20 ( ) ín u r t u u ỉn t o o, (b) WCT p ụ t u v o ãn nở (09/4/2018)

ìn 21 l l u ồ t u t to n tín to n s p ụ t u o l p b n k í

quyển v o tr ãn nở tr o l p b n k í quyển ( ) n

ơn 3000m [16],[27]. G tr s số o bằn k oản l p b n

k í quyển t ơn n l m

109

H 21 u ồ t u t to n x n o LBKQ p ụ t u ãn nở a

ừ l u ồ t u t to n x nh o l p b n k í quyển p ụ t u ãn

nở ìn 21. T ả x y n ơn trìn tín o ở k u v

p ụ t u v o tr ãn nở bằn n n n tl b ết quả tín

to n o l p b n k í quyển v o n y ìn 2 v n y

9/4/2018 Hìn 2b t o số l u r t u

a b

H 2 p ụ t u o v o ãn nở

ết quả ơn trìn t u o t ấy r o t ả t ết kế,

ế t o tr ãn nở bằn o l n ơn m t ì tr o l p

b n k í quyển n n tr n n u

kết quả o , tín to n bằn t n m t ả rút r kết

lu n p ụn tr ãn nở o r o t ả n n u ế t o l n

ơn o bằn m n ể tín o o l p b n k í quyển

ìn 3 l tín u o l p b n k í quyển v m y t (

o n uố t, u ấy, ) n y lú ín u

r t u ã x l bằn t u t to n b ến Wavelet p p ơn

sai ( ) v b y l m v tr = m ể tín o l p b n k í

110

quyển v o tố l m.

H 3 Ản o l p b n k í quyển v m y n y

ìn 4 l tín u o l p b n k í quyển t ( o n

uố t, u ấy, ) v o n y 25/12/2016 x l bằn t u t

to n b ến avelet p p ơn s ( ) v b y l m v tr

= m từ số l u r t u

H 4 Ản o l p b n k í quyển v m y n y

111

( p út ến p út)

ìn 5 l tín u o l p b n k í quyển t ( o n

uố t, u ấy, ) v o n y x l bằn t u t to n

p p ơn s b ến Wavelet ( ) v b y l m v tr =

m từ số l u r t u

H 25 Ản o l p b n k í quyển v m y n y ( ến p út)

ìn 6 l tín u l p b n k í quyển t ( o n uố

t, u ấy, ) v o n y x l bằn t u t to n b ến

avelet p p ơn s ( ) v b y l m v tr = m

112

từ số l u r t u

H 6 Ản o l p b n k í quyển t (09/3/2018)

ìn 7 tín u l p b n k í quyển t ( o n uố

t, u ấy, ) v o n y x l bằn t u t to n b ến

avelet p p ơn s ( ) v b y l m v tr = m

từ số l u r t u

113

H 7 Ản o l p b n k í quyển t (09/4/2018)

ơ IV

- T ả p n tí , n số l u o r n n u, ế t o

v o n t n t n t l u – o n uố t, l

tín u r t u tron t n - v b ểu n m m y t u

t n qu ồ t bằn ơn trìn uy n ụn (t p t tr ển) o s n

n tín u o v n tín u r n t ,

b n t m k n o kết quả t ơn ồn

- n o l p b n k í quyển ở t m t số t ểm

năm , v bằn số l u o r t n qu p ơn p p

b ến W v l t p p ơn s (WCT) r n ơ sở tín to n v t

n m xuất tr ãn nở l n ơn o bằn m o r n n

u, t ết kế v ế t o t n t l u p ụn p ơn p p

v tr ãn nở xuất o x l số l u r tr n t u kết

quả tốt

- X l số l u t u t p ể t ể rút r n n kết lu n v o

t p ụ t u v k oản t n tron m t n y, tron

t n (tín t o m ), năm từ x n ản ởn k í quyển

t n t ấp v s v n uyển sol k í v ất y n m

- un ấp số l u o o m ìn tín to n s v n uyển

114

ất y n m tron k í quyển v m ìn b o t t ết

KẾT UẬN

u n n t ến sĩ uy n n n k t u t n t v t u n u

o n t n t ốn Lidar qu n trắ sol k í ã t c các kết quả sau:

 Hoàn thành mụ t u t ra:

- T xây d ng, tích h p c m t h Lidar quan trắ sol k í c tố u

v nhi u m t n mo ul p n c ng tích h p l a ch n và chế t o c

kiểm ch ng bằng ph n m m mô ph n t o p ơn trìn r; p ơn p p

hi u chỉnh h thốn ể t p ép o nh y cao; p n m m o, t u

t p v x l số l u;

- n o ín x k tín cao l p biên khí quyển từ số li u o

c a h r c xây d n ; t í ểm o k ểm n v x lý số li u t k u

 Hai kết quả kho m i c a t ả:

 Nghiên c u thiết kế, chế t o và tích h p h Lidar quan trắc sol k í

tron k í quyển c tố u ồm:

+ Kiểm tr v n t n số k thu t các modul ph n c ng tích

h p h Lidar từ kết quả ch y ơn trìn m p n p ơn trìn r

tr k ế t o;

+ xuất quy trình hi u chỉnh h Lidar v i các b c hi u chỉnh cụ thể

có tính toán, o c nhằm n n o tỷ số tín u n u, tăn nh y thiết b .

+ Các thông số k thu t c a h r t t i giao di n n i s

dụng; ế o p p v t n số u v o v m tr n o (n t ,

ẩm, m y v m ) v ế kết p v tr m o k ể ả quyết p ép

o p t p tron k í quyển

 Xây d ng ph n m m o, t u t p và x lý số li u và p ơn p p tín

115

cao l p biên khí quyển từ số li u Lidar v i n i dung:

+ Ph n m m o, t u t p và x lý kết quả o m y v sol k í tron k í

quyển t o t n t v p n ả k n n o ( -3m). Thu th p

và x lý số li u quan trắc mây và sol khí trong khí quyển năm ,

và 2018 (khu v c Hà N i). Kết quả n tín u o v n tín u

r n t , b n t m k n là t ơn ồn

+ xuất tr ãn nở tố u ể tín o bằn o l n

ơn m o r n n u, t ết kế v ế t o t n t l u

r t u t to n, ơn trìn x l số l u r ể tín v o

từ số l u r t u Áp dụng x n o LBKQ t

v o m t số n y tron năm , và 2018.

 ng phát triển tiếp theo c a lu n án

+ Tích h p mo ul u khiển chuyển ng, thu t to n u khiển

bám và ơn trìn thu th p số li u ồng b ể h Lidar có thể ho t ng ở

chế quan trắc sol khí theo 3 chi u.

+ Nghiên c u các thu t to n ể tính tố gió ở cao từ 100 mét trở

lên từ số li u Lidar v i mụ í b số li u v tố , n c

phân giải theo không gian và th i gian phục vụ cho quy ho ch, phát triển n

gió ở Vi t Nam.

V i kết quả t c c a t ả trong th i gian th c hi n. Khẳn n

n n u t ết kế, chế t o v o n t n r lu n l lĩn v c nghiên

c u m i c n n n t , tin h c và t ng hoá n un v lĩn v c chế

116

t o thiết b khoa h c nói riêng ở Vi t Nam.

D

1. A.D.Tuan, N.X.Anh and T.P.Hung (2017), The Simulation of aerosol

Lidar developed at the Institute of Geophysics , Journal of Marine

Science and Technology, Vol.17, No.4B, pp. 51-57, ISSN: 1859-3097.

2. u uy uấn, uy n u n n , u n n v r n ú n

(2019), ol k í v o l p b n k í quyển t k u v qu số

l u Lidar , ỏ, ố , pp.76-81, ISSN 0868-7052.

3. m u n n , uy n u n n , m ơn ,

úy, o n ả ơn uy n u n ơn v u uy uấn (2015),

ểm y qu n sol k í từ số l u tr m t m

v so s n ún v số l u ,

, ố , pp 252-263, ISSN: 0866-7187.

4. A.P. Chaikovsky, A. I. Bril, A. S. Fedarenka, V. A. Peshcharankou,

Nguyen Xuan Anh and Au Duy Tuan (2020), Synergy of Ground-

based and satellite optical remote measurements for studying

atmospheric aerosols , Journal of Applied Spectroscopy, Vol.86, No.6.

5. u uy uấn, uy n u n n v uy n ế ruy n (2016),

n u o n t n t ốn Lidar qu n trắ sol k í – p n

Lidar , ả ử

tin REV-2016.

6. Âu Duy Tuấn, Nguy n Xuân Anh, Tr n ú n v u n n

(2019), Research for the improvement of an aerosol Lidar system , H i

ngh - Triển lãm qu c t l n th 5 v u khiển và Tự ng hoá VCCA-

117

2019.

T

T V

1. uy n u n n , u n ( ), " n u n ụn r tron n n u m y ",Tuyển tập các công trình nghiên c u Vi n Vật ý a c u 2008, tr 1-10.

2. Nguy n n ìn , n ăn run ( ), " t tr ển h thống Lidar s dụng nghiên c u sol khí t i Vi n v t lý – nh ng kết quả b n u, H i ngh khoa h c kỷ ni 35 ă VAS , pp.9–14.

3. ăn Hả ( ), " ụn k t u t r n n u tr n v t

l son k í tron t n k í quyển".

4. uy n ế ếu ( ), " n u t ết kế, ế t o t ốn r

n ụn tron o t n số k í quyển", -10.

5. Tr n Xuân Hoài, Âu Duy Tuấn ( ), " ết kế t ốn n t o l n – u k ển t n s ụn n ", H i ngh khoa h c kỷ ni 35 ă VAS pp.133–138.

6. m ồ v o n u n ơ ( ), " ơ sở k í t n ".

7. Lê Huy Minh, uy n u n n ( ), " ng dụng công ngh v trụ ể nghiên c u n ản ởng c a t n n ly và t ng khí quyển t i chính xác khi s dụng tín hi u v tinh ở khu v c Vi t Nam", Báo cáo ơ ì c công ngh ũ ụ 2008-2011.

8. m u n n v n s (2015), " ểm dày quang h c sol khí từ số li u các tr m AERONET Vi t Nam và so sánh chúng v i số li u MODIS",T p chí Các Khoa h c v t, ố , r –263.

9. uy n u n uấn ( ), " n u v p t tr ển k t u t r n

ụn k ảo s t p n bố n t v m t k í quyển".

10. run t m qu n trắ ( ), " n t n v di n biến chất

l n m tr ng không khí t i th i".

T A

118

11. A.Chaikovsky, A. Bril, O. Dubovik et al (2004), "CIMEL and multiwave- length Lidar measurements for troposphere aerosol altitude distributions investigation, long-range transfer monitoring and regional ecological problems solution: field validation of retrieval techniques", Opt Pura Apl, Vol.37, pp.3241-3246

12. A.Jayaraman (2003), "Lidar and Its Appilactions", Phys. Res. Lab.

pp.1–26

13. A. P. Van Ulden & J.Wieringa (1996), "Atmospheric boundary layer research at Cabauw", Boundary-Layer Meteorol, Vol.78, pp.39–69

14. A. Stewart Walker (2018), Lidar Magazine, pp.1–52

15. Alessia Sannino, Antonella Boselli et al (2019), Optimization of the Lidar optical design for measurement of the aerosol extinction vertical profile, EPJ Web of Conferences, pp 1–4

16. Alexander Baklanov & Branko Grisogono (2007), "Atmospheric boundary layers: nature, theory and applications to environmental modelling and security", Springer Sci, pp.1–4

17. Ali H Omar, David M Winker, Mark A Vaughan et al (2009), "The CALIPSO automated aerosol classification and Lidar ratio selection algorithm", J Atmos Ocean Technol,Vol.20, pp.1994–2014, doi: 10.1017/CBO9781107415324.004

18. Anatoly P. Chaikovsky, O. Dubovik et al (2002), "Methodology to retrieve atmospheric aerosol parameters by combining ground-based measurements of multiwavelength Lidar and sun sky-scanning radiometer", Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Vol.4678, pp.257–268, doi: 10.1117/12.458450

19. Andrea Lammert and Jens Bosenberg (2006), "Determination of the convective boundary-layer height with laser remote sensing", Springer Sci, Vol.119, pp.159–160, doi: 10.1007/s10546-005-9020-x

20. Beyrich F (1997), "Mixing height estimation from sodar data", Atmos

Environ, Vol.31, pp.3941–3953

21. C. F. Bohren and D. R. Huffman (1983), Absorption and Scattering of

Light Small Particles

119

22. Caicedo V, Rappenglück B, Lefer B, Morris G, Toledo D, Delgado R (2017), "Comparison of aerosol Lidar retrieval methods for boundary layer height detection using ceilometer aerosol backscatter data", pp.1609–1622, doi: 10.5194/amt-10-1609-2017

23. Chi O. Ao, Duane E. Waliser et al (2012), "Planetary boundary layer heights from GPS radio occultation refractivity and humidity profiles", J Geophys Res Atmos, Vol.117, pp.1–18, doi: 10.1029/2012JD017598

24. Collis RTH, Russell PB (2012), "Lidar measurement of particles and gases by elastic backscattering and differential absorption", pp.71–151, doi: 10.1007/3-540-07743-x

25. David S. Hall LAH (2011), "High Definition Lidar System", pp.1–26

26. Delbarre H, "Laboratory for Physico-Chemistry of the Atmosphere"

27. Dian J. Seidel, Chi O. Ao and Kun Li (2010), "Estimating climatological layer heights from radiosonde observations: planetary boundary Comparison of methods and uncertainty analysis", J Geophys Res Atmos, Vol.115, pp.1–15, doi: 10.1029/2009JD013680

28. Dongsong SUN, Sakae KAWATO and Takao KOBAYASHI (2000), "Ultraviolet Rayleigh Lidar for Wind and Temperature Measurements", Opt Rev, Vol.7, pp.555–560

29. E.D.Hinkley (1996), "Laser Monitoring of the Atmosphere", Springer-

Verlag

30. Eduardo Quel et al (2007), "Using Lidar to Ozone Layer"

31. Ellsworth J.Welton et al (2014), The NASA Micro - Pulse Lidar

Network (MPLNET)", pp.1–5

32. Francesc Rocadenbosch (2003), "Lidar - Aerosol Sensing", In:

Encyclopedia of Optical Engineering, pp.1090 - 1102

33. Frank Raes, Timothy Bates, Frank McGovern and Marc Van Liedekerke (2000), "The 2nd Aerosol Characterization Experiment (ACE-2): general overview and main results"

34. Frederick G. Fernald (1984), "Analysis of atmospheric Lidar

observations: some comments", Appl Opt, Vol.23, pp.652–653

35. George C. Holzworth (1964), "Estimates of Mean Maximum Mixing

Depths in the Contiguous United States" Vol.92, pp.235–242

120

36. Gilles Larchevêque (2002), "Development of the Jungfraujoch Multi- Wavelength Lidar System for Continuous Observations of the Aerosol Optical Properties in the Free Troposphere"

37. Hamamatsu (1999), "Photomultiplier tubes Basics and Applications"

38. Hamamatsu (2006), "Photomultiplier Tubes Opening The Future with

Photonics"

39. Hamamatsu Photonics (2001), "Metal Package Photomultiplier Tube

R7400U Series"

40. Hamamatsu Photonics (2007), "PHOTOMULTIPLIER TUBES Basic

and Applications"

41. Hamamatsu Photonics (2008), "Compact High Voltage Power Supply

Units C4900", pp.40–41

42. Hamamatsu Photonics (2018), "Photosensor Modules H11526 Series"

43. HUANG Wei-Ping JK et al (2013), "Design of the photomultiplier tube bases for high dynamic range readout in WCDA", Chinese Phys C, Vol.37, doi: 10.1088/1674-1137/37/3/036001

44. Hyo Sang Lee, Silver Spring et al (2003), "Portable Digital Lidar

System", No.6.593.582, pp.1–25

45. Hyo Sang Lee, Silver Spring et al (2010), "Enhanced Portable Digital

Lidar System" No. 7.741.618, pp.1–31

46. Ian M. Brooks (2003), "Finding boundary layer top: Application of a Wavelet covariance transform to Lidar backscatter profiles', J Atmos Ocean Technol, Vol.20, pp.1092–1105, doi:10.1175/1520-0426

47. Ian M. Brooks et al (2008), "Boundary Layer Structure and Aerosol Properties: Lidar Retrievals and In-Situ Measurements", pp.146–149

48. J. N. Porter, B. R. Lienert, S. K. Sharma, and H. W. Hubble (2002), " A small portable Mie-Rayleigh Lidar system to measure aerosol optical and spatial properties", J Atmos Ocean Technol, Vol.19, pp.1873–1877, doi: 10.1175/1520-0426

49. James D. Klett (1981), "Stable analytical inversion solution for processing Lidar returns", Appl Opt, Vol.20, pp.211–220, doi: 10.1364/ao.20.000211

50. James D. Klett inversion with (1985),

121

variable "Lidar backscatter/extinction ratios", Appl Opt, Vol.24, pp.1638–1643, doi: 10.1364/ao.24.001638

51. John W. Hair, Loren M. Caldwell, David A. Krueger, and Chiao-Yao She (2001), "High-Spectral-Resolution Lidar with Iodine-Vapor Filters: Measurement of Atmospheric-State and Aerosol Profiles", Appl Opt, Vol.40, pp.5280–5294, doi: 10.1364/ao.40.005280

52. Juan Carlos Fernandez Diaz, William E. Carter, Ramesh L. Shrestha, and

Craig L. Glennie (2016), "Lidar Remote Sensing"

53. K. J. Davis, N. Gamage et al (2000), An objective method for deriving atmospheric structure from airborne Lidar observations, J Atmos Ocean Technol, Vol.17, pp.1455–1468, doi: 10.1175/1520-0426

54. Kaufman, Yoram J. et al (2002), "A satellite view of aerosols in the

climate system", Nature, Vol.419, pp.215–223

55. Kenneth Sassen and Gregory C. Dodd (1982), "Lidar crossover function and misalignment effects", Appl Opt, Vol.21, pp.3162–3165, doi: 10.1364/ao.21.003162

56. Lammert A, Bösenberg J (2006), "Determination of the convective boundary-layer height with laser remote sensing" Boundary-Layer Meteorol, Vol.119, pp.159–170, doi: 10.1007/s10546-005-9020-x

57. Laser Lotis, "YAG LASER SYSTEM, LS-2137U"

58. Laurent Menut, Cyrille Flamant, Jacques Pelon and Pierre H. Flamant (1999),"Urban boundary-layer height determination from Lidar measurements over the Paris area", Appl Opt, Vol.38, pp.945–954. doi: 10.1364/ao.38.000945

59. M. J. Granados-Muñoz, F. Navas-Guzmán, J. A. Bravo-Aranda et al (2012), "Automatic determination of the planetary boundary layer height using Lidar: One-year analysis over southeastern Spain", J Geophys Res Atmos, Vol.117, pp.1–10, doi: 10.1029/2012

60. M. Kulmala, A. Asmi et al (2011), "European Integrated project on Aerosol Cloud Climate and Air Quality interactions (EUCAARI)", Atmos Chem Phys, Vol.11, pp.13061–130143, doi: 10.5194/acp-11- 13061-2011

122

61. Jiandong Mao (2012) "Noise reduction for lidar returns using local threshold wavelet analysis", Opt Quantum Electron, Vol.43, pp.59–68. doi: 10.1007/s11082-011-9503-6

62. Mego Pinandito et al (2000), "Mie Scattering Lidar Observation of Aerosol Vertical Profiles in Jakarta", Environ Sci, Vol.13, pp.205-216

63. Petra Seibert et al. (2000), "Review and intercomparison of operational methods for the determination of the mixing height", Atmos Environ, Vol.34, pp.1001–1027, doi: 10.1016/0360-3016(85)90285-8

64. Photek (2016), "Photomultiplier & Photodiode User Guide"

65. QI YuLei, GE JinMing and HUANG JianPing (2013), "Spatial and temporal distribution of MODIS and MISR aerosol optical depth over northern China and comparison with AERONET", Chinese Sci Bull, Vol.58, pp.2497–2506, doi: 10.1007/s11434-013-5678

66. R. J. Charlson and J Heintzenberg (1995), "Aerosol forcing of climate",

New-York, John Wiley Sons, Ltd

67. R. M. Measures (1984), "Laser remote sensing fundamentals and

application"

68. R.G Barry and R. J. Chorley (1998), "Atmosphere, Weather & Climate"

69. R.M. Banta, Y. L. Pichugina et al (2013), "Insight into Wind Properties in the Turbine - Rotor Layer of the Atmosphere from High -Resolution Doppler Lidar"

70. Rajitha Paleti , Y. Bhavani Kumar and T. Krishna Chaitanya (2013), "Wavelet transform method for deriving atmospheric boundary layer height from Lidar signals", Int J Eng Technol, Vol.5, pp.1465–1473

71. Shengzhen Zhou, Perry K. Davy, Xuemei Wang et al (2016), "High time-resolved elemental components in fine and coarse particles in the Pearl River Delta region of Southern China: Dynamic variations and effects of meteorology", Sci Total Environ, Vol.572, pp.634–648. doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.05.194

72. Shuyan Liu and Xin-Zhong Liang (2010), "Observed diurnal cycle climatology of planetary boundary layer height", J Clim, Vol.23, pp.5790–5809, doi: 10.1175/2010JCLI3552.1

73. T. C. SPANGLER and R. A. DIRKS (1974), "Meso-scale variations of

123

the urban mixing height"

74. T.S. Bates, B. J. Huebert, J.L. Gras et al (1998), "International Global tmosp r m stry ( ) roj t’s rst rosol r t r z t on Experiment (ACE 1)", J Geophys Res Atmos, Vol. 103, pp.16,297– 16,318

75. Timothy S. Bates, Barry J. Huebert et al (1998), "International Global tmosp r m stry ( ) roj t’s rst rosol r t r z t on Experiment (ACE 1) - Overview", J Geophys Res, Vol.103, pp.16297– 16318

76. Vishnu R, Bhavani Kumar Y, Rao T, et al (2016), "Development of for cloud-based measurements during convective Lidar sensor conditions", Remote Sens Atmos, Clouds, Precip VI, doi: 10.1117/12.2223674

77. Vladimir A. Kovalev and William E. Eichinger (2004), "ELASTIC

LIDAR: Theory, Practice, and Analysis Methods"

78. Volker Freudenthaler (2008), "The telecover test: A quality assurance tool for the optical part of a Lidar system", 24th Int Laser Radar Conf Boulder, pp.1–2

79. Wandinger U (2005), "Introduction to Lidar"

80. Weitkamp Claus (2005), "Lidar Range-Resolved Optical Remote

Sensing of the Atmosphere"

81. Y. Bhavani Kumar and S. Purusotham (2010), "Mathematical algorithms for determination of mixed layer height from laser radar signals", Int J Comput Sci Eng, Vol.2, pp.2059–2063

82. Z. Wang, X. Cao, L. Zhang et al (2012), "Lidar measurement of planetary boundary layer height and comparison with microwave profiling radiometer observation", Atmos Meas Tech, Vol.5, pp.1965– 1972, doi: 10.5194/amt-5-1965

83. http://mplnet.gsfc.nasa.gov(2011) Micro - Pulse Lidar Network

84. http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html weather.uwyo.edu

85. http://www. litronlasers.com http://www. litronlasers.com

86. http://www.lotis-tii.com (2006) http://www.lotis-tii.com

124

87. http://www.quantel-laser.com http://www.quantel-laser.com

88. http//www.celestron.com (2005) http//www.celestron.com

89. https://aeronet.gsfc.nasa.gov/ https://aeronet.gsfc.nasa.gov/

90. https://sg.tek.com/oscilloscope/mdo4000c-mixed-domain-oscilloscope

(2012) Mixed Domain Oscilloscopes

91. https://www-calipso.larc.nasa.gov/. The Cloud-Aerosol Lidar and

Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO)

92. https://www.cvilaseroptics.com/ (2014) Optics & Lasers Catalog

93. https://www.earlinet.org zzhttps://www.earlinet.org

125

94. SigmaSpace (2016) MiniMPL-532 BUDGETARY QUOTATION

H C

126

1.1 ơn trìn m p n t n số k t u t p n n r theo p ơn trìn r

1.2. ố n n t u t p số l u

127

1.3 ố t ết l p ế ồn b n o

128

1.4 ố t ết l p ấu ìn o k n v o o n k

ố t t n số o Lidar

C ơ WCT

129

function pblh = wct_pbl(f,a,dz,z,r,lb,lt) step = round(a/dz); for i=lb:lt s = a/dz/2; c = i+s; if c

clc; clear; close all; lidar_path= F:\MASTER\RESULT\DATA_PROCESSING\2018040918_OBS_1.nc';

%% get data pp = ncread(lidar_path,'raw_data'); p = pp(:,200:1000); r = ncread(lidar_path,'range'); h = ncread(lidar_path,'height'); dh = ncread(lidar_path,'Data_resolution'); h_max = dh*length(p); vrange = ncread(lidar_path,'Vectical_range'); %mV dz = 3; sizep = size(p); duration = sizep(2); point = sizep(1);

%% Overlap function overlap = overlap_func(r);

%% System constant C = 1;

%% cal pblh from lidar for i = 400:400; pg = p(:,i:i); bg = mean(pg(9000:10000)); %% subset background pbg = (-pg+bg)/(vrange*100000);

130

h=1; elseif zt>=z(i+j) && z(i+j)>=b h=-1; else h=0; end w_f(j) = 1/a*(h*f(i+j)); end end wct_s(i) = trapz(w_f(1:step)); end end b_h = max(wct_s); ix = wct_s==b_h; pblh = z(ix); C ơ B

%% Range corrected signal pz = (C*(pbg.*r.*r).*overlap);

%% Calculate planetary boundary layer height [PBLH, wct_s] = wct_pbl(pz,2*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH1, wct_s1] = wct_pbl(pz,4*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH2, wct_s2] = wct_pbl(pz,6*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH3, wct_s3] = wct_pbl(pz,8*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH4, wct_s4] = wct_pbl(pz,10*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH5, wct_s5] = wct_pbl(pz,12*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH6, wct_s6] = wct_pbl(pz,14*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH7, wct_s7] = wct_pbl(pz,16*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH8, wct_s8] = wct_pbl(pz,18*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH9, wct_s9] = wct_pbl(pz,20*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH10, wct_s10] = wct_pbl(pz,22*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH11, wct_s11] = wct_pbl(pz,24*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH12, wct_s12] = wct_pbl(pz,26*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH13, wct_s13] = wct_pbl(pz,28*dz,dz,h,r,lb,lt); end bb = [PBLH PBLH1 PBLH2 PBLH3 PBLH4 PBLH5 PBLH6 PBLH7 PBLH8 PBLH9 PBLH10 PBLH11 PBLH12 PBLH13]; for i = 450:450; pg = p(:,i:i); bg = mean(pg(9000:10000));

%% subset background

pbg = (-pg+bg)/(vrange*100000);

%% Range corrected signal pz = (C*(pbg.*r.*r).*overlap);

131

[PBLH13, wct_s13] = wct_pbl(pz,28*dz,dz,h,r,lb,lt); end bb1 = [PBLH PBLH1 PBLH2 PBLH3 PBLH4 PBLH5 PBLH6 PBLH7 PBLH8 PBLH9 PBLH10 PBLH11 PBLH12 PBLH13]; for i = 500:500; pg = p(:,i:i); bg = mean(pg(9000:10000)); %% subset background pbg = (-pg+bg)/(vrange*100000);

%% Range corrected signal pz = (C*(pbg.*r.*r).*overlap);

%% Calculate planetary boundary layer height [PBLH, wct_s] = wct_pbl(pz,2*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH1, wct_s1] = wct_pbl(pz,4*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH2, wct_s2] = wct_pbl(pz,6*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH3, wct_s3] = wct_pbl(pz,8*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH4, wct_s4] = wct_pbl(pz,10*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH5, wct_s5] = wct_pbl(pz,12*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH6, wct_s6] = wct_pbl(pz,14*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH7, wct_s7] = wct_pbl(pz,16*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH8, wct_s8] = wct_pbl(pz,18*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH9, wct_s9] = wct_pbl(pz,20*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH10, wct_s10] = wct_pbl(pz,22*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH11, wct_s11] = wct_pbl(pz,24*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH12, wct_s12] = wct_pbl(pz,26*dz,dz,h,r,lb,lt); [PBLH13, wct_s13] = wct_pbl(pz,28*dz,dz,h,r,lb,lt); end bb2 = [PBLH PBLH1 PBLH2 PBLH3 PBLH4 PBLH5 PBLH6 PBLH7 PBLH8 PBLH9 PBLH10 PBLH11 PBLH12 PBLH13]; a = (6:6:84); plot(a,bb); ylim([0 1600]); ylabel('PBL (m)'); xlabel('a (m)'); hold on plot(a,bb1); plot(a,bb2);

132