Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Quang học: Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp lidar hấp thụ vi sai

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm. Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ của ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sỹ Quang học: Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp lidar hấp thụ vi sai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phạm Minh Tiến NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9 44 01 09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUANG HỌC Hà Nội, 2017
Công trình được hoàn thành tại Học Viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS. Đinh Văn Trung Phản biện 1:....................................................................... Phản biện 2:....................................................................... Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học Viện, họp tại Học Viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa hoc và Công nghệ Việt Nam vào hồi …..giờ …, ngày … tháng… năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại : - Thư viện Học Viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc Gia Việt Nam
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 Tính cấp thiết của luận án ........................................................ 1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án ............................................. 1 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án ........................... 2 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................... 2 1.1 Ozone trong khí quyền tầng thấp....................................... 2 1.1.1 Nguồn gốc và phân bố ................................................ 2 1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone ........................................ 3 1.1.3 Vai trò và tác động của ozone .................................... 3 1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển.......................... 3 1.2.1 Khái quát chung .......................................................... 3 1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền ... 3 1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone ..................................... 3 1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng ...................................................................................... 4 1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai ..................................... 4 1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai ...................................................................................... 4 1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR .......................... 5 1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai ................................... 6 1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone ..................................................................................... 6 1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển tầng thấp .............................................. 6
1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao .......... 7 1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai ............................................................................... 8 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP .................................................................................... 8 2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone ...... 8 2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ....................... 8 2.1.2 Khối phát quang học ............................................... 8 2.1.3 Khối thu quang học ................................................. 9 2.1.4 Khối thu quang điện tử ............................................ 9 2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán .................................... 10 2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát ......................................... 10 2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone ............................................................................................ 10 2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận ...................................... 10 CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP...... 11 3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .................. 11 3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố ....................... 11 3.2.1 Bộ dao động phát ................................................... 11 3.2.2 Hệ quang học bơm ................................................. 12 3.2.3 Bộ khuếch đại quang ............................................. 12 3.2.4 Môi trường hoạt chất ............................................. 12 3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu .................................. 12
3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá ........................................................................................... 12 3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu..... 13 3.4.1 Chế tạo telescope.................................................... 13 3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học ................... 13 3.4.3 Khối quang học thu ............................................... 13 3.5 Phát triển khối điện tử thu ............................................... 14 3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu .................... 14 3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai....................... 14 CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP KHÍ QUYỂN TẦN SỐ THẤP .............................. 15 4.1 Xử lý số liệu ........................................................................ 15 4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ................ 15 4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao....... 17 4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc ........................ 18 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................... 20 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.............................. 21 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .............................. 22
Mở đầu 1. Tính cấp thiết của luận án Ozone là khí được quan tâm đặc biệt trong thành phần khí quyển vì sự có mặt, phân bố, tính chất của nó tác động lớn đến cuộc sống ở hành tinh chúng ta. Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu, ozone góp phần vô cùng quan trọng vào việc bảo vệ trái đất bằng cách hấp thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại nguy hiểm từ mặt trời trong dải bước sóng từ 200 đến 300 nm. Trong tầng đối lưu (ở lớp khí quyển sát mặt đất), dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần tỷ - ppb), nhưng ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm, là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính. Vì thế, việc xác định nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển là hết sức cần thiết, nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất. Ở nước ta, trong báo cáo của Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường (5/2012), trên lãnh thổ Việt Nam có khoảng 20 trạm khí tượng cao không dùng bóng thám không để quan trắc các số liệu khí quyển nhưng không có số liệu ozone trong bảng thông kê hàng năm. Nhu cầu thực tế: quan trắc ozone trong khí quyển, nhất là khí quyển tầng thấp, để tăng cường hiểu biết về khí hậu, phục vụ công tác dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu, phòng chống ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát triển trong tương lai. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay viết tắt là DIAL) 1
hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm. Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ của ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp. Hệ bao gồm các cấu phần chính sau: + Phần phát tín hiệu laser quang học vào khí quyển + Phần thu tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng trên + Phần điện tử đếm đơn photon, chương trình xử lý tín hiệu và tính toán phân bố oxone. Chương 1. Giới thiệu tổng quan 1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp Ozone (O3) là khí màu xanh dương, có mùi rất đặc trưng, hấp thụ ánh sáng UV và có hoạt tính (oxy hóa) cao [2,5]. Ozone là loại khí có rất ít trong khí quyển của trái đất, trung bình trong 10 triệu phân tử không khí mới có 3 phân tử ozone. 1.1.1 Nguồn gốc và phân bố Ozone tầng đối lưu được sinh ra thông qua các phản ứng quang hóa với các oxít nitơ NOx và các phân tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời. Nồng độ ozone cao nhất có xu hướng tập trung ở trong và xung quanh đô thị, nơi phát sinh ra những tiền chất cần thiết cho quá trình tạo ra ozone, và thường có đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào 2
ban đêm. Nồng độ ozone cũng thay đổi từ ngày này sang ngày khác tùy thuộc vào tình trạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, …. 1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng bước sóng từ 200 đến 1100 nm bao gồm bốn băng hấp thụ : Hartley, Huggins, Chappuis và Wulf. Các băng phổ hấp thụ mạnh Hartley và Huggins đặc biệt quan trọng trong quan trắc khí quyển bằng kỹ thuật viễn thám và được sử dụng trong các quang phổ kế hay thiết bị LIDAR đặt cả trên vệ tinh và dưới mặt đất. 1.1.3 Vai trò và tác động của ozone Ozone trong tầng bình lưu là lá chắn che chở các tia bức xạ UV của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh. Ngược lại, trong tầng đối lưu và nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt đất, với hoạt tính oxy hóa mạnh, ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm làm giảm chất lượng không khí, là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính. 1.2 Đo đạc quan trắc ozone trong khí quyển 1.2.1 Khái quát chung Ozone trong khí quyển được đo đạc từ các thiết bị đặt trên mặt đất, trên các vật thể bay. Ozone được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp (in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote sensing). 1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển 1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám (phổ hấp thụ quang học vi sai) với các thiết bị có thể đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh (như quang phổ kế Dobson, quang phổ kế Brewer) để đo bức 3
xạ ánh sáng (bức xạ mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp hay bức xạ từ bầu trời) trong dải phổ hấp thụ UV của ozone giữa 300 và 340 nm. 1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone như là một hàm của độ cao hay áp suất môi trường. Phân bố ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt đất hoặc gắn trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19]. 1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai 1.3.1 Cơ sở vật lý của LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai Hệ LIDAR gồm các thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu. Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành phần của khí quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi nước. Khi đó, các quá trình vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng, huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering – DAS). Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được phát bởi hệ LIDAR. Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn nhiều tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman. Do vậy, sự suy hao của một chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp có độ nhạy cao để xác định mật độ của ozone trong khí quyển. 4
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR Các bộ phận chức năng và cách thức hoạt động của hầu hết các hệ LIDAR được minh họa trong Hình 1.17. Một xung năng lượng quang học mạnh được phát bởi một laser đi qua một hệ quang học phát thích hợp hướng tới đối tượng được quan tâm khảo sát. Một phần nhỏ của xung được trích ra để đánh dấu thời điểm 0 (trigger). Bức xạ được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân tích phổ và đầu dò photon. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan sát và lọc lựa bưc xạ nền ở các bước sóng khác. Các telescope Newtonian và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong hệ quang học thu. Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3] Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu dò được biểu diễn dưới dạng phương trính LIDAR: 𝑐𝜏 𝑂(𝑅) 𝑅 𝑃(𝑅, 𝜆) = 𝑃0 𝐴𝜂 2 𝛽(𝑅, 𝜆) 𝑒𝑥𝑝 [−2 ∫0 𝛼(𝑟, 𝜆)𝑑𝑟] (1.21) 2 𝑅 P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, τ là độ dài thời gian của xung. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá trình tán xạ ngược, c tốc độ ánh sáng. A là diện tích của bộ thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược và  là hiệu suất của hệ. O(R) là hàm 5
chồng chập giữa tia laser và trường nhìn của bộ thu, R là khoảng cách từ đối tượng tán xạ tới telescope. β(R,λ) là hệ số tán xạ ngược của các thành phần trong khí quyển. α(R,λ) là hệ số suy hao do tán xạ và hấp thụ của ánh sáng bởi phân tử và các hạt. Thừa số 2 đại diện cho hai lần truyền đi về. 1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL) cho phép phát hiện các khí trong khí quyển với độ nhạy cao. Trong kỹ thuật này, hai tần số được sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ (λon) và một ở phần rìa của băng hấp thụ (λoff). Bằng việc lấy tỷ số cường độ Pon là tín hiệu lidar ở bước sóng λon và Poff là tín hiệu ở λoff, mật độ của khí khảo sát được suy ra từ phương trình LIDAR. 1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone Để quan trắc phân bố ozone trong tầng đối lưu là nơi có mật độ ozone nhỏ nên bước sóng laser phải nằm trong vùng ozone hấp thụ mạnh, giữa khoảng 266 nm và 320 nm, để tăng độ nhạy phát hiện. Ngoài ra, để lựa chọn cặp bước sóng tối ưu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone, chúng ta cần cân nhắc và xem xét tiết diện hấp thụ ở hai bước sóng để đáp ứng độ cao quan trắc mong muốn, không ảnh hưởng đến độ phân giải không gian và giảm thiểu ảnh hưởng bởi các khí nhiễu. 1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển tầng thấp Khảo sát phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng đối lưu được nghiên cứu triển khai với các cặp bước sóng trong khoảng từ 266 nm tới 320 nm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử dụng 6
các bức xạ phát từ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; bức xạ laser là các vạch Stokes 289 nm, 299 nm, 316 nm từ các ống Raman chứa các khí hơi áp suất thấp H2, D2, He [48,49] hay 276.2 nm, 287.2 nm, 299.1 nm từ CO2 [50,51] được bơm bởi bước sóng họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở 266 nm; cặp bước sóng 277 và 313 nm là dịch chuyển Raman kích thích (Stimulated Raman Shifting – SRS) của bức xạ 248 nm phát bởi laser excimer krypton-fluoride trong hydro [52]; hay các cặp bước sóng được phát bởi các hệ laser màu [39,53,54]. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai này cho phép đo đạc phân bố ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu tùy theo cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser phát và điều kiện thời tiết. 1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao Đối với các hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, phương trình LIDAR (1.22) được viết cho hai bước sóng on và off. Sau khi lấy tỷ số, nồng độ ozone N(R) giữa độ cao R và R+R có thể viết bằng tổng của các số hạng tín hiệu đo Ns(R), số hạng tán xạ ngược vi sai Nb(R) và các số hạng suy hao vi sai Ne(R) gây bởi các phân tử khí quyển, son khí và các loại khí can thiệp như sau [3,39,58]: 𝑁𝑂3 (𝑅) = 𝑁 𝑠 (𝑅) + 𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) + 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅) (1.31) NS(R) là số hạng chính trong biểu thức nồng độ ozone (1.31), tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu. Các số hạng 𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) và 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅) được xem như các số hạng hiệu chỉnh, phải được tính toán để xác định nồng độ ozone phân bố theo độ cao chính xác hơn. Phương pháp lặp đã được sử dụng để xác định đồng thời hệ số tán xạ ngược 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), từ đó xác định 𝛿𝑁 𝑏 (𝑅) và 𝛿𝑁 𝑒 (𝑅) và mật độ phân bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) [39]. 7
1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai Độ chính xác của một phép đo DIAL được xác định bởi sai số thống kê do đặc trưng ngẫu nhiên của quá trình phát hiện tín hiệu mà nó sẽ tuân theo thống kê Poisson [37]. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào các gần đúng được áp dụng để suy ra mật độ số của ozone từ tín hiệu thu được và độ tuyến tính của tín hiệu lidar. Chương 2. Thiết kế và mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp 2.1 Thiết kế hệ đo LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone 2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai 2.1.2 Khối phát quang học Laser màu phản hồi phân bố (Distributed Feedback Dye Laser – DFDL) là loại laser cũng đã được phát triển thành công tại Viện Vật lý [67 – 72]. Với công suất phát dự kiến đủ để có thể ghi nhận tín hiệu LIDAR, các laser màu phản hồi phân bố còn có một số ưu điểm là kết 8
cấu đơn giản; có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn (10 – 20 nm tùy loại chất màu dùng làm môi trường hoạt tính) nên thuận lợi trong việc chọn các cặp bước sóng cho hệ DIAL đo ozone, giúp tránh ảnh hưởng của khí nhiễu lên kết quả đo; DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên cho hiệu suất tốt hơn laser màu thông thường trong việc nhân tần tạo bước sóng UV. Do vậy, luận án lựa chọn laser màu DFDL làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai. 2.1.3 Khối thu quang học Bộ phận chính của khối thu quang học trong hệ LIDAR nói chung và hệ LIDAR hấp thụ vi sai là một telescope. Telescope được thiết kế và nghiên cứu tự chế tạo với đường kính lớn tối thiểu là 40 cm để tăng hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR. Ngoài ra, phôi kính quang học dùng trong telescope này cần được phủ nhôm để có thể thu nhận tín hiệu tốt trong vùng tử ngoại. 2.1.4 Khối thu quang điện tử Khối thu điện tử của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm ba bộ phận chính: chuyển đổi quang điện, tiền khuếch đại và bộ đếm đơn photon. Bộ chuyển đổi quang điện sử dụng nhân quang điện (Photomultiplier Tube – PMT), được lựa chọn có hiệu suất lượng tử cao trong vùng tử ngoại để tăng hiệu suất phát hiện của PMT trong vùng bước sóng này. Tín hiệu LIDAR là tín hiệu có cường độ thấp nên các photon tán xạ ngược đàn hồi về thiết bị trở thành các xung rời rạc. Do vậy, bộ thu điện tử cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai sẽ được thực hiện theo phương pháp đếm đơn photon. Phương pháp đếm photon cũng có ưu điểm hơn nhiều so với phương pháp thu nhận tín hiệu tương tự do tính ổn định, hiệu suất phát hiện và tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise 9
ratio) cao [73]. Để thực hiện đếm đơn photon, bộ thu điện tử sẽ phải được thiết kế với các mạch điện tử đáp ứng nhanh. 2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán Chức năng, nhiệm vụ của phần mềm được thiết kế phải đáp ứng các yêu cầu thu ghi, lưu trữ, xử lý số liệu và tính toán phân bố ozone theo phương thẳng đứng. 2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát Cặp bước sóng vi sai được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai là hai bước sóng tử ngoại 282,9 nm (λon) và 286,4 nm (λoff). Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng on là 29,7.10-23 m2 và tiết diện hấp thụ vi sai 𝜎(𝜆𝑜𝑛 ) − 𝜎(𝜆𝑜𝑓𝑓 ) là 8,9.10-23 m2 [3]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn và xem xét hài hòa giữa nhiều yếu tố: hiệu suất huỳnh quang chất màu, độ cao xác định phân bố ozone, giảm ảnh hưởng ánh sáng nền, giảm ảnh hưởng xen vào của son khí, tránh ảnh hưởng lên kết quả đo ozone do sự có mặt nếu có của SO2[3]. 2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone Với kết cấu hệ LIDAR hấp thụ vi sai được thiết kế, các tính toán mô phỏng cho hệ được thực hiện để có thể dự đoán độ cao đo đạc phân bố ozone và xác định thời gian thu ghi tín hiệu LIDAR ở 2 bước sóng on và off. Phép mô phỏng sẽ tính toán số photon tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng này theo phương trình LIDAR (1.21). 2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận Tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N đã được mô phỏng ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước sóng off 286,4 nm theo độ cao cùng với sự thay đổi của năng lượng xung phát, thời gian đếm photon, đường kính telescope. Các kết quả tính mô phỏng cho thấy tín 10
hiệu LIDAR ở hai bước song on và off có thể thu nhận đến độ cao trên 5 km với thời gian đếm photon 10 phút. Chương 3. Nghiên cứu phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo đạc phân bố ozone trong khí quyển 3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển theo các lựa chọn như đã trình bày trong Chương 2. 3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố Các laser màu phản hồi phân bố triển khai cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát ở bước sóng 565,8 nm và 572,8 nm có sơ đồ được trình bày trong Hình 3.2. 3.2.1 Bộ dao động phát Trong bộ phận dao động phát của DFDL, chùm bơm qua thấu kính trụ L1 được chia đôi bởi gương tam giác CM. Chúng phản xạ trên hai gương m1 và m2 để hội tụ và giao thoa trên bề mặt môi trường hoạt chất chứa trong cuvette C1. Vị trí m1 và m2 được tính toán thiết kế để DFDL phát bước sóng như mong muốn. 11
3.2.2 Hệ quang học bơm Bức xạ họa ba bậc hai 532 nm của laser Nd:YAG, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, được sử dụng để bơm cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hệ quang học bơm bao gồm các gương M1, M2, M3 và M7; hai bản chia chùm Rm1, Rm2; hai lăng kính P2 và P3 để định hướng chùm laser bơm đến các cuvette chứa chất màu của bộ dao động và bộ khuếch đại; kéo dài quãng đường của xung laser bơm đến tầng khuếch đại công suất để đảm bảo hiệu suất khuếch đại khi xung laser màu đi qua cuvette C3. 3.2.3 Bộ khuếch đại quang Bộ khuếch đại quang gồm hệ khuếch đại 6 lần truyền qua (thấu kính L2, các gương từ m3 đến m14 và cuvette C2 dày 1 mm) và tầng khuếch đại công suất ngõ ra (thấu kính trụ L3 và cuvette C3). 3.2.4 Môi trường hoạt chất Chất màu Rhodamine 6G hòa tan trong ethanol được sử dụng làm môi trường hoạt chất cho mỗi hệ laser màu phản hồi phân bố. 3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu Luận án thiết kế mới và chế tạo các bơm ly tâm bằng thủy tinh và sử dụng nguyên tắc của khuấy từ để làm cánh khuấy đẩy chất màu qua các cuvette. 3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá Hai hệ laser màu phản hồi phân bố có thiết kế giống nhau, chỉ khác nhau ở góc tới của các tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1. Năng lượng bức xạ các laser màu DFDL và các bức xạ tử ngoại ngõ ra sau tinh thể nhân tần được đo đạc và trình bày trong Bảng 3.2. 12
Bảng 3.2: Năng lượng bức xạ laser phát được bơm bởi laser họa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm Bức xạ laser Bước sóng (nm) Năng lượng DFDL 565,8 0,62 mJ/xung 572,8 1,8 mJ/xung UV 282,9 30 J/xung 286,4 60 J/xung 3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu 3.4.1 Chế tạo telescope Hệ telescope được nghiên cứu chế tạo là loại Newtonian có thể lắp các gương cầu có đường kính tối đa 40 cm. Bộ khung cho telescope được chế tạo để có thể lắp được gương cầu với tiêu cự có thể thay đổi xa nhất là 210 cm. Hệ khung telescope sẽ được bao phủ bằng lớp vải đen dày để tránh ánh sáng tán xạ trường gần. Quang trục của hệ được cân chỉnh dùng laser bán dẫn. 3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học Hệ mài tự động phôi kính quang học được thiết kế để có thể mài gương cầu (gương sơ cấp của telescope) có đường kính từ 20 cm tới tối đa 80 cm. Gương cầu quang học được kiểm tra, đánh giá bề mặt quang học bằng hệ kết hợp phương pháp Ronchi và Foucault [80] được thực hiện tại Viện Vật lý cho thấy phôi kính quang học sau quá trình mài có mặt lõm dạng cầu đều đặn và có tiêu cự 1,8m. 3.4.3 Khối quang học thu Hệ quang học khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm telescope, kính lọc bước sóng (F), hai thấu kính L1 và L2. 13
3.5 Phát triển khối điện tử thu Khối điện tử thu được phát triển dựa trên cơ sở hệ đo LIDAR nhiều bước sóng phát triển tại Viện Vật lý dùng dao động ký số tín hiệu nhanh Picoscope 5204 với sơ đồ như Hình 3.22 để có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở chế độ đếm đơn photon. Bộ khuếch Dao động ký Máy tính: chương PMT đại băng số tín hiệu trình đếm photon rộng nhanh trên Labview Hình 3.22: Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon 3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu Phần mềm lấy mẫu, xử lý tín hiệu, lưu trữ, chuẩn hóa, hiển thị kết quả đo được lập trình trên nền Labview để điều khiển dao động ký số Picoscope. Phần mềm đã được phát triển tại Viện Vật lý cho hệ LIDAR phục vụ nghiên cứu son khí khí quyển. Phần mềm xử lý tín hiệu được xây dựng trên nền Matlab để làm trơn kết quả đo, loại bỏ dòng tối và offset của module điện tử thu, chuyển tín hiệu LIDAR theo khoảng cách P(R,) sang dạng R2P(R,) nhằm loại bỏ sự phụ thuộc của tín hiệu vào khoảng cách. Các số liệu LIDAR sau xử lý tại 2 bước sóng on và off sẽ được đưa vào phần mềm tính toán phân bố nồng độ ozone khí quyển theo độ cao cũng được xây dựng trên nền Matlab. 3.7 Đo đạc, đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai Hệ LIDAR hấp thụ vi sai được bố trí và cân chỉnh để ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể. Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để đo đạc thử nghiệm và đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on và off . Với tốc độ lấy mẫu của dao 14
động ký điện tử Picoscope 125 MSamples/s và áp dụng kỹ thuật lọc số liệu bằng cách lấy trung bình trên một số điểm đo để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N, độ phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18%. Độ phân giải không gian của phép đo LIDAR hấp thụ vi sai có thể lựa chọn nhỏ hơn, tuy nhiên sai số thống kê sẽ cao. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai không ghi nhận được tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 5 km như tính toán mô phỏng có thể giải thích là do bề dày trung bình 5 km của son khí trên bầu trời Hà nội [81]. Lớp son khí này làm tán xạ các bức xạ laser phát, suy hao tín hiệu tán xạ ngược và hạn chế độ cao đo đạc. Chương 4. Đo đạc thử nghiệm phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp 4.1 Xử lý số liệu Để cải thiện hơn độ chính xác của phép đo trước khi tính toán phân bố ozone, các dữ liệu thu được trong các tập tin dạng *.txt sẽ được hiệu chuẩn theo thời gian, hiệu chỉnh nền và lấy trung bình. 4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao Nồng độ phân bố ozone 𝑁𝑂3 (𝑅) giữa độ cao R và R+R được tính theo biểu thức (1.34), và là tổng của ba số hạng: Ns(R) : số hạng tín hiệu đo (s – signal) Nb(R) : số hạng hiệu chỉnh tán xạ ngược vi sai (b – backscattering) Ne(R) : số hạng hiệu chỉnh suy hao vi sai (e – extinction) Trong các số hạng trên, chỉ có Ns(R) được tính trực tiếp từ số liệu đo, các số hạng hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) được tính theo các biểu thức (1.41) và (1.42) tương ứng. Các hệ số tán xạ ngược 𝛽𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅), hệ số suy hao son khí 𝛼𝑎𝑒𝑟 (𝜆𝑜𝑓𝑓 , 𝑅) và mật độ phân 15