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 KHÍ 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC

Hà Nội – 2017

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 KHÍ 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. Đinh Văn Trung

Hà Nội – 2017

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.

Đinh Văn Trung. Các dẫn giải, phân tích, số liệu, nội dung nghiên cứu đã có của các

tác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trong phần

Tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa được

công bố trong các công trình khác.

Nghiên cứu sinh

Phạm Minh Tiến

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện luận án “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”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiến thức rất tận tình

của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KHCNVN). Tôi cũng đã

nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từ Ban Lãnh đạo viện Hàn

lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạo Sau Đại học (Viện Vật

lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin bày

tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đinh Văn Trung, thầy giáo

hướng dẫn khoa học trực tiếp cho tôi hoàn thành luận án này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Đỗ Quang Hòa, TS. Bùi Văn

Hải, TS. Nguyễn Xuân Tuấn, ThS. Dương Tiến Thọ, NCS. Trần Ngọc Hưng và rất

nhiều đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công

việc nghiên cứu.

Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biện

của các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biện kín để

bản luận án được hoàn thiện hơn.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đặc biệt là GS.TS. Nguyễn

Đại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

thực hiện và hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

NCS. Phạm Minh Tiến

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục chữ cái viết tắt ........................................................................................... i

Danh mục ký hiệu ...................................................................................................... ii

Danh mục bảng ......................................................................................................... vi

Danh mục hình, đồ thị ............................................................................................. vii

MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .......................................................... 6

1.1. Ozone trong khí quyền tầng thấp .............................................................. 6

1.1.1. Nguồn gốc và phân bố ......................................................................... 6

1.1.2. Tiết diện hấp thụ của ozone .............................................................. 11

1.1.3. Vai trò và tác động của ozone .......................................................... 12

1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển ................................................ 13

1.2.1 Khái quát chung ................................................................................. 13

1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền .......................... 15

1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone ............................................................ 16

1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng .................. 19

1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ

thuật LIDAR hấp thụ vi sai .................................................................................. 24

1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai .............. 24

1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR .................................................. 27

1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai .......................................................... 34

1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone ................ 37

1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí

quyển tầng thấp .................................................................................. 39

1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ................................. 45

1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai ......... 49

Kết luận Chương 1 ...................................................................................... 51

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO

PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP ............................... 53

2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone .............................. 53

2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ................................................... 53

2.1.2 Khối phát quang học ............................................................................ 54

2.1.3 Khối thu quang học .............................................................................. 55

2.1.4 Khối thu quang điện tử ........................................................................ 56

2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán .................................................................. 56

2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát ................................................................... 56

2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone ................. 58

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận ................................................................ 61

Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 67

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO

ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP ..................... 68

3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone ........................................... 68

3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố ............................................... 69

3.2.1 Bộ dao động phát ................................................................................ 71

3.2.2 Hệ quang học bơm .............................................................................. 72

3.2.3 Bộ khuếch đại quang .......................................................................... 73

3.2.4 Môi trường hoạt chất .......................................................................... 73

3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu ............................................................... 73

3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá ........... 74

3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu ............................. 79

3.4.1 Chế tạo telescope................................................................................. 79

3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học ................................................ 79

3.4.3 Khối quang học thu ............................................................................ 82

3.5 Phát triển khối điện tử thu ........................................................................ 84

3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu ............................................ 85

3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai ............................................... 86

Kết luận Chương 3 ........................................................................................... 90

CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP

KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP ................................................................................ 92

4.1 Xử lý số liệu ................................................................................................. 92

4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ........................................ 92

4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao ............................... 95

4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc ................................................ 96

Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 99

KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................... 100

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 103

i 

 

Danh mục chữ cái viết tắt

abs – absorption (hấp thụ)

aer – aerosols (son khí)

DFDL – Distributed Feedback Dye Laser (laser màu phản hồi phân bố)

DIAL – Differential-Absorption LIDAR (lidar hấp thụ vi sai)

FWHM – Full Width at Half Maximum (độ bán rộng)

LIDAR – Light Detection And Ranging

mol – molecular (phân tử)

OMI – Ozone Monitoring Instrument (thiết bị quan trắc ozone)

PMT – PhotoMultiplier Tube (ống nhân quang điện)

RMS – Root Mean Square (bình phương trung bình)

RS – Remote Sensing (viễn thám)

STP – Standard Temperature and Pressure (nhiệt độ và áp suất chuẩn)

ii 

 

Danh mục ký hiệu

A – diện tích của bộ thu quang học

As – tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V

AL – tiết diện tia laser

A – thừa số Α

B(off,R) – thừa số 𝐵 𝜆 , 𝑅,

,

CM – gương tam giác 12 x 12 mm

C1, C2, C3 – cuvette thạch anh

G(R) – hàm mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo

F – phin lọc bước sóng

Ic – cường độ được tán xạ được telescope thu nhận

Is – tổng cường độ được tán xạ vào góc khối 4

Io – cường độ bức xạ phát

I0λ – cường độ bức xạ mặt trời ở ngoài khí quyển tại bước sóng λ

Iλ – cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất tại bước sóng λ

K – hằng số hệ thống

L – độ dài quang học của Quang kế UV

L1, L2, L3 – thấu kính

M1, … M12 – gương, đường kính 1 inch

N – số phân tử ozone trong buồng phản ứng của đầu dò ozone

N(R) – mật độ khí khảo sát ở độ cao R

Nb – số đếm photon nền

Nd – số đếm dòng tối của PMT

NIG(R) – mật độ khí nhiễu theo độ cao

Nj – nồng độ của phần tử tán xạ loại j

𝑁 𝑅 – mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao R

Nph – số đếm photon tín hiệu

NS(R) – mật độ ozone tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu ở on và off

iii 

 

Nλ – số xung laser (laser shots) ở bước sóng λ

O(R) – hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu

P(R,) – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R

Pb(λ,R) – cường độ tín hiệu bức xạ nền

𝑃 – công suất laser trung bình

Pon(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on

Poff(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng off

P0 – cường độ trung bình của đơn xung laser

P1, P2, P3 – lăng kính

R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser

RS – độ cao khởi đầu trong tính toán vòng lặp son khí

Rm1, Rm2 – bản chia chùm

Q – điện tích

S – tỷ số LIDAR

S/N – tỷ số tín hiệu trên nhiễu

T – nhiệt độ tuyệt đối

T(R,λ) – hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR tới độ cao

R và quay trở ngược lại

Ta – thời gian thu ghi

Vrc – thể tích của buồng phản ứng

V – thể tích được tia laser chiếu rọi cho ánh sáng tán xạ

Xi – tổng lượng cột của thành phần khí quyển thứ i

X – tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);

X’ – tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP)

frep – tần số lặp lại của xung laser

fSample – tần số lấy mẫu

i – dòng điện đo được qua buồng phản ứng của đầu dò ozone

j – thứ tự bước lặp ozone

k – hằng số Boltzman

l – thứ tự bước lặp son khí

m – bậc nhiễu xạ Bragg

iv 

 

m1, …, m14 – gương 9 x 9 mm

n – chiết suất môi trường hoạt chất,

nP – chiết suất của vật liệu lăng kính

𝑛 – số đếm tổng cộng

p – áp suất riêng phần cho ozone trong buồng phản ứng

t – thời gian

α – góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1

α(R,λ) – hệ số suy hao ánh sáng

λ – hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ

’λ – hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí tán xạ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí hấp thụ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí tán xạ

𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí hấp thụ

𝛼 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do khí nhiễu

λi – các hệ số suy hao của các thành phần khí quyển làm suy giảm bức xạ

β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho tán xạ

ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới

βR(R) – hệ số tán xạ ngược Raman

𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi các phân tử không khí

𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi son khí

λ – hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ

𝛾 – hệ số thực nghiệm giữa hệ số tán xạ ngược do son khí và do phân tử khí

δλ – hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ

𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược

𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do suy hao

𝜀 𝑅 – sai số thống kê của nồng độ ozone

1 – sai số thống kê do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu

2 – sai số do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2, son

khí)

3 – sai số do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone

v 

 

4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử

𝜁 – hiệu suất của hệ LIDAR

– số mũ Angstrom

θ – góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng

on – bước sóng on

off – bước sóng off

λL là bước sóng laser,

λP – bước sóng laser bơm

λR – bước sóng dịch chuyển Raman

– tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;

’ – tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp

dioxít sunphua

µa – tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của

toàn bộ khí quyển

i – tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp khí quyển có thành phần Xi

với độ dày của lớp này

𝜉 – số điều kiện vòng lặp son khí

𝜉 – số điều kiện vòng lặp ozone

𝜎 , 𝜋, 𝜆 – tiết diện tán xạ của phần tử j theo phương ngược lại ở bước sóng λ

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ đẳng hướng

𝜎 𝜆 – tiết diện hấp thụ

𝜎 , 𝜆 – tiết diện suy hao cho mỗi loại phần tử tán xạ j tại bước sóng

𝜎 𝜆 – tiết diện suy hao bởi khí nhiễu tại bước sóng

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ ngược Rayleigh phân tử cho các khí trong khí quyển

𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần

τ – độ dài thời gian của xung laser

φ – góc chùm bơm tới bề mặt môi trường hoạt chất

vi 

 

Danh mục bảng

Bảng 1.1. Tóm lược các đơn vị đo ozone ............................................................... 15

Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser ...................... 25

Bảng 1.3. Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai

loại bỏ ảnh hưởng của SO2 .................................................................... 39

Bảng 1.4. Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh .......... 50

Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng ................................... 60

Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL ............................... 70

Bảng 3.2. Năng lượng bức xạ laser phát ................................................................ 78

Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai .................................. 88

Bảng 4.1. Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone ................................................ 98

vii 

 

Danh mục hình

Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone ........................................................................... 6

Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển ................................................................ 7

Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu .............. 9

Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi trong

ngày tại Trung Quốc ................................................................................ 9

Hình 1.5. Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx

(Chesapeake Bay – Mỹ) ......................................................................... 10

Hình 1.6. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi theo

tháng trong năm tại Trung Quốc ........................................................... 10

Hình 1.7. Tiết diện hấp thụ và các dải hấp thụ của ozone ..................................... 12

Hình 1.8. Đo ozone trong khí quyển ...................................................................... 14

Hình 1.9. Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone .......................... 14

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý Quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt ....................... 16

Hình 1.11. Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson ............................. 16

Hình 1.12. Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế ............................................... 17

Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm ..... 22

Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong

khí quyển và tán xạ đến thiết bị đo ........................................................ 22

Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR .......................................................... 24

Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser ...................................... 26

Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar ..................................... 28

Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian,

(c) Cassegrainian .................................................................................... 29

Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR .................................................................... 30

Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu ......................... 31

Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm .......................... 35

Hình 1.22. Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone ........................................ 38

Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani ............................ 40

Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju ................................. 41

Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on

viii 

 

và bước sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm ....................... 41

Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu

phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm .................................. 43

Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ....................................................... 53

Hình 2.2. Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai .................. 58

Hình 2.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm,

bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao ......... 62

Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi

cường độ laser phát ................................................................................. 63

Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi

cường độ laser phát ................................................................................. 63

Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi

thời gian đếm photon ................................................................................ 64

Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi

thời gian đếm photon .............................................................................. 64

Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung ......... 65

Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung ......... 65

Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm trong 2

trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm ....................................... 66

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ DIAL đo phân bố ozone khí quyển tầng thấp

dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố ................................ 69

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố ..................................... 70

Hình 3.3. Sơ đồ bộ dao động phát của laser màu phản hồi phân bố ....................... 71

Hình 3.4. Các bơm lưu thông bơm chất màu .......................................................... 74

Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL .................................................... 75

Hình 3.6. Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL ........................ 75

Hình 3.7. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm............................. 76

Hình 3.8. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ off 286,4 nm ............................ 76

Hình 3.9. Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m .......................................... 77

ix 

 

Hình 3.10. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 282,9 nm ................ 78

Hình 3.11. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm ................ 79

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hệ Telescope đường kính 40 cm ............................... 80

Hình 3.13. Hệ Telescope đường kính 40 cm .......................................................... 80

Hình 3.14. Gương cầu và giá đỡ tinh chỉnh ........................................................... 80

Hình 3.15. Gương phẳng và giá treo ...................................................................... 80

Hình 3.16. Mặt cắt ngang hệ mài phôi kính tự động .............................................. 81

Hình 3.17. Mặt cắt đứng hệ mài phôi kính tự động ............................................... 81

Hình 3.18. Mài gương cầu cho hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại .............. 82

Hình 3.19. Gương cầu đường kính 40 cm mạ nhôm được lắp trong hệ

Telescope .............................................................................................. 82

Hình 3.20. Đặc trưng phổ truyền qua của phin lọc FF01-292/27 .......................... 83

Hình 3.21. Khối thu của hệ DIAL đo ozone gồm Telescope, PMT, bộ

khuếch đại tín hiệu, dao động ký số Picoscope và máy tính ................ 83

Hình 3.22. Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon ................................. 84

Hình 3.23. Mạch khuếch đại băng rộng ................................................................. 85

Hình 3.24. Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL

hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại ............................................ 86

Hình 3.25. Bố trí hệ DIAL để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone ......................... 87

Hình 3.26. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .................................... 87

Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở

bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017) .... 90

Hình 4.1. Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone................................... 94

Hình 4.2. Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội .............. 95

Hình 4.3. Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp

10 phút và độ phân giải không gian 480 m ......................................... 96

Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong tháng 1 của

các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura – NASA) và số

liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại

Hà Nội .................................................................................................. 99

 

1 

 

MỞ ĐẦU

Thời tiết và chất lượng không khí có tác động hết sức lớn đến kinh tế, hệ sinh

thái và sự sống. Do sự nóng lên toàn cầu hiện nay, thời tiết có nhiều biến đổi bất

thường theo hướng không có lợi ở nhiều nơi trên Trái đất. Chất lượng không khí

cũng suy giảm do không khí bị ô nhiễm bởi khí thải mà chúng có nguồn gốc từ những

hoạt động của con người. Để có những hiểu biết tốt hơn sự gia tăng nhiệt độ trên toàn

cầu, thời tiết, cũng như chất lượng không khí, chúng ta phải hướng mối quan tâm của

mình đến bầu khí quyển bao quanh trái đất.

Khí quyển của Trái đất là một hỗn hợp gồm nitơ (N2), oxy (O2) và son khí.

Nhiều loại khí khác cũng có trong khí quyển như argon, carbon dioxit (CO2), ozone

(O3) [1]. Một sự cân bằng hết sức tinh tế giữa các thành phần khí trong khí quyển là

cần thiết để bầu không khí bao quanh Trái đất tiếp tục hỗ trợ cho cuộc sống. 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.

Ozone thường được thấy trong bầu khí quyển Trái đất ở tầng đối lưu

(troposphere) và tầng bình lưu (stratosphere). Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu

(có độ cao trải từ 10 tới 50 km), các phân tử ozone được hình thành và phá hủy qua

các quá trình quang hóa tự nhiên, 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. Tầng đối lưu nằm trong vùng từ mặt đất lên độ cao

khoảng 10 km, ozone được tạo ra qua các phản ứng quang hóa của các chất có nguồn

gốc từ khí thải là oxide nitơ (NOx) và các chất hữu cơ dễ bay hơi. Trong điều kiện

bức xạ mặt trời mạnh (buổi trưa hay đầu giờ chiều) lượng khí ozone sẽ được tạo ra

nhiều, làm tăng mật độ khí ozone ở lớp khí quyển gần mặt đất lên mức có thể gây

ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần

tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm

(photochemical smog) làm giảm chất lượng không khí, đặc biệt là trong các đô thị

lớn, các khu công nghiệp, 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, gây nên sự

nóng lên toàn cầu. Sự có mặt vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh

lý như đau ngực, ho, nôn ói, viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim,

 

2 

 

hen suyễn, v.v… Do vậy, thông tin về nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển

là hết sức cần thiết, nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất [2].

Nồng độ ozone trong khí quyển đã được nghiên cứu từ năm 1920 [2]. Các kỹ

thuật và phương pháp đang được sử dụng hiện nay để xác định nồng độ và phân bố

ozone theo độ cao là bóng thám không với đầu dò ozone là tế bào điện hóa

(electrochemical concentration cell), máy bay, quang phổ kế đặt trên mặt đất hay vệ

tinh và LIDAR (Light Detection And Ranging). Mỗi kỹ thuật và phương pháp triển

khai đo phân bố nồng độ ozone đều có những điểm mạnh, điểm yếu riêng, bổ sung

cho nhau và đáp ứng các nhu cầu đo đạc khác nhau.

LIDAR là kỹ thuật đo đạc từ xa sử dụng bức xạ laser để quan trắc các đặc

trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian. Hiện nay LIDAR đã trở

thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu vật lý và hóa học của khí quyển

(đến độ cao 100 km), hay quan trắc môi trường như xác định mật độ của bụi, son khí

(aerosol), ozone hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như thuỷ ngân, SO2, NO2,

benzene… . LIDAR là kỹ thuật có khả năng bổ sung yêu cầu khảo sát nồng độ ozone

với độ phân giải cao hơn về thời gian (từ 1 phút tới vài giờ) và không gian (tới vài

mét), theo dõi biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn, quan sát

phân bố ozone trong khoảng thời gian dài hơn, đồng thời cho phép đo đạc ozone

trong điều kiện cả ban ngày và lẫn ban đêm [3]. Để xác định phân bố của ozone, kỹ

thuật thông thường được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption

Lidar – DIAL) [3].

Về tình hình quan trắc ozone 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 thống kê hàng năm. KS. Hoàng

Thị Thúy Hà – Trưởng phòng Quản lý Mạng lưới Đài Khí tượng Cao không cho biết,

các số liệu ozone khí quyển chỉ được quan trắc tại 1 địa điểm là Đài Khí tượng Cao

Không (Láng - Hà Nội), dùng đầu dò ozone trên các bóng thám không từ năm 2004

trong hai dự án hợp tác với Nhật và NASA, đến nay đều đã kết thúc. Phương pháp

đo này cho phép đo nồng độ ozone đến độ cao 30 km, độ phân giải tối đa khoảng 15

m [4]. Tuy nhiên, các số liệu đo đạc không thể thực hiện thường xuyên theo thời gian

 

3 

 

mà chỉ thực hiện 1 lần (hoặc tối đa là 2 lần) trong một tháng do chi phí thực hiện khá

cao, trên 1000 đô la Mỹ cho một lần đo đạc ozone.

Tại Việt Nam, vật lý, công nghệ và ứng dụng của LIDAR bắt đầu được quan

tâm và có yêu cầu lớn để phát triển. Kỹ thuật LIDAR bước đầu được triển khai ứng

dụng qua các thiết bị của nước ngoài như thiết bị LIDAR dùng để bay quét độ cao

trong dự án “Xây dựng mô hình số độ cao để giám sát biến đổi khí hậu, nước biển

dâng” của Cục Đo đạc và Bản đồ - Bộ Tài nguyên và Môi trường; Chương trình

AERONET hợp tác giữa NASA và Viện Vật lý Địa cầu – Viện HLKHCNVN dùng

LIDAR để thu thập các dữ liệu khói bụi, khí thải vào môi trường không khí cũng

nhằm để tăng cường hiểu biết về khí hậu và biến đổi khí hậu. Một số trường Đại học,

Viện nghiên cứu cũng hết sức quan tâm đến phát triển hệ thống LIDAR như Viện

Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Điện tử - Trung tâm

KHKT & CNQS, Bộ Quốc Phòng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trường Đại học

Bách khoa Hà Nội. Trong số đó, Viện Vật lý là đơn vị đi đầu và hỗ trợ các đơn vị

khác trong nghiên cứu triển khai các hệ thống LIDAR. Viện Vật lý đã có nhiều công

nghệ nền thuận lợi để phát triển các hệ LIDAR và Viện cũng đã xây dựng và phát

triển thành công nhiều hệ thống LIDAR hoạt động trong vùng khả kiến và hồng ngoại

có khả năng xác định được các thông số đặc trưng của son khí khí quyển tới độ cao

10 km (trong chế độ đo tương tự) và 30 km (trong chế độ đếm photon), phân bố N2

trong khí quyển tới độ cao 5km [73,81]. Trước nhu cầu phải ứng phó với biến đổi

khí hậu, tình trạng ô nhiễm khói bụi làm giảm chất lượng không khí đặc biệt tại các

thành phố lớn, nơi tập trung các khu công nghiệp, việc xây dựng hệ đo phân bố ozone

trong khí quyển dùng kỹ thuật DIAL trở nên một thách thức mới do hệ LIDAR hấp

thụ vi sai đo đạc ozone hoạt động trong miền tử ngoại của dải bức xạ điện từ và đòi

hỏi độ chính xác cao phục vụ phép đo vi sai nên các linh kiện quang học và quang

điện tử sẽ phức tạp và đòi hỏi có độ bền, độ chính xác cao hơn rất nhiều so với các

linh kiện sử dụng trong các hệ LIDAR thông thường. Ngoài ra phần mềm phân tích

và xử lý tín hiệu cũng phải sử dụng những thuật toán riêng và phức tạp phục vụ phép

đo hấp thụ vi sai.

Xuất phát từ những lý do, tính cấp thiết, nhu cầu thực tế và tính khả thi được

trình bày ở trên, mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR hấp

 

4 

 

thụ vi sai 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. Việc phát triển một hệ thống DIAL

đo đạc nồng độ, phân bố ozone như vậy rất có ý nghĩa về mặt khoa học vì đây sẽ là

đóng góp mới của ngành vật lý trong nước, góp phần chủ động trong các nghiên cứu,

khảo sát mà nhiều đơn vị trong nước đang rất quan tâm như Trung tâm Khí tượng

Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Công nghệ Môi trường,

…, đóng góp tích cực trong công tác dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu,

bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát triển trong tương lai.

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 ozone.

Điểm mới của luận án:

Lần đầu tiên phát triển nguồn phát UV cho một hệ DIAL là các bức xạ nhân

tần của hai laser màu phản hồi phân bố.

Phát triển hệ thu DIAL với một hệ Telescope tự nghiên cứu chế tạo trong

nước đường kính lớn tới 40 cm

Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone khí

quyển cho hệ DIAL tử ngoại được phát triển lần đầu trong nước.

Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết, sự phát triển của kỹ thuật LIDAR trên

thế giới cũng như trong nước và kết quả luận án thực hiện được, kết cấu của luận án

sẽ được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1: giới thiệu tổng quan về ozone trong lớp khí quyển tầng thấp bao

quanh bề mặt trái đất, các kỹ thuật quan trắc ozone khí quyển trong đó có kỹ thuật

LIDAR hấp thụ vi sai và sự phát triển kỹ thuật này trong đo đạc phân bố ozone khí

quyển.

 

5 

 

Chương 2: trình bày các nghiên cứu thiết kế, lựa chọn bước sóng, lựa chọn

nguồn phát và tính toán mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng

bước sóng tử ngoại.

Chương 3: trình bày các nghiên cứu phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Sau

khi cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại.

Chương 4: trình bày các kết quả hoạt động và đo đạc của hệ LIDAR hấp thụ

vi sai tử ngoại để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone tại Hà Nội và đánh giá sai số của

kết quả.

Nội dung của bản luận án được hỗ trợ phần lớn tài chính từ đề tài nghiên cứu

khoa học mã số VAST01.08/13-14 thuộc Hướng KHCN ưu tiên: Công nghệ thông

tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ (Mã số hướng: VAST01) của Viện Hàn

lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

 

6 

 

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Chương 1 của luận án bao gồm 3 phần. Nội dung phần một trình bày khái quát

về khí ozone, sự hình thành cũng như vai trò của ozone trong khí quyển của Trái đất,

nhất là trong lớp khí quyển tầng thấp. Lớp khí quyển tầng thấp được hiểu là lớp

không khí bao quanh bề mặt hành tinh, có độ cao từ bề mặt quả đất tới độ cao khoảng

3 km. Trong lớp khí quyển này, hàm lượng ozone biến động mạnh theo nồng độ khí

ô nhiễm và cường độ bức xạ của Mặt trời. Phần hai giới thiệu chung các kỹ thuật

được sử dụng chủ yếu hiện nay để đo đạc phân bố ozone theo độ cao là đầu dò điện

hóa, kỹ thuật Umkehr và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai. Phần 3 sẽ đi sâu trình bày

nguyên lý vật lý phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, là phương pháp được phát triển

trong khuôn khổ của luận án. Cùng với các phương pháp đo phân bố ozone thông

dụng khác từ mạng lưới quan trắc ozone toàn cầu, phương pháp LIDAR hấp thụ vi

sai sẽ giúp cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố ozone trong khí quyển.

1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp

Ozone được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich

Schöbein vào năm 1839 và có ký hiệu hóa học là O3 (Hình 1.1). Nó 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. Mặc dù chỉ chiếm một hàm lượng nhỏ nhưng

ozone lại đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự sống [6].

Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone [5]

1.1.1 Nguồn gốc và phân bố

Ozone được phát hiện chủ yếu trong 2 miền của khí quyển trái đất. Hầu hết

lượng ozone (90%) nằm trong tầng ozone có độ cao từ 15 đến 35 km tính từ bề mặt

trái đất. Tầng ozone này nằm ở miền dưới tầng bình lưu của khí quyển trái đất. Phần

ozone còn lại nằm trong tầng đối lưu (Hình 1.2) [2].

 

7 

 

Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển [2]

Tầng ozone được các nhà vật lý người Pháp là Charles Fabry và Henri Buisson

phát hiện ra năm 1913. Các khảo sát chi tiết tầng ozone được nhà khí tượng học

người Anh là G.M.B.Dobson thực hiện. Ông đã triển khai thiết bị quang phổ kế đơn

giản (Dobsonmeter) để đo đạc, quan trắc ozone trong tầng bình lưu từ mặt đất. Trong

khoảng thời gian từ 1928 đến 1958, Dobson đã thực hiện một mạng lưới quan trắc

quốc tế đo hàm lượng ozone trên tầng bình lưu rất thuận tiện và vẫn còn tiếp tục hoạt

động cho đến ngày nay [2].

Các phản ứng cơ bản đóng góp vào quá trình hình thành ozone trong khí quyển

bao gồm [7]:

𝑂 ℎ𝜈 𝜆 242,3𝑛𝑚 → 𝑂 𝑂 𝑂 𝑂 → 𝑂

𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗

(M là một phân tử thứ ba, lấy đi năng lượng của các gốc tự do O và O2)

3𝑂 ℎ𝜈 𝑈𝑉 ↔ 2𝑂

Ozone bị phân hủy bởi quá trình quang phân và phản ứng với các nguyên tử

oxy [7]:

𝑂 ℎ𝜈 𝜆 1100𝑛𝑚 → 𝑂 𝑂

𝑂 𝑂 → 2𝑂

𝑂 𝑋 → 𝑋𝑂 𝑂 (X có thể là O, NO, OH, Br hoặc Cl)

 

8 

 

Các nguyên tử oxy cũng có thể trải qua va chạm trước khi tạo thành ozone

[7]:

𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗

Những phản ứng nêu trên mô tả các phản ứng hóa học khống chế nồng độ

ozone trong tầng bình lưu. Những phản ứng này xảy ra một các đồng thời, tạo ra và

phân hủy ozone trong tầng bình lưu một cách cân bằng. Nồng độ ozone tổng thể chỉ

có thể thay đổi khi có sự xuất hiện các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ con người,

chẳng hạn như chlorofluorocarbons (CFCs). CFCs được dùng trong các sản phẩm

như tủ lạnh, máy điều hòa không khí, các dung môi tẩy rửa, bình chữa cháy, bình xịt

son khí, bình khí gas xủi bọt dùng một lần trong sản xuất,… CFCs có thời gian sống

khá lâu trong khí quyển từ 75 tới 100 năm và là một trong những nguyên nhân chính

gây ra sự suy giảm ozone trong tầng bình lưu. Một phân tử CFC có thể phá vỡ liên

kết đến 100.000 phân tử ozone [7].

Không như sự hình thành của ozone trong tầng bình lưu, ozone tầng đối lưu

được sinh ra trong khoảng 50 m tính từ mặt đất 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. VOC có thể được thải ra từ

các nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc và tinh chế dầu, các trạm khí gaz và xe cộ.

Bên cạnh các nguồn nhân tạo, VOC có thể phát sinh trong tự nhiên từ dầu trong thực

vật sống, được bốc hơi trong những điều kiện khắc nghiệt, nhất là vào những ngày

hè nóng nực. Oxít nitơ (NOx) thường được phát ra từ sự đốt cháy của các nhiên liệu

hóa thạch như dầu, khí gaz và than đá. Trong khí quyển, ozone được tạo ra bởi sự

quang phân NO2, giải phóng một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy này tự do kết hợp

với phân tử oxy để tạo thành ozone cùng với NO [7,8,9]:

𝑁𝑂 ℎ𝜈 𝜆 380𝑛𝑚 → 𝑁𝑂 𝑂 𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗

NO có thể phản ứng trở lại với phân tử ozone để tạo sự cân bằng. Tuy nhiên,

NO lại phản ứng với HO2 hoặc các gốc hữu cơ của VOC khác, nên số NO có thể phá

hủy phân tử ozone sẽ giảm đi. Sự có mặt của các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ

tự nhiên và từ con người đã thúc đẩy quá trình hình thành ozone vượt ngưỡng cho

phép. Mặt khác, phản ứng tự quang phân của ozone diễn biến một cách chậm sẽ giúp

cho ozone hình thành trong tầng đối lưu (Hình 1.3). Ozone trong tầng đối lưu là thành

 

9 

 

phần chủ yếu tạo nên sương khói quang hóa trong môi trường đô thị, chỉ một phần

ozone không đáng kể trong tầng đối lưu sẽ khuếch tán lên tầng bình lưu [7,8,9].

Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu [15]

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 ban đêm. Tuy nhiên, khu vực nông thôn

cũng có thể có nồng độ ozone cao do sự lan truyền trong khí quyển (Hình 1.4).

Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi

trong ngày tại Trung Quốc[10]

 

10 

 

Hình 1.5. Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx

(Chesapeake Bay – Mỹ) [11]

Hình 1.6. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi

theo tháng trong năm tại Trung Quốc [10]

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, … (Hình 1.5). Do nồng độ ozone phụ

thuộc vào nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời nên nồng độ cao của ozone thường xảy

ra vào những tháng hè nóng nực (Hình 1.6).

 

11 

 

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 (Hình 1.7). Các băng

hấp thụ được đặt tên theo tên các nhà khoa học đi tiên phong trong nghiên cứu sự

hấp thụ của ozone. Năm 1880, một năm sau khi Marie A. Cornu nhận thấy bức xạ

của Mặt trời đến bề mặt của Trái đất bị giới hạn ở vùng bước sóng ngắn phải do sự

có mặt của một chất hấp thụ trong khí quyển, Walther N. Hartley đã mô tả sự phù

hợp giữa tính chất hấp thụ mạnh của ozone trong vùng phổ từ 200 đến 300 nm với

yêu cầu của một chất hấp thụ như vậy. Cũng trong năm này, J. Chappuis đã nghiên

cứu sự hấp thụ yếu hơn trong vùng khả kiến (400-750 nm) trong ozone lỏng. Năm

1890, William Huggins phát hiện ra sự hấp thụ ozone giữa vùng bước sóng 300 –

360 nm khi nghiên cứu quang phổ sao Thiên Lang (Sirius). Trong hai năm 1926-

1927, Oliver R. Wulf có các nghiên cứu đầu tiên về sự hấp thụ của ozone trong vùng

hồng ngoại gần (750-950 nm). Hiện nay, bộ số liệu hấp thụ ozone với độ phân giải

bước sóng khác nhau (0,05 nm, 0,015 nm và 0,01 nm) và nhiệt độ đã được công bố

trong nhiều công trình [12]. Tuy nhiên, cấu trúc mức năng lượng, tính toán mô phỏng

và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ hấp thụ của ozone vẫn đang được quan tâm bởi

nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới để có thể tăng độ chính xác của mô hình lý

thuyết với dữ liệu thực nghiệm [13]. 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.

Một số vệ tinh sử dụng băng phổ hấp thụ Chappuis và Wulf trong việc quan trắc phân

bố ozone. Hai băng Chappuis và Wulf cũng rất cần thiết để quan trắc các thành phần

hàm lượng nhỏ khác, son khí và đám mây trong khí quyển [13,14].

 

12 

 

Hình 1.7. Tiết diện hấp thụ và các băng hấp thụ của ozone [6,13,14].

1.1.3 Vai trò và tác động của ozone

Trong phổ bức xạ điện từ, vùng tử ngoại (ultraviolet-UV) được chia ra làm ba

miền: UV-A có bước sóng 400-320 nm; UV-B có bước sóng 320-280 nm và UV-C

có bước sóng <280 nm. Bức xạ UV-A cần thiết cho con người để giúp tổng hợp

vitamin D. Tuy nhiên, các bước sóng UV, thậm chí cả UV-A nếu phơi quá nhiều,

đều gây nên sự cháy da, ung thư da, tiêu diệt hệ thống miễn dịch và làm đục thủy

tinh thể [16].

Thành phần chủ yếu trong khí quyển là oxy đã lọc UV trong bức xạ mặt trời

ở các bước sóng < 230 nm. Ở bước sóng 230 nm, chỉ 1 phần 1016 cường độ bức xạ

Mặt trời bên ngoài khí quyển đi tới mặt đất. Với những bước sóng lớn hơn 230 nm,

chỉ duy nhất có một thành phần của khí quyển có khả năng ngăn chặn một cách có ý

nghĩa các bức xạ Mặt trời là ozone. Mặc dù không nhiều như oxy nhưng ozone có

khả năng hấp thụ mạnh các bước sóng trong khoảng 240-300 nm (dải hấp thụ

Hartley) (Hình 1.7). Ở bước sóng 250 nm, ozone trong tầng bình lưu chỉ cho xuyên

tới mặt đất một lượng bé hơn 1 phần 1030 của bức xạ mặt trời. Vì vậy, ozone trong

tầng bình lưu có một vai trò hết sức quan trọng đối với trái đất, nó là lá chắn che chở

các tia bức xạ UV của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh. Ngoài ra, do hấp thụ

ánh sáng tử ngoại nên ozone trở thành nguồn nhiệt cho tầng bình lưu, góp phần gia

tăng nhiệt độ và tạo ra cấu trúc nhiệt độ của tầng bình lưu [16].

 

13 

 

Ngược lại với tác dụng tốt của ozone trong tầng bình lưu, ozone với hoạt tính

oxy hóa mạnh, hiện diện trong tầng đối lưu, nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt

đất lại có tác động xấu đến sự sống. Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần

tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm

(photochemical smog), đặc biệt là trong các đô thị lớn, các khu công nghiệp, 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, gây nên sự nóng lên toàn cầu. Sự có mặt

vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh lý như đău ngực, ho, nôn ói,

viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim, hen suyễn, v.v…. Ozone gây

hại cho các vật liệu nylon, cao su và một số loại gạch trong công trình kiến trúc.

Ozone cũng tác động tới nền kinh tế khi làm thiệt hại tới mùa màng và cây rừng [17].

Để phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sống, ngoài việc ký kết các công

ước quốc tế nhằm thức đẩy việc hạn chế khí thải vào khí quyển hàng năm, việc quan

trắc, theo dõi nồng độ và phân bố ozone trong các lớp khí quyển tầng thấp cũng như

tầng cao là công việc rất cần thiết nhằm phục vụ tốt công tác dự báo, phòng chống ô

nhiễm không khí, nghiên cứu động học ozone khí quyển và sự xuất hiện các lỗ hổng

trên tầng ozone.

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 như bóng thám không, tên lửa, máy bay và trên vệ tinh (Hình 1.8). Sự phát

triển của việc đo đạc và quan trắc ozone được minh họa trong Hình 1.9. Ozone khí

quyển được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp (in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote

sensing). Đo đạc nồng độ ozone trực tiếp được thực hiện bằng cách lấy và phân tích

mẫu của không khí để xác định hàm lượng ozone thông qua kỹ thuật quang học, hóa

học hoặc điện hóa. Đo đạc viễn thám được thực hiện bằng các kỹ thuật hấp thụ vi

sai. Do ozone có phổ hấp thụ rộng và mạnh trong vùng bước sóng tử ngoại từ 100 -

340 nm, các băng phổ hấp thụ yếu hơn xung quanh 600 nm trong vùng khả kiến và

hồng ngoại gần (Hình 1.7) nên nhờ việc đo phổ phát xạ của mặt trời hoặc các nguồn

sáng nhân tạo sau khi chiếu rọi qua ozone khí quyển, chúng ta có thể xác định lượng

ozone theo quãng đường quang học.

 

14 

 

Hình 1.8. Đo ozone trong khí quyển [2]

Hình 1.9. Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone [12,18].

(BUV: Backscatter UltraViolet spectrometer; LIDAR: LIght Detection And

Ranging; TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer; DOAS: Differential Optical

Absorption Spectroscopy; SCIAMACHY: SCanning Imaging Absorption

spectroMeter for Atmospheric CHartographY; OMI: Ozone Monitoring Instruments;

OMPS: Ozone Mapping and Profiler Suite).

 

15 

 

Bảng 1.1: Tóm lược các đơn vị đo ozone [19]

Ozone cục bộ Đơn vị Cột ozone Đơn vị

Áp suất riêng phần millipascal Tổng lượng ozone m-atm-cm

10-3 cm ozone ở STP DU

Tỷ số hỗn hợp khối g g-1

Tỷ số hỗn hợp thể tích ppmv

Nồng độ cục bộ phân tử cm-3 Mật độ cột m-atm-cm km-1

phân tử m-3

Mật độ cục bộ g m-3

g cm-3

Các đơn vị đo ozone thông dụng được trình bày tóm lược trong Bảng 1.1.

Trong bảng có sử dụng đơn vị Dobson, đơn vị này được sử dụng để bày tỏ lòng trân

trọng với những đóng góp ban đầu của G.M.B. Dobson trong lĩnh vực đo đạc ozone

khí quyển. Đơn vị Dobson (Dobson unit – DU): số đo tổng lượng ozone trong một

cột thẳng đứng bằng với bề dày 10-5 m của ozone tinh khiết ở STP. Milliatmosphere

centimetre (m-atm-cm): số đo tổng lượng ozone bằng với bề dày 10-3 cm của ozone

tinh khiết ở STP (1 m-atm-cm tương đương với 1DU).

1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển

Có hai đặc trưng của ozone khí quyển thường xuyên được đo đạc và báo cáo

bởi các hệ thống quan trắc mặt đất và vệ tinh là tổng lượng cột ozone và phân bố mật

độ ozone theo phương thẳng đứng [19]. Ngoài ra, một thông số khác thường xuyên

được quan trắc là mật độ ozone bề mặt hay mật độ ozone trong môi trường không

khí xung quanh, biểu thị nồng độ cục bộ của ozone trong lớp không khí khoảng vài

mét tại một địa điểm cụ thể trên bề mặt trái đất [20]. Thiết bị thường được sử dụng

để đo mật độ ozone bề mặt là thiết bị đo ánh sáng Quang kế UV (Hình 1.10). Quang

kế UV đo nồng độ ozone bằng cách so sánh cường độ tín hiệu ở bước sóng 253,7 nm

khi có và không có sự hiện diện của ozone trong buồng lấy mẫu. Thiết bị này đo trực

tiếp mật độ ozone với độ tin cậy cao, ổn định, nhưng chỉ phù hợp cho đo đạc ozone

trong phòng thí nghiệm, khó triển khai ứng dụng đo ozone trong khí quyển.

 

16 

 

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt [21]

1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone

Tổng lượng cột ozone chỉ ra lượng ozone toàn phần trong một cột khí quyển

thẳng đứng trải từ mặt đất tới bờ trên của lớp khí quyển. Đơn vị thường dùng cho

tổng lượng ozone là độ dày của lớp ozone tinh khiết trong điều kiện nhiệt độ và áp

suất chuẩn (Standard Temperature and Pressure – STP, 0oC và 101325 Pa) và mật

độ cột thẳng đứng (số phân tử trên đơn vị diện tích).

Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám với các thiết bị có thể

đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh để đo bức xạ ánh sáng trong dải phổ hấp thụ UV

của ozone giữa 300 và 340 nm [19]. Tổng lượng ozone đo từ mặt đất dùng bức xạ

mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp và bức xạ từ bầu trời. Nếu thực hiện đo

từ không gian, phép đo sẽ là đo bức xạ UV của mặt trời tán xạ ngược vào không gian

bởi khí quyển của trái đất.

Hình 1.11. Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson [23]

 

17 

 

Các thiết bị viễn thám đặt trên mặt đất đo cường độ ánh sáng UV ở các bước

sóng trong vùng phổ hấp thụ của ozone có thể được sử dụng để xác định tổng lượng

ozone bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ vi sai (Differential Optical Absorption

Spectroscopy – DOAS). Hiện nay, hầu hết các thiết bị quan trắc ozone từ mặt đất đều

thuộc Chương trình Quan sát Khí quyển toàn cầu của Tổ chức khí tượng thế giới

(WMO GAW Programme): quang phổ kế ozone Dobson [22,23] (Hình 1.11), quang

phổ kế ozone Brewer [24,25], và ozone kế bộ lọc (filter ozonemeter) M-124 [26].

Phương pháp có độ chính xác cao để xác định tổng lượng ozone là đo trực

tiếp bức xạ mặt trời ở dải bước sóng UV giữa 305 và 340 nm từ thiết bị đặt trên mặt

đất. Phương pháp này dựa trên định luật Lambert-Beer xác định cường độ bức xạ

trực tiếp đến bề mặt của trái đất của bức xạ I0λ ở bước sóng λ sau khi đã bị suy giảm

bởi các thành phần khí quyển có tổng lượng cột là Xi [19]:

𝐼 𝐼 𝑒 ∑ (1.1)

Trong đó:

I0λ là một hằng số bằng Iλ đo bởi thiết bị nếu thiết bị đặt ngoài khí quyển

λi là các hệ số suy hao được đo trong phòng thí nghiệm của các thành phần

làm suy giảm bức xạ

i là tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp có thành phần Xi với

độ dày của lớp này (relative optical air masses).

Nếu quang phổ kế đo cường độ Iλ ở một vài bước sóng λi với sự hấp thụ ozone

khác nhau, ảnh hưởng của các thành phần gây ra sự suy hao (chủ yếu là son khí) có

thể được loại trừ bởi các tổ hợp tuyến tính của công thức (1.2).

Hình 1.12. Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế [19].

 

18 

 

Để đo tổng lượng ozone, đường đi của ánh sáng mặt trời tới quang phổ kế có

thể được minh họa như trong Hình 1.12. Hình vẽ cho đường đi ánh sáng mặt trời

ngang qua lớp ozone trong lớp khí quyển của trái đất.

Cường độ tia mặt trời Iλ ở bước sóng λ được đo trên mặt đất tính theo công thức sau [19]:

𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝛼 𝑋𝜇 𝛼 𝑋 𝜇 𝛽 𝜇 𝛿 𝑠𝑒𝑐 𝜃 (1.2)

Trong đó:

I0λ là cường độ bức xạ bên ngoài khí quyển trái đất ở bước sóng λ;

λ hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ (nm);

X là tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);

là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;

’λ là hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ (nm);

X’ là tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP);

’ là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp

dioxít sunphua;

λ là hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ;

µa là tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của

toàn bộ khí quyển;

δλ là hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ (nm);

θ là góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng.

Để tăng độ chính xác của phép đo ozone, việc đo đạc được thực hiện với một

số bước sóng. Nếu ảnh hưởng của dioxít sunphua và sương mù được bỏ qua, dạng

công thức (1.2) có thể viết lại như sau [19]:

𝐹 𝛽𝜇 𝐹 𝛼𝑋𝜇 (1.3)

Với: 𝐹 ∑ 𝑤 log 𝐼 ; 𝐹 ∑ 𝑤 log 𝐼 ; 𝛽 ∑ 𝑤 𝛽 và 𝛼 ∑ 𝑤 𝛼 .

Giá trị trọng số wλ được lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng của các thành phần khác

trong khí quyển mà chủ yếu là son khí. Từ công thức (1.3) có thể suy ra giá trị của

tổng lượng ozone như sau [19]:

𝑋 (1.4)

 

19 

 

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. Lượng ozone ở mỗi độ cao hay mực áp

suất trong khí quyển thường được biểu diễn như là áp suất riêng phần, tỷ số hỗn hợp

hoặc nồng độ cục bộ. Tổng của phân bố ozone thẳng đứng từ mặt đất tới bờ trên của

khí quyển là tổng lượng cột ozone.

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].

Đầu dò ozone:

Các đầu dò ozone được thả bay theo các bóng thám không quan trắc thời tiết

để đo phân bố phân giải theo độ cao của ozone khí quyển. Kỹ thuật đo đạc dùng đầu

dò ozone là kỹ thuật đo trực tiếp, dựa trên nguyên lý oxi hóa điện hóa của potassium

iodine (KI) bởi ozone trong một dung dịch ngậm nước. Thành phần chính của đầu

dò ozone bao gồm buồng phản ứng chứa dung dịch KI đóng vai trò là bộ phận cảm

biến ozone, một bơm không khí, một nguồn điện và một mạch điện tử giao tiếp và

chuyển đổi dòng điện thành tín hiệu radio truyền về trạm thu mặt đất. tất cả được đặt

trong hộp bảo vệ chống va đập và nhiệt độ thấp.

Có hai loại kết cấu đầu dò ozone: ECC (electrochemical cell) và Brewer-Mast

[27]. Đầu dò ECC có 2 buồng nhỏ chứa KI và ngăn cách nhau bởi màng ngăn. Mỗi

buồng có một điện cực platin. Không khí được bơm vào một buồng và ozone sẽ phản

ứng với KI tạo iodine I2 qua phương trình phản ứng [27]:

2KI + O3 + H2O --> 2KOH +I2 +O2

Khi muối KI chuyển thành I2 thì 2 buồng sẽ mất cân bằng điện tích và sẽ có

dòng electron giữa 2 buồng. Dòng điện sẽ được đo để tính toán ra áp suất riêng phần

của ozone khí quyển.

Khác với đầu dò trong ECC, đầu dò Brewer-Mast chỉ có một buồng phản ứng,

có một điện cực cathode platin và một điện cực anode bạc. Ở cathode platin, I2 bị

oxy hóa theo phản ứng:

I + 2 e- 2I-

Ở điện cực anode (dây) bạc, bạc bị oxy hóa bởi muối iode:

 

20 

 

2I- + 2Ag AgI + 2e-

Vì AgI bền vững, nó bám ở điện cực và không tham gia các phản ứng nào

khác. Nếu một điện thế 410 mV được áp giữa lưới platin và dây bạc, thế phân cực

giữa anode và cathode được bù trừ và không có dòng electron nào giữa chúng. Nồng

độ của KI và I2 trong buồng phản ứng ở trạng thái cân bằng điện hóa. Nếu một phân

tử ozone đi vào dung dịch muối, nó phản ứng với muối iode theo phương trình:

O3 + 2 H+ + 2I- => I2 + H20 +O2

Kết quả là sự cân bằng bị phá vỡ và 2 electron sẽ chạy về anode để sự cân

bằng được tái lập. Dòng điện sẽ cho một số đo tuyệt đối về lượng ozone tham gia

phản ứng trong một đơn vị thời gian.

N phân tử ozone cho một điện tích Q=N.2.e. Theo định luật khí lý tưởng thì:

p.Vrc=N.k.T (1.5)

với p là áp suất riêng phần cho ozone; Vrc là thể tích; N là số phân tử ozone;

k là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối, chúng ta sẽ có:

p.Vrc = Q.k.T/(2.e) (1.6)

Khi Q = i.t, với i là dòng điện được đo và t là thời gian:

p = i.k.T/(2.e) . t/Vrc (1.7)

hay:

p = 4,31.10-3.i.T.t/Vrc (1.8)

trong đó:

p là áp suất riêng phần của ozone (milipascal)

i là dòng điện được đo (A)

T là nhiệt độ của bơm (oK)

Vrc/t là thể tích không khí Vrc được bơm qua buồng trong thời gian t (100ml.s-1).

Kỹ thuật bóng thám không dùng các đầu dò ozone là thông dụng nhất, là cột

trụ cho việc đo đạc phân bố ozone thẳng đứng từ những năm 60 của thế kỷ trước.

Dùng bóng thám không, phân bố ozone theo phương thẳng đứng đã được xác định

với độ phân giải từ vài chục mét tới trên 1 km, từ bề mặt trái đất đến độ cao 35km,

với độ chính xác 5%-10% [19]. Các đầu dò ozone điện hóa rất được ưa chuộng vì

giá thành không quá cao, hoạt động ở mọi miền khí hậu và trong cả những điều kiện

thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, có nhiều hạn chế do các thiết bị phục vụ đo đạc

 

21 

 

không phù hợp với việc đo đạc liên tục theo không gian và thời gian. Sự phân bố

ozone trong khí quyển thay đổi nhanh trong ngày nên khó có thể giám sát nồng độ

ozone bằng các bóng thám không. Hơn nữa, các bóng thám không được thả tự do,

không thể điều khiển và cũng không thể thu hồi. Mặc dầu được kiểm tra trước khi

thả cùng bóng thám không nhưng không thể tránh được những hư hỏng trong khi bay

và sự ổn định giữa các đầu dò cũng khó duy trì.

Kỹ thuật Umkehr:

Phân bố ozone thẳng đứng được đo từ mặt đất với kỹ thuật Umkehr. Cơ sở của

phương pháp viễn thám này dựa trên hiệu ứng Umkehr được quan sát khi sử dụng

quang phổ kế tử ngoại để đo cường độ I và I’ ở hai bước sóng và ’. Ở bước sóng

, sự hấp thụ của ozone mạnh hơn so với ở bước sóng ’ và thông thường các cặp

bước sóng được lựa chọn trong băng phổ Huggin. Giá trị log(I/I’) biến đổi như là

một hàm của góc hợp bởi phương của tia sáng mặt trời và phương thẳng đứng (góc

zenith). Sự phụ thuộc của log(I/I’) vào đã được Götz, Meetham và Dobson giải

thích là do sự phân bố của ozone theo phương thẳng đứng [28]. Sự phụ thuộc này

càng rõ rệt khi Mặt trời ở gần với đường chân trời (bình minh hoặc hoàng hôn), khi

đó tia sáng Mặt trời phải đi một quãng đường dài hơn xuyên qua lớp ozone trong khí

quyển. Đường cong biểu diễn giá trị log(I/I’) theo góc được gọi là đường Umkehr

(Hình 1.13) [29].

Kỹ thuật Umkehr đã được triển khai từ năm 1934 [28], cho phép đo đạc phân

bố ozone với độ phân giải thấp. Trong kỹ thuật này, tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ

theo phương thẳng đứng từ bầu trời khi góc tới của tia Mặt trời giữa 60o và 90o (Hình

1.14) được đo đạc. Thiết bị thường được sử dụng để đo đạc với kỹ thuật Umkehr là

quang phổ kế Dobson và quang phổ kế Brewer.

Trong kỹ thuật Umkehr, khí quyển được phân chia thành các lớp và mật độ

ozone cho mỗi lớp được giả sử. Bằng việc tính toán sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng

cho các độ cao khác nhau, đường Umkehr lý thuyết sẽ được suy ra. Sau đó, mật độ

ozone sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi trùng khớp giữa đường Umkehr lý thuyết và

đường Umkehr thực nghiệm.

 

22 

 

Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm [29]

Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển

và tán xạ đến thiết bị đo [29 ]

Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu phát triển thuật toán xác định mật độ

ozone dùng kỹ thuật Umkehr [28–36]. Thuật toán cổ điển phân chia khí quyển thành

5 lớp tính từ mặt đất, độ cao mỗi lớp ~15 km. Còn hiện nay, khí quyển thường được

 

23 

 

chia thành 16 lớp nên độ phân giải mật độ ozone trong kỹ thuật Umkehr đạt đến ~ 5

km [36]. Tương tự như các máy quang phổ đặt ở mặt đất, các máy quang phổ đặt trên

vệ tinh dùng kỹ thuật Umkehr để đo phân bố ozone cũng sẽ đo tỷ số cường độ ánh

sáng tán xạ của Mặt trời ở các cặp bước sóng nằm trong băng phổ Huggin. Tuy nhiên,

thay vì đo tia tán xạ đến mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh sẽ đo tia tán xạ

của ánh sáng Mặt trời ra ngoài khí quyển của Trái đất.

Việc quan trắc phân bố ozone theo phương thẳng đứng dùng kỹ thuật Umkehr

bằng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hay trên vệ tinh có ưu điểm lớn là cung cấp

được bản đồ ozone toàn cầu. Hiện nay, các số liệu đo bằng phương pháp này vẫn

thường xuyên được cập nhật và phân tích tại Trung tâm Số liệu UV và Ozone thế

giới (World Ozone and Ultraviolet Data Centre – WOUDC) [19]. Tuy nhiên, quan

trắc dùng kỹ thuật Umkehr cho các kết quả phân bố nồng độ ozone với độ phân giải

thô về không gian và thời gian, không cho phép chúng ta có được những thông tin về

những biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn tại những vùng miền

hay từng địa phương, chỉ có thể đo đạc phân bố ozone vào thời điểm Mặt trời mọc

hay lặn, và cũng giống như các kỹ thuật viễn thám khác, kỹ thuật Umkehr cũng đòi

hỏi điều kiện trời trong khi thực hiện đo đạc.

Ngoài ra, một số các kỹ thuật viễn thám như phát xạ nhiệt hồng ngoại (infrared

thermal emission), phát xạ nhiệt vi sóng (microwave thermal emission), và hấp thụ

hồng ngoại (infrared absorption), cũng vừa được một số nhà nghiên cứu phát triển

để sử dụng trong đo đạc phân bố ozone [19]. Một số kỹ thuật này đã bắt đầu cung

cấp số liệu phục vụ lưu trữ điều tra cơ bản.

Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai:

LIDAR là một hệ rađa quang học. LIDAR đã có đóng góp to lớn vào sự hiểu

biết của con người đối với khí quyển của trái đất trong nhiều thập kỷ qua. Để đo đạc

phân bố ozone theo độ cao, kỹ thuật được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai. Hiện

nay, kỹ thuật này rất được quan tâm phát triển để sử dụng đo phân bố ozone thẳng

đứng do có thể thực hiện việc đo đạc với độ phân giải không gian và thời gian cao,

có thể quan trắc liên tục theo thời gian, vị trí đo cơ động, và có thể đo đạc cả ngày

lẫn đêm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai còn có thể hoạt động ngay khi có lượng mây

che không đáng kể. Trong phần 3 của Chương 1 tiếp theo, kỹ thuật LIDAR, LIDAR

 

24 

 

hấp thụ vi sai sẽ được trình bày từ nguyên lý cơ bản đến việc sử dụng kỹ thuật này

trong đo đạc phân bố ozone khí quyển.

1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật

LIDAR hấp thụ vi sai

1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai

LIDAR là một kỹ thuật viễn thám, sử dụng bức xạ laser như cảm biến để đo

đạc từ xa. Trong các kỹ thuật viễn thám, chỉ có LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ

động do chúng ta có thể chủ động điều khiển nguồn phát năng lượng bức xạ, trong

khi các phương pháp viễn thám khác để quan trắc nồng độ ozone đều là kỹ thuật thụ

động, sự quan trắc phụ thuộc vào nguồn sáng tự nhiên (Mặt trời, Mặt trăng) hay các

nguồn bức xạ điện từ trường khác. Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật 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 (Hình

1.15).

Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR [37]

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

 

25 

 

– DAS). Các quá trình này được mô tả tóm tắt trong Bảng 1.2 kèm theo các hình vẽ

minh họa sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng.

Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser [37]

Kỹ thuật Diễn giải quá trình vật lý

Tán xạ Rayleigh

Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các phân tử và nguyên tử với tần số không đổi

Tán xạ Mie Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ các hạt nhỏ hay son khí (có kích thước cỡ như bước sóng của bức xạ) với tần số không đổi

Tán xạ Raman

Bức xạ laser được tán xạ không đàn hồi từ các phân tử với đặc trưng dịch chuyển tần số của phân tử (ℎ𝜈ℎ𝜈∗ 𝐸)

Tán xạ cộng hưởng

Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển riêng của nguyên tử được tán xạ với tiết diện lớn và với tần số không thay đổi

Huỳnh quang Bức xạ laser có tần số phù hợp với dịch chuyển điện tử của nguyên tử hay phân tử được hấp thụ và phát xạ ra tần số thấp hơn. Sự va chạm dập tắt có thể làm giảm tiết diện hiệu dụng của quá trình này. Phát xạ băng rộng có thể được quan sát với các phân tử

Hấp thụ Sự suy giảm của tia laser khi tần số phù hợp với dải hấp thụ của phân tử

Hấp thụ và tán xạ vi sai (DAS)

Sự suy giảm vi sai từ các tín hiệu tán xạ ngược của 2 tia laser khi tần số của một tia laser hầu như phù hợp với dịch chuyển của phân tử còn tia thứ hai thì không

 

26 

 

Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser (l, d, a và s tương

ứng là ký hiệu bước sóng laser, bước sóng đo, bước sóng hấp thụ và dịch chuyển

Raman) [37]

Khoảng tiết diện cho mỗi quá trình được minh họa theo sơ đồ trong Hình 1.16.

Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được

phát bởi hệ LIDAR. Từ Hình 1.16 này có thể nhận thấy tiết diện tán xạ Mie của phân

 

27 

 

tử, nguyên tử với kích thước thích hợp có thể làm tăng nhiều bậc tín hiệu tán xạ. Điều

này dẫn đến những nồng độ rất thấp (hay một thay đổi nhỏ của nồng độ) của thành

phần được quan trắc hay son khí cũng có thể được phát hiện.Về nguyên tắc, dịch

chuyển Raman đặc trưng riêng cho các phân tử khí, nên có thể dễ dàng xác định nồng

độ tương đối của thành phần nào đó so với một số thành phần quy chiếu, như ni tơ,

từ tỉ số tín hiệu Raman tương ứng với tỉ số tiết diện đã được biết. Tuy nhiên, tiết diện

Raman của ozone nhỏ nên cũng khó phát hiện do bị giới hạn bởi độ nhạy phát hiện

của cảm biến laser. 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 cho dù tín hiệu bị suy giảm do tương tác (tán

xạ, hấp thụ) với các thành phần chiếm đa số trong khí quyển [37].

Để tách sự hấp thụ của ozone mà chúng ta quan tâm với thành phần gây suy

hao khác, kỹ thuật đo đạc vi sai được áp dụng. Trong kỹ thuật này, hai tần số được

sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ và một ở phần rìa của băng hấp thụ. Ozone có hai

băng hấp thụ lớn là Hartley và Huggin (Hình 1.7) nên chúng thường được sử dụng

trong kỹ thuật hấp thụ vi sai. Thuật ngữ DIAL, viết tắt cho “Differential-Absorption

Lidar” ngày nay đã trở nên thông dụng do tất cả các kỹ thuật viễn thám sử dụng laser

đều được thực hiện theo phương pháp hấp thụ vi sai này.

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.

Bộ phát của hệ LIDAR thường bao gồm một hệ laser phát xung laser có năng

lượng thích hợp với đối tượng được quan tâm khảo sát, một hệ quang học định hướng

chùm laser vào khí quyển và một bộ phát hiện (trigger) trích một phần nhỏ của xung

laser để đánh dấu thời điểm 0, là thời điểm xung laser được phát ra. Hệ quang học

phát còn có thể có chức năng cải thiện độ chuẩn trực của chùm tia, chặn trường không

gian, hay tránh truyền bức xạ băng rộng có thể làm tăng thêm sai số trong kỹ thuật

LIDAR [3].

 

28 

 

Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3]

Bức xạ tán xạ ngược được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân

tích phổ và đầu đo quang điện tử. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan

sát và lọc lựa bức xạ nền ở các bước sóng khác. Hệ phân tích phổ có thể là một

monochromator, một polychromator, hoặc một bộ phin lọc phổ băng hẹp cùng với

phin lọc bước sóng laser (trừ khi bước sóng tán xạ đàn hồi được quan tâm). Sự lựa

chọn đầu đo quang điện tử thường là được xác định bằng miền phổ cần khảo sát, loại

ứng dụng và loại laser được sử dụng.

Về nguyên tắc có 2 cấu hình LIDAR cơ bản. Cấu hình với bộ phát và bộ thu

cách xa nhau sử dụng trong các nghiên cứu thăm dò quang học. Ngày nay, cấu hình

này ít được sử dụng khi mà các laser xung nano giây có sẵn hiện nay có khả năng

cho độ phân giải cỡ mét tới vài mét và do vậy, cấu hình với bộ phát và bộ thu ở cùng

một địa điểm thường được dùng trong hầu hết các trường hợp. Cấu hình LIDAR với

bộ phát và thu ở cùng chỗ có thể là đồng trục hoặc lưỡng trục. Trong hệ LIDAR đồng

trục, trục của chùm tia laser trùng với trục của bộ thu, trong khi hệ LIDAR lưỡng

trục thì chùm tia laser chỉ đi vào trường nhìn của bộ thu ở một độ cao xác định. Cấu

hình laser lưỡng trục tránh gặp vấn đề bức xạ tán xạ ngược trường gần gây bão hòa

cho các đầu đo quang điện tử, nhưng về mặt quang học thì không đạt hiệu suất như

hệ lidar đồng trục. Vấn đề tán xạ ngược trường gần có thể giải quyết bằng cách hoặc

dùng cổng cho hệ đầu đo quang điện tử hoặc dùng các hệ chopper cơ quang học.

 

29 

 

Các telescope Newtonian và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong

hệ quang học thu ngày nay được minh họa trong Hình 1.18. Hệ LIDAR lưỡng trục

trong Hình 1.18 sử dụng telescope Newtonian. Ưu điểm nhỏ gọn và có tiêu cự dài

được thiết kế trong telescope Cassegrainian khá thông dụng hiện nay. Telescope dựa

trên thấu kính Fresnel lớn bằng nhựa tổng hợp có một số ưu điểm như giá thành,

trọng lượng và kích thước nên rất được chú ý khi phát triển các hệ LIDAR trên các

thiết bị bay. Các quan trắc dựa trên tán xạ Raman thường đòi hỏi kích thước độ mở

của hệ quang học thu lớn, 30 đến 40 cm, trong các hệ LIDAR để nghiên cứu, phát

hiện các thành phần như CO2, H2O, SO2 và ozone trong khí quyển [3].

Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c) Cassegrainian [3]

Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu đo có thể được viết dưới dạng đơn

giản nhất như sau [3]:

𝑃 𝑅 𝐾𝐺 𝑅 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑇 𝑅, 𝜆 (1.9)

Trong đó:

P – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R

K – hằng số hệ thống

G(R) – mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo

β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho

tán xạ ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới

 

30 

 

T(R,λ) – là hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR

tới độ cao R và quay trở ngược lại.

Hai giá trị K và G(R) được xác định hoàn toàn bởi thiết kế hệ LIDAR và có

thể được giám sát, hiệu chỉnh bởi người làm thực nghiệm. Các thông tin trong khí

quyển và những giá trị định lượng có thể đo đạc nằm trong 2 nhân số sau của phương

trình (1.9). Cả β(R) và T(R) là chủ đề nghiên cứu và về nguyên tắc là chưa biết đối

với các nhà thực nghiệm.

Chi tiết hơn, chúng ta có thể viết hệ số K như sau [3]:

𝐾 𝑃 𝐴𝜁 (1.10)

P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, và τ là độ dài thời gian của xung.

Vì thế 𝐸 𝑃 𝜏 là năng lượng xung, và 𝑐𝜏 là độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi

xung laser ở một thời điểm cố định. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá

trình tán xạ ngược như được minh họa trong Hình 1.19. Khi tín hiệu LIDAR được

phát hiện tại một thời điểm t sau khi cạnh lên của xung được phát ra, ánh sáng tán xạ

ngược từ cạnh lên của xung đến từ độ cao 𝑅 𝑐𝑡 2⁄ . Cùng thời điểm đó, ánh sáng

sinh bởi cạnh xuống của xung laser đến đầu dò LIDAR từ độ cao 𝑅 𝑐 𝑡 𝜏 2⁄ .

Như vậy Δ𝑅 𝑅 𝑅 𝑐𝜏 2⁄ là độ dài của thể tích mà từ đó ánh sáng tán xạ ngược

được đầu dò LIDAR nhận được ở một thời điểm và được gọi là “độ dài xung (không

gian) hiệu dụng”.

Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR [3]

 

31 

 

A là diện tích của bộ thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược và 𝜁 là

hiệu suất của hệ. Nó bao gồm hiệu suất quang học của các yếu tố mà ánh sáng truyền

qua và hiệu suất phát hiện. Tiết diện telescope A và năng lượng xung laser, hay công

suất laser trung bình 𝑃 𝐸 𝑓 với tần số lặp lại của xung frep là những thông số

thiết kế đầu tiên của một hệ LIDAR. 𝜁 sẽ được cố gắng tối ưu hóa để có thể nhận

được tín hiệu lidar tốt nhất.

Hệ số hình học [3]:

𝐺 𝑅 (1.11)

bao gồm hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu O(R)

và số hạng R-2. Sự giảm bậc 2 của cường độ tín hiệu theo khoảng cách là do diện tích

của telescope chỉ chiếm một phần của mặt cầu bán kính R chung quanh thể tích tán

xạ (xem Hình 1.19). Nếu tán xạ là đẳng hướng ở khoảng cách R, diện tích telescope

chỉ thu nhận một phần nhỏ của tổng cường độ Is được tán xạ vào góc khối 4 [3]:

(1.12)

Nói cách khác, góc khối 𝐴 𝑅⁄ là góc nhận diện (perception angle) của LIDAR

cho ánh sáng tán xạ ở khoảng cách R. Hệ số 4 sẽ không xuất hiện trong phương

trình LIDAR vì nó sẽ được khử bởi định nghĩa hệ số tán xạ ngược β. Sự phụ thuộc

R-2 là nguyên nhân chính cho dạng động học của tín hiệu LIDAR. Hình 1.20 cho thấy

sự giảm tín hiệu hình học theo khoảng cách là kết quả của việc nhân O(R) với R-2.

Tín hiệu mạnh ở trường gần bị khử đi vài bậc. Trong hầu hết các trường hợp, khí

quyển sẽ gây ra sự suy giảm của tín hiệu theo độ cao.

Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu [3]

 

32 

 

Hệ số tán xạ ngược β(R,λ) là thông số khí quyển trước tiên xác định cường độ

tín hiệu LIDAR. Nó biểu diễn ánh sáng được tán xạ như thế nào theo phương ngược

lại, tức là tới bộ thu của hệ LIDAR. Hệ số tán xạ ngược là một giá trị riêng của hệ số

tán xạ cho góc tán xạ 𝜃 180 . Gọi Nj là nồng độ của phần tử tán xạ loại j trong thể

tích được chiếu rọi bởi xung laser và 𝑑𝜎 , 𝜋, 𝜆 /𝑑Ω là tiết diện tán xạ vi phân của

các phần tử theo phương ngược lại ở bước sóng λ. Hệ số tán xạ ngược có thể được

viết như tổng của các loại phần tử tán xạ [3]:

𝛽 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅 , , (1.13)

Vì nồng độ có đơn vị m-3 và tiết diện tán xạ vi phân là m2sr-1, hệ số tán xạ

ngược có đơn vị là m-1sr-1.

Nếu chúng ta trở lại với bức tranh đơn giản của tán xạ đẳng hướng và giả sử

rằng chỉ có một loại hạt trong thể tích tán xạ, mối liên hệ giữa hệ số tán xạ ngược và

tiết diện tán xạ đẳng hướng 𝜎 là 4𝜋𝛽 𝑁𝜎 . Cường độ của ánh sáng tán xạ từ

thể tích được chiếu rọi 𝑉 𝐴 Δ𝑅 𝐴 𝑐𝜏/2 với tiết diện tia laser AL, là tỉ lệ với diện

tích 𝐴 𝑁𝜎 𝑉, tức là tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V. Do

vậy, cường độ tương đối của ánh sáng tán xạ là [3]:

(1.14)

Kết hợp với (1.12), chúng ta nhận được tỷ số của cường độ ánh sáng thu và

ánh sáng phát ra

(1.15)

Vế phải của công thức (1.15) diễn tả phần của phương trình LIDAR có liên

quan trực tiếp đến hình học tán xạ, tức là nó có chứa các tính chất kích thước và tán

xạ ngược của thể tích tán xạ và góc nhận diện của hệ LIDAR.

Trong khí quyển, ánh sáng laser bị tán xạ bởi các phân tử không khí và vật

chất dạng hạt, do vậy β(R,λ) có thể được viết như sau [3]:

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (1.16)

Tán xạ phân tử (ký hiệu mol - molecular), chủ yếu xảy ra do các phân tử ni tơ

và oxy, phụ thuộc trước hết vào mật độ không khí và do đó suy giảm theo độ cao,

tức là tán xạ ngược sẽ giảm theo độ cao nếu quan sát từ trái đất, nhưng sẽ tăng trong

trường hợp quan sát ngược lại từ máy bay hay các tàu không gian. Tán xạ hạt (ký

 

33 

 

hiệu aer cho aerosol – son khí) biến đổi lớn trong khí quyển trên cả hai thang không

– thời gian. Các hạt tán xạ rất phong phú về thể loại: giọt chất lỏng nhỏ, các hạt rắn

không khí ô nhiễm như sun phát, bồ hóng và các hỗn hợp hữu cơ, các hạt bụi hầm

mỏ và muối biển, phấn hoa và vật phẩm sinh học khác, hoặc các loại băng ngưng

giữa trời lớn như mây, giọt mưa, tinh thể băng tuyết và mưa đá.

Với thừa số cuối cùng trong phương trình LIDAR, chúng ta xem xét phần nhỏ

ánh sáng bị mất mát trên quãng đường từ hệ lidar tới thể tích tán xạ và ngược lại. Số

hạng T(R,λ)có thể nhận giá trị từ 0 đến 1 và được cho bởi biểu thức [3]:

𝑇 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.17)

Số hạng này là trường hợp riêng của định luật Lambert-Beer-Bouguer cho

LIDAR. Tích phân lấy trên quãng đường từ hệ LIDAR tới độ cao R. Thừa số 2 đại

diện cho hai lần truyền đi về. Tổng của tất cả những mất mát trên đường truyền được

gọi là sự suy hao ánh sáng và α(R,λ) là hệ số suy hao (extinction coefficient). Nó được

định nghĩa tương tự như hệ số tán xạ ngược, là tích của nồng độ và tiết diện suy hao

𝜎 , cho mỗi loại phần tử tán xạ j,

𝛼 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅 𝜎 , 𝜆 (1.18)

Sự suy hao có thể xảy ra do tán xạ và hấp thụ của ánh sáng bởi phân tử và các

hạt. Vì thế, hệ số suy hao có thể viết là tổng của 4 thành phần:

𝛼 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 (1.19)

với các ký hiệu sca và abs đại diện cho tán xạ và hấp thụ. Vì tán xạ theo tất cả các

phương đóng góp vào sự suy hao của ánh sáng, nên tiết diện tán xạ σsca cùng với tiết

diện hấp thụ σabs, cùng có đơn vị m2, hợp thành tiết diện suy hao:

𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.20)

Từ đó suy ra hệ số suy hao có đơn vị là m-1.

Như các biểu thức trên đã chỉ ra, cả β và α đều phụ thuộc vào bước sóng của

laser phát. Sự phụ thuộc bước sóng này được xác định bởi kích thước, chiết suất và

hình dạng của các phần tử tán xạ.

Từ các công thức (1.10), (1.11) và (1.17), chúng ta có thể viết lại dạng của

phương trình LIDAR (1.9) như sau:

𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.21)

 

34 

 

Đây là phương trình LIDAR cơ bản. Phương trình này sẽ được sử dụng và có

những thay đổi thích hợp tùy theo từng kỹ thuật LIDAR. Cần lưu ý rằng tín hiệu

LIDAR được phát hiện luôn bao gồm cả tín hiệu nền Pb (b – background) thêm vào

tín hiệu LIDAR mô tả ở trên. Vào ban ngày, tín hiệu nền là do ánh sáng mặt trời trực

tiếp hoặc tán xạ. Còn vào ban đêm, mặt trăng, các vì sao và các nguồn sáng nhân tạo

sẽ đóng góp vào ánh sáng nền. Nhiễu đầu dò cũng là nguồn khác của tín hiệu không

mong muốn. Nền phải được trừ đi trước khi một tín hiệu LIDAR có thể được sử dụng

để phân tích tính toán. Thường thì một số các điểm số liệu từ các điểm tín hiệu cuối,

lúc không có photon tán xạ ngược được ghi nhận hoặc từ những giai đoạn trước khi

phát xung laser được sử dụng để tính toán tín hiệu nền 𝑃 và sai lệch tương ứng Δ𝑃

để tính sai số cho các tín hiệu được đo.

1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai

LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL)

có khả năng phát hiện các thành phần khí trong khí quyển, nhất là những khí có hàm

lượng nhỏ, với độ nhạy cao [3,37]. Kỹ thuật DIAL sử dụng vạch hấp thụ đơn hoặc

băng phổ hấp thụ rộng của các loại khí. Bằng việc phát hai bước sóng λon và λoff,

bước sóng λon được hấp thụ mạnh hơn bước sóng λoff, hệ số hấp thụ phân tử vi sai

của hai bước sóng Δ𝛼 , sẽ được xác định. Nếu tiết diện hấp thụ vi sai Δ𝜎 .

cho hai bước sóng được biết, nồng độ của phân từ hay nguyên tử khí có thể được trực

tiếp suy ra. Kỹ thuật DIAL có thể ứng dụng để đo đạc phân bố các loại khí như O3,

NO2, NO, N2O, SO2, CH4, HCl, NH4 và những loại khí khác. DIAL cũng rất được

quan tâm để dùng quan trắc hơi nước vì nó là loại khí nhà kính quan trọng nhất [3].

Do các vạch hấp thụ hẹp của phân tử H2O, DIAL hơi nước đòi hỏi ánh sánh laser

phát xạ phải ổn định, và đơn sắc và phải xem xét đến hiệu ứng mở rộng Doppler với

ánh sáng tán xạ ngược. Thêm vào đó, kỹ thuật DIAL có khả năng sử dụng đo phân

bố nhiệt độ theo độ cao do các vạch hấp thụ của oxy phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ,

trong trường hợp nồng độ của oxy được biết và tiết diện hấp thụ vi sai có chứa thông

tin nhiệt độ được đo [3].

Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật DIAL được mô tả ở Hình 1.21, trong đó:

Laser xung phát cả 2 bước sóng on và off

 

35 

 

Xung tới đập vào đối tượng khảo sát như phân tử khí, nguyên tử hay son khí trong

khí quyển và một số photon tán xạ ngược lại

Bộ thu trong hệ DIAL phát hiện và đếm các photon tán xạ trở lại. Thời gian trễ

cho phép xác định khoảng cách và tỉ số giữa 2 photon cộng hưởng on và off cho phép

suy ra nồng độ phân tử khí cần đo.

Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm [38].

Trong Hình 1.21, hệ quang học thu sử dụng một bản chia chùm và hai kính

lọc để tách riêng bước sóng on và off trước khi đến các bộ phận chuyển đổi và khuếch

đại tín hiệu quang điện tương ứng.

Để tính ra mật độ khí khảo sát bằng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, chúng

ta bắt đầu từ phương trình LIDAR [1.21] và viết cho một hệ DIAL hoạt động ở hai

bước sóng λon và λoff, mà loại khí khảo sát có tiết diện hấp thụ lớn hơn và nhỏ hơn

tương ứng với hai bước sóng này. Pon là tín hiệu LIDAR ở bước sóng λon và Poff là

tín hiệu ở λoff. Giả sử sự khác nhau trong hệ số suy hao khí quyển chỉ duy nhất đóng

góp bởi một loại khí, nên:

Δ𝛼 𝑁Δ𝜎 (1.22)

với:

Δ𝜎 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.23)

 

36 

 

trong đó σ là tiết diện hấp thụ phân tử. Chúng ta cũng giả sử rằng hệ số tán xạ ngược

khí quyển ở hai bước sóng là giống nhau, trong trường hợp lý tưởng hóa này, chúng

ta có thể suy ra mật độ của khí khảo sát N [3]:

N ln (1.24)

Biểu thức (1.24) cho thấy DIAL là một kỹ thuật đo tự định chuẩn: tất cả các

hằng số bị loại bỏ do việc lấy tỉ số, tìm logarit và lấy đạo hàm theo khoảng cách. Tuy

nhiên, cần lưu ý trong các phân tích trên đã giả sử không có những sự khác nhau phụ

thuộc khoảng cách trong các tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng. Hệ thống thực nghiệm

có thể gây ra những sự khác nhau hệ thống ở hai bước sóng và do đó là gây sai số

trong giá trị đo N. Các sai lệch có thể đến từ cả các hiệu ứng khí quyển và hệ thống,

bao gồm độ nhạy với áp suất và nhiệt độ của phổ khí khảo sát, sự mở rộng Doppler

của tín hiệu tán xạ Rayleigh, độ rộng và dịch chuyển có thể của vạch laser, độ tin cậy

trong độ sạch của phổ và bước sóng trung tâm.

Trong thực tế, các tín hiệu LIDAR được thu nhận và được phân tích không

phải là những hàm liên tục mà là những giá trị trong những loạt khoảng cách rời rạc.

Biểu diễn đạo hàm trong biểu thức (1.24) theo các số hạng có sự gia tăng khoảng

cách ΔR, chúng ta có [3]:

𝑁 ln (1.25)

Các số liệu DIAL tầng đối lưu thường được đo đạc trên những loạt khoảng

cách nhỏ, chẳng hạn 1,2 – 15 m, và được phân tích với độ phân giải không gian 50 -

800m do phải thực hiện lấy các đường làm khớp số liệu và lọc số liệu nhằm tăng

thêm tỷ số tín hiệu trên nhiễu [3, 39].

Trong trường hợp tổng quát, hệ số tán xạ ngược khí quyển là không như nhau

ở hai bước sóng DIAL và có suy hao vi sai do các phân tử không khí, son khí và các

khí gây nhiễu (interfering gasses) đối với khí ta khảo sát. Các hiệu ứng phụ thuộc

bước sóng đòi hỏi một tập hợp các hiệu chỉnh cho biểu thức (1.25) như sau [3]:

𝑁 ln 𝑙𝑛 ,

,

,

,𝐷 𝐸 𝐹

(1.26)

Trong đó:

 

37 

 

𝐷 (1.27)

là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các phân tử không khí,

𝐸 (1.28)

là do suy hao phụ thuộc bước sóng của các son khí, và

𝐹 ∆𝛼𝐼𝐺

∆𝜎NIGΔ𝜎𝐼𝐺

Δ𝜎 (1.29)

là do suy hao phụ thuộc bước sóng của một khí nhiễu (interfering gas – IG). Đại

lượng Δ𝜎 Δ𝜎⁄ đôi khi còn được gọi là độ nhạy QIG.

1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone

Để đo đạc phân bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng, kỹ thuật DIAL

được sử dụng. Kỹ thuật này đòi hỏi sự phát đồng thời hai chùm tia laser có đặc trưng

bởi tiết diện hấp thụ ozone khác nhau. Sự lựa chọn hai bước sóng trước hết phụ thuộc

vào độ cao của phép đo.

Ozone có các băng hấp thụ chính là Hartley, Huggin, Chappuis và Wulf (xem

Hình 1.7). Do các băng hấp thụ Chappuis và Wulf có tiết diện hấp thụ tương đối thấp

nên các hệ DIAL thường chọn các bước sóng trong dải Hartley và Huggin. Bước

sóng on được lựa chọn trong vùng hấp thụ mạnh của ozone, bước sóng off được lựa

chọn trong vùng không hấp thụ hoặc hấp thụ yếu hơn. Sự chọn lựa bước sóng là việc

quan trọng khi xây dựng một hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Để quan trắc phân bố ozone

trong tầng ozone, thuộc miền dưới của tầng bình lưu, cặp bước sóng được lựa chọn

thuộc miền bước sóng lớn hơn 300 nm, tương ứng với vùng ozone có tiết diện hấp

thụ thấp. Miền dưới của tầng bình lưu (độ cao khoảng từ 15 km đến 35 km) được

xem là khí quyển tầng cao, nơi đây có mật độ ozone cao hơn nhiều tầng đối lưu và

mật độ khí quyển giảm làm giảm các thành phần gây ra ánh sáng tán xạ ngược. Do

vậy, để đạt đến độ cao này, các bức xạ laser phải có cường độ mạnh, không bị ozone

trong lớp khí quyển tầng thấp hấp thụ hết, đủ để phát hiện nồng độ ozone cao trong

tầng bình lưu và tín hiệu tán xạ ngược không quá nhỏ. Ngược lại, tầng đối lưu có mật

độ ozone nhỏ nên bước sóng laser phải nằm trong vùng ozone hấp thụ mạnh để tăng

độ nhạy phát hiện, tức là cặp bước sóng lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai phải

nằm sâu hơn trong miền tử ngoại (băng Hartley), giữa khoảng 266 nm và 320 nm.

 

38 

 

Hình 1.22. Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone [3]

Trong miền phổ này có khí nhiễu là SO2. Hình 1.22 cho thấy tiết diện hấp thụ

của SO2 khá lớn trong miền phổ từ 277 nm đến 300 nm. Do đó, SO2 có thể gây sai

số, nhất là khi có ô nhiễm khói bụi gây ra nồng độ SO2 cao. 13 cặp bước sóng, với

giữa 0,9 và 8,7 nm đã được lựa chọn để tiết diện hấp thụ vi sai của SO2 bằng

không với sai số dưới 3% cho mỗi cặp [3]. Nếu chúng ta có thể sử dụng 1 trong các

cặp bước sóng này (Bảng 1.3), phép đo ozone bằng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai

sẽ tránh được sự hiện diện của SO2 trong số hạng hiệu chỉnh ở biểu thức (1.29). Bảng

1.3 liệt kê các cặp bước sóng theo thứ tự giảm dần của tiết diện hấp thụ vi sai.

Chúng ta cũng nhận thấy các số hạng hiệu chỉnh D, E và F trong biểu thức

(1.26) đều có chứa 1/, do đó cặp bước sóng nên được lựa chọn sao cho tỷ số giá

trị / là lớn nhất có thể. Sự lớn một cách tương đối của giá trị / sẽ làm giảm

suy hao gây bởi son khí cần phải hiệu chỉnh [3].

Như vậy, 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:

1. Tiết diện hấp thụ ở bước sóng on để đáp ứng độ cao quan trắc mong muốn

2. Lựa chọn on và off sao cho đủ lớn để không ảnh hưởng đến độ phân giải không gian (biểu thức 1.25)

3. / nên được lựa chọn lớn nhất có thể

4. Lựa chọn on và off sao cho giảm thiểu ảnh hưởng bởi các khí nhiễu.

 

39 

 

Bảng 1.3. Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai

loại bỏ ảnh hưởng của SO2 [3]

Cặp bước sóng Tiết diện hấp thụ ozone

Cặp on

(nm)

off

(nm)

on-off

(nm)

(on)

10-23 m2

(on)-(off)

10-23 m2

A 280,9 289,6 8,7 35,4 20,8

B 277,6 284,1 6,5 46,4 20,6

C 280,9 288,3 7,4 35,4 18,3

D 277,6 282,7 5,1 46,4 16,7

E 278,6 282,9 4,3 42,3 12,6

F 284,1 289,6 5,5 25,8 11,2

G 277,6 280,9 3,3 46,4 11,0

H 282,9 286,4 3,5 29,7 8,9

I 286,4 289,6 3,2 20,8 6,2

J 280,9 282,7 1,8 35,4 5,7

K 282,7 284,1 1,4 29,7 3.9

L 286,4 288,3 1,9 20,8 3,7

M 278,6 279,5 0,9 42,3 2,1

1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí quyển

tầng thấp

Đối với lớp khí quyển tầng cao (tầng bình lưu), hầu hết các nhóm nghiên cứu,

trạm quan trắc sử dụng nguồn laser excimer XeCl, phát trực tiếp bước sóng on trong

vùng UV ở 308 nm với công suất rất mạnh 100W [40]. Đối với bước sóng off, một

số kỹ thuật được sử dụng như hệ phát ở bước sóng 353 nm tương ứng với bức xạ

Stokes của hiệu ứng Raman kích thích trong ống chứa đầy khí hydro [41,42,43], bước

sóng 355 nm là họa ba bậc ba của laser Nd:YAG [41,44,45], hay dùng bước sóng

351 nm được phát bởi laser XeF [46,47]. Các hệ DIAL UV này có thể dùng quan

trắc ozone đến độ cao 20 – 30 km vào ban đêm.

Không giống như đối với lớp khí quyển tầng cao, việc khảo sát phân bố ozone

trong lớp khí quyển tầng thấp hay tầng đối lưu được nghiên cứu triển khai với các

 

40 

 

cặp bước sóng trong khoảng từ 266 nm tới 320 nm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai sử

dụng 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].

Hình 1.23 trình bày sơ đồ khối một hệ DIAL được lắp đặt tại Viện nghiên cứu

và phát triển Quang điện tử ở Bucharest (Rumani) [48]. Hệ sử dụng các họa ba bậc

bốn của laser Nd:YAG và các ống Raman H2, D2 để phát các bức xạ laser ở bốn bước

sóng 266, 289, 299 và 316 nm. Do tiết diện hấp thụ khác nhau ở mỗi bước sóng, các

cặp bước sóng on – off đã được sử dụng cho đo đạc ozone ở những độ cao khác nhau.

Đối với lớp thấp của tầng đối lưu (1-3 km), cặp bước sóng 266 và 289 nm đã được

sử dụng, lớp giữa tầng đối lưu (3-6 km) là cặp 289 và 299 nm và cho những độ cao

cao hơn (lên tới 12 km), hệ dùng cặp bước sóng 299 và 316 nm. Hệ LIDAR hấp thụ

vi sai đa cặp bước sóng này cho phép kết hợp tính toán loại trừ ảnh hưởng của son

khí trong phương trình LIDAR. Hệ có khả năng đo đạc phân bố ozone đến độ cao 12

km vào ban đêm và 8 km vào ban ngày.

Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani [50]

Với ưu điểm là có thể điều chỉnh liên tục bước sóng, các laser màu cũng rất

được chú ý trong thiết kế chế tạo làm nguồn phát cho các hệ DIAL đo phân bố ozone

khí quyển. Người ta có thể dùng bức xạ được nhân tần của các laser màu làm bước

sóng off hoặc cả bước sóng on và off trong hệ LIDAR ozone. Hình 1.24 giới thiệu

 

41 

 

một hệ DIAL do Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc Môi trường tiên tiến của Viện

Khoa học và Công nghệ Gwangju (Hàn Quốc) thiết kế chế tạo [53]. Hệ có bước sóng

on là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG 266 nm, bước sóng off ở 299.5 nm là bức

xạ nhân tần của một laser màu (Hình 1.25).

Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju (Hàn Quốc) [53]

Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on và bước

sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm [53]

Hệ DIAL tại Gwangju (Hàn Quốc) có thể đo đạc phân bố nồng độ ozone tới

độ cao 2 km với độ phân giải không gian 50 m và phân giải thời gian 2 phút. Nguồn

 

42 

 

sai số quan trọng nhất trong hệ đo DIAL này là nhiễu cảm ứng tín hiệu (Signal-

Induced-Noise, SIN) do PMT bị chiếu rọi mạnh ở trường gần. Để ngăn chặn bức xạ

mạnh ở những khoảng cách ngắn, người ta có thể dùng cả phần cứng (mạch cổng

điện tử) và phần mềm (hiệu chỉnh đường nền của một tín hiệu LIDAR). Một sai số

khác cũng không thể bỏ qua là do nồng độ son khí và độ dốc của đường phân bố son

khí cao trong lớp khí quyển thấp trong tầng đối lưu. Sai số này cần được bù trừ bằng

cách đưa thêm vào phương trình LIDAR các số hạng hiệu chỉnh [53].

Hình 1.26 trình bày một hệ DIAL với hai bước sóng phát on và off dùng laser

màu ở 285 nm và 291 nm [39]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn giữa bốn sự

xem xét: 1) tối ưu khoảng độ cao xác định phân bố ozone; 2) giảm ảnh hưởng ánh

sáng nền khi hoạt động ban ngày; 3) giảm ảnh hưởng xen vào của son khí; 4) phạm

vi điều chỉnh được bước sóng phát của các laser màu . Sự lựa chọn bước sóng này là

sự lựa chọn linh động và tối ưu cho sự phân bố ozone tại địa phương, sự hấp thụ do

các thành phần khác, độ cao khảo sát phân bố, cấu hình đặc trưng của hệ, bao gồm

cả công suất phát, kích thước gương telescope và đặc trưng của ống nhân quang điện

(PMT) [55]. Mặc dù ở những bước sóng ngắn hơn cho độ nhạy phép đo cao hơn từ

tiết diện hấp thụ vi sai ozone lớn nhưng chúng lại làm giới hạn khoảng đo theo độ

cao do giảm mạnh bởi hấp thụ ozone và sự suy hao do tán xạ (phân tử) Rayleigh, dẫn

đến kéo dài thời gian thu ghi tín hiệu. Thêm vào đó, bước sóng ngắn đòi hỏi đặc

trưng động học của hệ đầu dò rộng hơn và đòi hỏi thêm kênh đo. Với công suất phát

được thiết kế 4 mJ/xung ở bước sóng on 285 nm cho phép đo phân bố ozone tới độ

cao 9 km khi trời trong và 7 km khi có son khí với độ phân giải không gian 750 m,

độ phân giải thời gian 10 phút. Do có bức xạ nền mặt trời khi đo ban ngày, bước

sóng 291 nm được lựa chọn làm bước sóng off. Các bước sóng dài hơn sẽ làm tăng

nhiễu nền bức xạ Mặt trời và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu một cách đáng kể.

 

43 

 

(a)

(b)

Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm [39]

Sai số gây bởi sự có mặt của son khí trong lớp khí quyển bao sát hành tinh và

lớp khí quyển tầng thấp không đơn giản là một hàm của sự phân tách hai bước sóng

on và off, giảm sự phân tách tán xạ ngược vi sai ở hai bước sóng cũng sẽ làm giảm

tiết diện hấp thụ vi sai ozone. Sai số này rất nhạy với thành phần, kích thước và phân

bố theo phương thẳng đứng của son khí tại nơi quan trắc. Dẫu sao thì ảnh hưởng của

 

44 

 

son khí trong đo đạc cũng sẽ thấp hơn khi bước sóng on nằm trên triền dốc nhất của

đồ thị tiết diện hấp thụ của ozone. Do vậy, các tác giả thiết kế hệ đã lựa chọn cặp

bước sóng 285-291 nm là cặp bước sóng tối ưu cân bằng giữa độ cao tối đa có thể

đo, tác động của tán xạ ngược bởi son khí và ảnh hưởng gây bởi nền bức xạ Mặt trời.

Bộ thu của hệ DIAL hoạt động với hai telescope riêng rẽ. Telescope Newtonian

đường kính 40 cm dùng để đo ozone từ 3 đến 8 km và có thể đạt đến 12 km tùy thời

tiết. Telescope có đường kính 10 cm dùng đo trong khoảng 1 đến 5 km.

Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được trình bày ở trên, đo ghi các bức xạ tán xạ

ngược đàn hồi của hai bức xạ on và off từ các thành phần của khí quyển, gọi là các

hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi. Các hệ DIAL này cho phép đo đạc phân bố

ozone đến các khoảng độ cao khác nhau trong tầng đối lưu với độ phân giải từ vài

chục tới vài trăm mét, tùy theo cặp bước sóng được sử dụng, cường độ bức xạ laser

phát và điều kiện thời tiết. Một số các vấn đề gặp phải đối với hệ LIDAR hấp thụ vi

sai tán xạ đàn hồi là nếu dùng cặp bước sóng có một bức xạ mạnh, như bức xạ ở 266

nm của họa ba bậc bốn laser Nd:YAG, để tăng độ cao đo đạc thì sẽ làm tăng nhiễu

cảm ứng tín hiệu gây sai số lớn; nếu dùng bức xạ phát nằm sâu trong miền tử ngoại,

như bức xạ ở 266 nm có tiết diện hấp thụ cao của ozone, thì tuy độ nhạy phát hiện

tăng nhưng lại làm hạn chế độ cao đo đạc; nếu lựa chọn khoảng cách vi sai giữa hai

bước sóng on và off lớn để có độ phân giải không gian tốt hơn thì kết quả đo cần

phải được hiệu chỉnh bằng số liệu son khí được đo từ các phương pháp khác hoặc

phải sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai có nhiều cặp bước sóng.

Ngoài ra, kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai Raman cũng đã được phát triển để

đo phân bố ozone trong khí quyển. Trong các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thông thường,

hai tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on và off là hai tín hiệu đàn hồi được tán xạ

ngược bởi các phân tử và các hạt trong khí quyển. Còn trong các hệ LIDAR hấp thụ

vi sai Raman, chỉ một bước sóng được phát và hệ sử dụng tán xạ Raman của O2 và

N2 trong khí quyển làm bước sóng on và off để đo đạc phân bố ozone.

Phương trình LIDAR trong trường hợp tán xạ Raman sẽ khác với phương

trình LIDAR (1.21) ở những điểm sau:

1) Hệ số tán xạ ngược (R) trong phương trình LIDAR (1.21) được thay bằng

hệ số tán xạ ngược Raman [3]:

 

45 

 

𝛽 𝑅 𝑁 𝑅 (1.30)

Được tính bởi mật độ số phân tử khí cho tán xạ Raman và tiết diện Raman vi

sai theo phương ngược lại 𝑑𝜎 𝜋 /𝑑Ω.

2) Sự suy hao ánh sáng trên đường quay trở lại từ thể tích tán xạ phải được

xem xét ở bước sóng dịch chuyển Raman λR.

Để đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Raman được thiết kế với nguồn phát là họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG ở bước

sóng 266 nm. Các vạch Raman dao động – quay của oxy và nitơ ở 277,5 nm và 283,6

nm là các tín hiệu ở bước sóng on và off tương ứng. Đo nồng độ ozone ở lớp khí

quyển tầng thấp với hệ LIDAR hấp thụ vi sai này đạt tới độ cao 2 km và có thể được

thực hiện đo đạc cả ngày lẫn đêm [56,57]. Thuận lợi của kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi

sai Raman so với kỹ thuật thông thường là thiết bị phát bức xạ laser đơn giản hơn do

chỉ phải phát một bức xạ, số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược vi sai trong phương

trình LIDAR ở bước sóng phát sẽ không có. Việc đo phân bố ozone bằng kỹ thuật

LIDAR hấp thụ vi sai thông thường với các tín hiệu tán xạ đàn hồi trong vùng không

đồng nhất về son khí là rất khó khăn khi xác định số hạng này, nhất là trường hợp

hai bước sóng on và off phân tách nhau xa vì phải sử dụng số liệu son khí được đo

bằng các phương pháp khác đưa vào trong tính toán hoặc phải phát triển hệ LIDAR

hấp thụ vi sai với nhiều cặp bước sóng. Tuy nhiên, sử dụng hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Raman đo ozone cũng có một số điểm không thuận lợi là tín hiệu Raman yếu, chúng

ta phải có nguồn phát laser công suất mạnh trong vùng tử ngoại và bộ thu phải được

bổ sung thêm thiết bị tách phổ dùng cách tử UV có mật độ vạch lớn, hiệu chỉnh chính

xác.

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 trong biểu thức (1.26) 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]:

𝑁 𝑅 𝑁 𝑅 𝛿𝑁 𝑅 𝛿𝑁 𝑅 (1.31)

 

46 

 

𝑁 𝑅 sẽ là mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao

R, không phải là một hàm mật độ liên tục theo độ cao khí quyển. Trong thực tế,

phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai cho phép đo đạc mật độ trung bình của ozone

với độ phân giải không gian từ vài chục đến vài trăm mét [58]. Vì các số liệu đo đạc

LIDAR là không liền nhau nên các số hạng vế phải phương trình (1.34) được viết

như sau [39,58]:

𝑁 𝑅∆ ∆

ln, , ∆

, , ∆ (1.32)

𝛿𝑁 𝑅∆ ∆

ln, , ∆

, , ∆ (1.33)

𝛿𝑁 𝑅∆

𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 (1.34)

NS(R) là số hạng chính trong biểu thức nồng độ ozone (1.31), tính trực tiếp từ

tỷ số cường độ tín hiệu và cũng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ tỷ số tín hiệu trên nhiễu

của các tín hiệu ở bước sóng on và off. Các số hạng 𝛿𝑁 𝑅 và 𝛿𝑁 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. Chúng ta phải chú ý tới các số hạng hiệu chỉnh nhất là

trong những trường hợp khí quyển tầng thấp có gradient lớn của son khí, khí quyển

ô nhiễm, có khói bụi của núi lửa và những thành phần tạo ra do quá trình đốt nhiên

liệu [39].

Trong thời kỳ đầu khi các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển để đo phân

bố nồng độ ozone trong khí quyển, sự khác nhau của tán xạ và tán xạ ngược gây bởi

son khí giữa hai bước sóng on và off coi là không đáng kể và được bỏ qua. Công thức

(1.32) được xem là nghiệm gần đúng của phương trình LIDAR hấp thụ vi sai. Sau

khi nhận thấy nồng độ phân bố ozone được tính gần đúng như vậy có sai số lớn và

nguyên nhân đến từ sự tán xạ vi sai của phân tử và son khí, nhiều công trình đã nghiên

cứu và đóng góp vào sự cải thiện trong phương pháp tính toán nồng độ ozone [55,59-

66].

Số hạng tán xạ ngược vi sai Nb(R) không thể thêm bớt đơn giản như các số

hạng suy hao do sự khác nhau giữa hai hệ số tán xạ ngược ở hai bước sóng on và off.

Sự khác nhau này thường bỏ qua ở nơi tán xạ ngược hoàn toàn do các khí tự nhiên

trong khí quyển, nhưng nó trở nên lớn khi tồn tại gradient son khí. Số hạng suy hao

 

47 

 

vi sai Ne(R) bao gồm suy hao do tán xạ Rayleigh, suy hao do son khí và do sự hấp

thụ của các loại khí khác nhất là bởi SO2 là khí có nguồn gốc từ sự đốt nhiên liệu.

Các suy hao do tán xạ Rayleigh của các phân tử khí quyển thường được hiệu chỉnh

bằng đường phân bố chuẩn từ các số liệu đo đạc khí tượng. Còn đối với sự suy hao

vi sai của son khí, một số đánh giá, ước lượng về đường phân bố son khí được đưa

vào trong tính toán để hiệu chỉnh. Trong thực tiễn, người ta đã thừa nhận các hệ số

suy hao và hệ số tán xạ ngược biến đổi nghịch đảo với bước sóng trong vùng bước

sóng bao gồm cả on và off. Thông thường, hệ số suy hao do son khí được giả sử phụ

thuộc vào số mũ Angstrom [58]:

𝛼 𝑅 ằ ố (1.35)

Vì giữa on và off là nhỏ, nên sự gần đúng giữa hệ số suy hao 𝛼 𝜆 , 𝑅

và 𝛼 𝜆 , 𝑅 có thể được viết là [58]:

𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 1 𝜂 (1.36)

Đối với tán xạ phân tử, số mũ =4, nên [58]:

𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 1 4 (1.37)

Công thức xác định các số hạng hiệu chỉnh 𝛿𝑁 𝑅 và 𝛿𝑁 𝑅 được viết gần

đúng trong môi trường khí quyển không đồng nhất là [58,60,63]:

𝛿𝑁 𝑅∆

,

,

,

, (1.38)

𝛿𝑁 𝑅 𝐴 𝜂𝛼 𝜆 , 𝑅 4𝛼 𝜆 , 𝑅 (1.39)

Trong đó, thừa số A và B(R) là:

Α (1.40)

𝐵 𝜆 , 𝑅,

, (1.41)

𝛿𝑁 𝑅 tỷ lệ nghịch với độ phân giải R. Khi R nhỏ, sai số có thể trở nên

lớn, nhất là ở những nơi có sự thay đổi đột ngột của hệ số tán xạ ngược, ví dụ như

trong đám mây. 𝛿𝑁 𝑅 tỷ lệ thuận với thừa số A. Thừa số này lại tỷ lệ nghịch với

tỷ số là tỷ số xác định độ nhạy của phương pháp vi sai. Chúng ta có thể thấy

 

48 

 

một cách hiển nhiên là nhỏ nếu sự khác nhau giữa on và off là nhỏ, dẫn tới

A lớn và số hạng hiệu chỉnh 𝛿𝑁 𝑅 có thể sẽ rất lớn [58].

Trong không khí ô nhiễm, son khí nổi lên như là một nguồn gốc gây sai số.

Đó là lý do tại sao các hệ LIDAR hấp thụ vi sai thường thêm vào bước sóng thứ ba,

thường gọi là bước sóng quy chiếu, nằm ngoài vùng hấp thụ của ozone, để đo đạc

độc lập son khí. Tuy nhiên, trong trường hợp phát triển hệ LIDAR không quá phức

tạp, chỉ gồm 2 kênh bước sóng on và off, bước sóng off được xem như bước sóng

quy chiếu và phương pháp lặp đã được sử dụng để xác định đồng thời hệ số tán xạ

ngược 𝛽 𝜆 , 𝑅 , hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 và mật độ phân bố ozone

𝑁 𝑅 [39].

Xuất phát từ phương trình LIDAR (1.21) viết cho bước sóng off, biểu thức

mật độ phân bố ozone được viết lại như sau [39]:

𝑁 𝑅 ln,

,

ln, . ⁄

, ,2 𝛼 𝜆 , 𝑅

𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 (1.42)

Suy từ (1.45) chúng ta có hệ số tán xạ ngược của son khí:

𝛽 𝜆 , 𝑅 𝑒𝑥𝑝 ln,

,2𝑁 𝑅 𝜎 Δ𝑅 2 𝛼 𝜆 , 𝑅

𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 ., ,

𝛽 𝜆 , 𝑅 (1.43)

Giả sử tỉ số lidar (tỉ số giữa hệ số suy hao son khí và hệ số tán xạ ngược son

khí), 𝑆 𝛼 𝛽⁄ , là được biết cho tín hiệu bước sóng off , hệ số suy hao son khí

ở bước sóng off có thể viết là [39]:

𝛼 𝜆 , 𝑅 𝛼 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 𝑆𝛽 𝜆 , 𝑅 Δ𝑅 (1.44)

Trong (1.43), hệ số tán xạ ngược và suy hao của các phân tử khí quyển có thể

tính từ số liệu khí tượng, 𝑁 𝑅 tính từ (1.32). Với giả sử một giá trị khởi đầu

𝛽 𝜆 , 𝑅 ở một độ cao tham chiếu, ta tính 𝛽 𝜆 , 𝑅 từ (1.46). Sau đó,

 

49 

 

𝛽 𝜆 , 𝑅 lại được thay thế vào (1.43) để tính giá trị ước lượng lần hai với giá

trị 𝛼 𝜆 , 𝑅 chính xác hơn là [39]:

𝛼 𝜆 , 𝑅 𝑆 𝛽 𝑅 Δ𝑅 𝛽 𝑅 2⁄ (1.45)

Với 𝛽 𝑅 là giá trị ước lượng lần đầu. Với một số lần lặp lại (vòng lặp son

khí), chúng ta nhận được một giá trị 𝛽 𝜆 , 𝑅 không thay đổi một cách có ý

nghĩa khi lặp tiếp vòng sau.

Vòng lặp son khí sẽ dừng lại khi thỏa mãn điều kiện 𝜉 𝜉 . Trong đó,

𝜉 sự khác nhau tương đối của các hệ số tán xạ ngược giữa hai bước lặp liền kề,

được định nghĩa là [39]:

𝜉∑

∑ |𝛽 𝑅 𝛽 𝑅 | (1.46)

Với l biểu diễn thứ tự bước lặp, Rs là độ cao khởi đầu. Cho các bước lặp son

khí, 𝜉 được chọn là 0,01 [39].

Từ các biểu thức (1.32), (1.38) và (1.39) chúng ta sẽ tính được mật độ phân

bố ozone có hiệu chỉnh son khí. Mật độ ozone này lại được thay vào biểu thức (1.43)

để cập nhật lại các hệ số tán xạ ngược son khí và sau đó là mật độ phân bố ozone lại

được cập nhật tiếp. Vòng lặp tiếp tục và chúng ta gọi là vòng lặp ozone. Tương tự

vòng lặp son khí, vòng lặp ozone sẽ dừng lại khi thỏa điều kiện 𝜉 𝜉 , với k là

thứ tự vòng lặp ozone:

𝜉∑

∑ 𝑁 𝑅 𝑁 𝑅 (1.47)

Thông thường, hai vòng lặp ozone là đạt đến 𝜉 0,001. Phương pháp

vòng lặp này cho phép hiệu chỉnh son khí trong tính toán mật độ ozone, giảm sai số

từ 50% xuống 5% [39].

1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai

Độ chính xác của một phép đo LIDAR hấp thụ vi sai 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. Nó phụ thuộc vào độ

tuyến tính của tín hiệu LIDAR.

 

50 

 

Theo thống kê Poisson, sai số thống kê của nồng độ ozone được viết theo biểu

thức [37,39,55]:

𝜀 𝑅 ∑ ,

, , , (1.48)

với λ là λon hoặc λoff ; P(λ,R) là tín hiệu lidar ở bước sóng λ, độ cao R; Nλ là số

xung laser (laser shots) ở bước sóng λ; Pb(λ,R) là bức xạ nền. Trong biểu thức (1.48),

sai số thống kê tỷ lệ nghịch với độ phân giải không gian R, nên nếu R càng nhỏ

thì 𝜀 𝑅 lại trở nên lớn. Sai số thống kê cuối cùng còn phải tính đến sự phụ thuộc

vào các thông số hệ thống thực nghiệm, thời gian thu ghi tín hiệu, phân giải độ cao

thẳng đứng theo mối liên hệ sau [37,39,55]:

𝜀 𝑅 ∝ 𝐴Δ𝑅 𝑃 𝑇 (1.49)

Trong đó a là diện tích telescope; P0 là công suất laser phát; Ta là thời gian thu

ghi. Độ chính xác của phép đo cũng phụ thuộc vào độ chính xác của tiết diện hấp thụ

ozone và sự gần đúng liên quan đến độ đơn sắc của các bức xạ laser. Bảng 1.4 chỉ ra

các nguồn sai số và các sai số chưa tính tới của phép đo sau hiệu chỉnh [55].

Bảng 1.4. Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh [55]

Nguồn sai số Sai số chưa tính đến

Tiết diện hấp thụ ozone

Giá trị tuyệt đối (Bass & Paur) 2%

Ảnh hưởng nhiệt độ <0.5%

Độ rộng vạch laser <0.3%

Suy hao Rayleigh <0.6%

Hấp thụ khác

SO2 – điều kiện bình thường Bỏ qua

SO2 – sau núi lửa phun trào 1%

NO2 <0.3%

Tán xạ ngược và suy hao do son khí

Có núi lửa phun: hiệu chỉnh bằng đo phân bố kích thước 30%

Có núi lửa phun: dùng kênh Raman <5%

Nhiễu nền <5%

 

51 

 

Đối với ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tiết diện hấp thụ ozone và số hạng suy

hao Rayleigh, sự hiệu chỉnh cần phải có đường áp suất – nhiệt độ hàng ngày được

cung cấp bởi các đầu dò radio gắn trên các bóng thám không, so sánh với các số liệu

vệ tinh hay nhiệt độ được đo bởi các hệ LIDAR ở lớp khí quyển tầng cao. Đối với

các sai số liên quan đến ôxít nitơ, một đường trung bình hàng năm thường được sử

dụng để hiệu chỉnh.

Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai được chế tạo có thể tác động tới độ tuyến tính

của tín hiệu lidar và gây sai số cho nồng độ phân bố ozone. Các vấn đề chính trong

kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai là:

Sai số thẳng hàng: để đo đạc ozone chính xác, trục của các tia laser và

telescope thu phải thẳng hàng. Sự sai lệch trong thẳng hàng sẽ tác động tới độ

dốc của tín hiệu và do đó ảnh hưởng tới mật độ ozone thu được.

Nhiễu cảm ứng tín hiệu trong ống nhân quang điện PMT: hiệu ứng này gây

bởi cường độ cao từ ánh sáng tán xạ của bức xạ laser trong vài kilomet đầu.

Nó sẽ sinh ra một sự giảm tín hiệu một cách chậm chạp mà nó sẽ chồng lên

ánh sáng nền [41]. Ảnh hưởng này có thể dễ nhận biết ở khoảng cách cao, nơi

tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp. Để tránh hiệu ứng này, người ta thường sử dụng

những chặn ngắt cơ khí khi thiết kế thực nghiệm vì ngắt điện tử trên mạch

điện hay nhân quang điện thường kém hiệu quả.

Sự bão hòa của hệ thu: ở những độ cao thấp, các hệ đếm photon không thể xử

lý được cường độ mạnh thu bởi các ống nhân quang điện. Đa số các hệ lidar

dùng một vài kênh điện tử cho một bước sóng cho phép duy trì độ tuyến tính

của tín hiệu bằng cách chuyển kênh. Về mặt này, sử dụng các kênh Raman là

rất có lợi vì cường độ thấp của chúng cho phép kiểm tra độ tuyến tính của các

kênh Rayleigh ở những khoảng độ cao thấp.

Kết luận Chương 1

Tóm lại, Chương 1 đã khái quát sơ lược về ozone trong khí quyển, giới thiệu

các phương pháp, kỹ thuật quan trắc phân bố ozone theo độ cao được sử dụng chủ

yếu trong mạng lưới quan trắc ozone hiện nay trên thế giới và đi sâu trình bày kỹ

thuật LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone. Các kết luận chính rút ra từ Chương

1 như sau:

 

52 

 

Không giống như ozone trong tầng bình lưu đóng vai trò hữu ích bởi sự hấp

thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại mặt trời có hại về mặt sinh học, ozone trong

lớp khí quyển tầng thấp tiếp xúc trực tiếp và có tác động tiêu cực tới các dạng

hình thái của sự sống, sức khỏe của con người, mùa màng, thực vật, các công

trình kiến trúc và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính.

Để đo đạc phân bố thẳng đứng của ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, các

kỹ thuật được sử dụng chủ yếu hiện nay là đầu dò điện hóa bay theo bóng

thám không thời tiết, kỹ thuật viễn thám dùng các máy quang phổ đặt trên mặt

đất hoặc vệ tinh và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai hiện đang được chú trọng

nghiên cứu và phát triển.

LIDAR hấp thụ vi sai là kỹ thuật viễn thám quang học chủ động. Hệ LIDAR

hấp thụ vi sai phát vào khí quyển hai xung laser (hoặc nhiều hơn hai) và thu

ghi các bức xạ tán xạ ngược sau quá trình các xung laser bị tán xạ và hấp thụ

bởi các phân tử và son khí trong khí quyển, trong đó có ozone. Để đo phân bố

ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, cặp bước sóng on và off được lựa chọn

nằm trong băng hấp thụ Hartley có bước sóng nhỏ hơn 300 nm để tăng thêm

độ nhạy phát hiện. Từ độ trễ thời gian của tín hiệu thu về, độ cao của vị trí tán

xạ được xác định. Phân bố nồng độ ozone theo độ cao được tính từ phương

trình LIDAR và tỷ số tín hiệu tại hai bước sóng on và off.

Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai có hạn chế là không thể đo đạc phân bố ozone

trong mọi điều kiện thời tiết như dùng đầu dò ozone trên bóng thám không,

không cung cấp bản đồ phân bố ozone toàn cầu (với độ phân giải không gian

thấp, lớn hơn 5 km) như sử dụng các quang phổ kế đặt trên vệ tinh, nhưng kỹ

thuật LIDAR hấp thụ vi sai cho phép đo phân bố ozone với độ phân giải cao

về không gian và có thể đo liên tục theo thời gian cả ngày lẫn đêm.

 

53 

 

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ

VI SAI ĐO PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP

Nội dung Chương 2 sẽ bao gồm 4 phần: thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai, lựa

chọn cặp bước sóng, mô phỏng tín hiệu LIDAR, kết quả mô phỏng và bàn luận. Với

mục tiêu phát triển được một hệ LIDAR hấp thụ vi sai, làm việc trong vùng bước

sóng tử ngoại, đo đạc phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hệ LIDAR hấp

thụ vi sai cần phải được thiết kế thích hợp với độ cao đo đạc, độ phân giải, giảm thiểu

ảnh hưởng lên sai số bởi son khí và các khí can thiệp, giảm nhiễu nền ánh sáng ban

ngày, phù hợp với điều kiện vật tư, thiết bị và các công nghệ nền sẵn có. Các kết quả

mô phỏng sẽ giúp đánh giá mô hình thiết kế và lựa chọn thông số đo đạc.

2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone

2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển được trình bày trong

Hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Hệ bao gồm các cấu phần chính sau:

+ Khối phát tín hiệu quang học (laser bơm, hai laser màu phản hồi phân bố,

bộ phận biến đổi tần số quang phi tuyến, bộ phận chuẩn trực – anten phát quang học):

 

54 

 

phát hai bức xạ laser ở hai bước sóng λon và λoff trong vùng tử ngoại thuộc dải hấp

thụ Hartley của ozone, các bước sóng này có thể điều chỉnh được và chuẩn trực phù

hợp với việc đo đạc phân bố ozone.

+ Khối thu tín hiệu quang học (telescope, bộ phận quang học thu): thiết kế với

linh kiện quang và quang điện làm việc tốt trong vùng tử ngoại, lọc bước sóng nhiễu

+ Phần điện tử, chương trình xử lý tín hiệu và tính toán phân bố ozone: PMT

chuyển đổi quang điện, hệ điện tử nhanh có thể hoạt động trong chế độ đếm đơn

photon, phần mềm xử lý số liệu, tính toán nồng độ ozone và hiệu chỉnh kết quả.

2.1.2 Khối phát quang học

Như trong phần 1.3 Chương 1 đã trình bày, cặp bước sóng dùng trong hệ

LIDAR hấp thụ vi sai đòi hỏi phải là hai bước sóng laser tử ngoại được lựa chọn phù

hợp với bước sóng on phải nằm trong vùng có tiết diện hấp thụ ozone cao, và bước

sóng off nằm trong vùng có tiết diện hấp thụ ozone thấp hơn. Để đo phân bố ozone

trong lớp khí quyển tầng thấp, cặp bước sóng này còn cần phải đáp ứng điều kiện

nằm trong miền phổ có bước sóng từ 266 nm đến 320 nm (băng Hartley).

Các công nghệ có thể tạo ra nguồn bức xạ laser phát mạnh để đo phân bố

ozone trong tầng đối lưu là sử dụng các bức xạ họa ba bậc bốn của laser Nd:YAG

hay bức xạ của laser krypton-fluoride và các bức xạ là các dịch chuyển Raman kích

thích của chúng từ các ống Raman chứa H2, D2, He hoặc CO2 [48-52]. Các hệ LIDAR

hấp thụ vi sai thiết kế như vậy đã có khả năng đo đạc phân bố ozone đến độ cao 12

km vào ban đêm và 8 km vào ban ngày, thậm chí có thể đạt đến độ cao 16 km lúc

trời trong vào mùa đông [52] nhưng việc áp dụng công nghệ này phải có các ống

Raman chứa H2, D2, He hoặc CO2 và chưa khả thi để phát triển trong nước. Hệ

LIDAR hấp thụ vi sai Raman đo phân bố ozone có nhiều thuận lợi như có thể đo đạc

ozone trong vùng không đồng nhất về son khí, hệ thiết bị đơn giản. Tuy nhiên, do tín

hiệu Raman yếu nên độ cao đo đạc thường bị giới hạn [3].

Trên thế giới hiện nay, các laser màu rất được chú ý để sử dụng làm nguồn

phát cho các hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo đạc nồng độ ozone khí quyển sau khi

các bức xạ laser màu được nhân tần để phát ra bức xạ tử ngoại. Sử dụng laser màu

cũng có tính khả thi cao do công nghệ laser màu là một trong những công nghệ nền,

không quá tốn kém và đã được phát triển thành công tại Viện Vật lý. Laser màu

 

55 

 

thường sử dụng làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai là loại laser màu thông

thường có chứa các yếu tố lọc lựa bước sóng trong buồng cộng hưởng. Yêu cầu của

hệ laser màu là buồng cộng hưởng phải có độ phẩm chất tốt để đủ khả năng phát

laser. Ưu điểm của loại laser màu này là có thể điều chỉnh bước sóng và độ đơn sắc

cao.

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 khi so sánh với laser màu có yếu tố lọc lựa phổ trong buồng

cộng hưởng. Laser màu có khoảng tinh chỉnh bước sóng hẹp, chỉ vài nm quanh đỉnh

phát quang của chất màu còn laser màu DFDL có khoảng tinh chỉnh bước sóng lớn

hơn (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. Laser màu thông thường có độ rộng xung cỡ ns, trong khi

DFDL có độ rộng xung cỡ ps nên nếu phát năng lượng như nhau thì mật độ năng

lượng DFDL tăng hơn cỡ gấp 3 bậc. Độ rộng xung ps của DFDL cũng cho hiệu suất

tốt hơn trong việc nhân tần tạo bước sóng UV. Ngoài ra, laser DFDL còn có kết cấu

đơn giản. Chính vì những phân tích ở trên cùng với khả năng làm chủ công nghệ

DFDL và với mong muốn tăng thêm độ cao quan trắc ozone, 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 cho phép thu nhận các tán xạ

ngược đàn hồi của bức xạ laser phát bởi các phân tử và son khí trong khí quyển.

Trong phương trình LIDAR (1.21), diện tích A của bộ thu quang học, hay diện tích

của telescope, tỷ lệ với cường độ tín hiệu LIDAR. Vì vậy, diện tích của telescope

đóng vai trò quan trọng đối với độ nhạy phát hiện của hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Để

tăng hệ số khuếch đại tín hiệu LIDAR, bộ thu quang học của hệ LIDAR hấp thụ vi

sai được thiết kế với telescope đường kính lớn tối thiểu là 40 cm.

Mặt khác, vùng bước sóng làm việc của hệ LIDAR hấp thụ vi sai để đo phân

bố ozone trong khí quyển là vùng tử ngoại. Một trong những khó khăn là các

 

56 

 

telescope có sẵn trên thị trường được sử dụng trong quan sát thiên văn nên có tích

hợp kính Schmidt hiệu chỉnh quang sai và độ truyền qua trong vùng tử ngoại rất thấp.

Do vậy, ngoài việc chế tạo phôi kính quang học đường kính lớn cho telescope của

bộ quang học thu, phôi kính quang học này cần được phủ nhôm để telescope 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 này là phương pháp hiệu quả để có thể thu nhận tín hiệu LIDAR.

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 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 dữ liệu cường độ tín hiệu LIDAR tán xạ ngược ở hai kênh

bước sóng on và off.

Xử lý dữ liệu: lấy trung bình, làm trơn (fitting) số liệu

Tính toán phân bố ozone theo phương thẳng đứng: thực hiện các vòng

lặp son khí và vòng lặp ozone.

Trong các phần mềm trên, phần mềm thu ghi, lưu dữ liệu cường độ tín hiệu

LIDAR viết trên nền Labview đã được phát triển tại Viện Vật lý.

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) (Hình 2.2). Tiết diện hấp thụ ozone

ở bước sóng on là 29,7.10-23 m2 và tiết diện hấp thụ vi sai 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 là 8,9.10-

 

57 

 

23 m2 [3]. Hai bước sóng này là kết quả lựa chọn và xem xét hài hòa giữa nhiều yếu

tố:

Chất màu Rhodamine 6G có hiệu suất huỳnh quang cao so với các chất màu

khác;

Hai bước sóng phát 565,8 nm và 572,8 nm của các laser màu phản hồi phân

bố đều nằm trong vùng phổ huỳnh quang mạnh của Rhodamine 6G để sau khi

nhân tần có thể nhận được cường độ tối ưu nhất của các bước sóng phát tử

ngoại;

Tối ưu khoảng độ cao xác định phân bố ozone. Mặc dù ở những bước sóng

ngắn hơn cho độ nhạy phép đo cao hơn từ tiết diện hấp thụ vi sai ozone lớn

nhưng chúng lại làm giới hạn khoảng đo theo độ cao do giảm mạnh bởi hấp

thụ ozone và sự suy hao do tán xạ (phân tử) Rayleigh, dẫn đến kéo dài thời

gian thu ghi tín hiệu. Thêm vào đó, bước sóng ngắn đòi hỏi hiệu suất lượng

tử của PMT phải mở rộng hơn về phía sóng ngắn và có khi đòi hỏi thêm kênh

đo phù hợp;

Giảm ảnh hưởng ánh sáng nền nhất là khi hoạt động ban ngày. Các bước sóng

dài hơn sẽ làm tăng nhiễu nền bức xạ mặt trời và giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu

một cách đáng kể;

Giảm ảnh hưởng xen vào của son khí. Sai số gây bởi sự có mặt của son khí

trong lớp khí quyển tầng thấp không đơn giản là một hàm của sự phân tách

hai bước sóng on và off, giảm sự phân tách tán xạ ngược vi sai ở hai bước

sóng cũng sẽ làm giảm tiết diện hấp thụ vi sai ozone. Sai số này rất nhạy với

thành phần, kích thước và phân bố theo phương thẳng đứng của son khí tại

nơi quan trắc. Việc lựa chọn hai bước sóng này để ảnh hưởng của son khí

trong đo đạc cũng sẽ thấp hơn khi bước sóng on nằm trên triền dốc nhất của

đồ thị tiết diện hấp thụ của ozone;

Hai bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm là cặp bước sóng H (Bảng 1.2), một

trong 13 cặp bước sóng dùng trong hệ DIAL đo phân bố ozone để có thể tránh

ảnh hưởng lên kết quả đo ozone do sự có mặt nếu có của SO2[3].

 

58 

 

Hình 2.2. Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai

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). Phương trình LIDAR được viết cho 2 bước sóng on và off như sau:

𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝜆 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (2.1)

 

  𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝜆 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟   (2.2)

Trong đó:

P0 tỉ lệ với cường độ laser phát hay số photon phát ở bước sóng

τ là độ dài thời gian của xung laser

𝑐𝜏 : độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi xung laser ở một thời điểm cố định

Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá trình tán xạ

A : diện tích của khối thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược

𝜁 : hiệu suất của hệ lidar

O(R): hàm chồng chập giữa tia laser và trường nhìn của khối thu

R : độ cao của thể tích tán xạ

β(R,λ) : hệ số tán xạ ngược, ở độ cao R và bước sóng

α(R,λ) : hệ số suy hao của ánh sáng ở độ cao R và bước sóng

 

59 

 

Số photon phát được tính từ số đo năng lượng xung của bức xạ laser tử ngoại

tại hai bước sóng on và off. Hiệu suất của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được suy ra từ

hiệu suất truyền qua quang học và hiệu suất quang điện. Hàm chồng chập O(R) được

giả sử bằng 1 trong trường hợp hệ LIDAR được hiệu chỉnh tốt, chùm laser phát nằm

hoàn toàn trong trường nhìn của telescope. Để đơn giản, do hai bước sóng vi sai khá

gần nhau, hiệu suất của hệ được xem là như nhau ở hai bước sóng on và off. Do hệ

LIDAR hấp thụ vi sai làm việc trong vùng tử ngoại từ 240 nm đến 300 nm, nên có

thể bỏ qua sự hấp thụ của phân tử khí và son khí cũng như sự tán xạ bởi ozone [3].

Hệ số tán xạ ngược ở bước sóng on có thể viết là:

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.3)

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.4)

𝛽 𝑅, 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 (2.5)

Tương tự với bước sóng off:

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.6)

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.7)

𝛽 𝑅, 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 𝑁 𝑅 𝜎 𝜆 (2.8)

Trong đó: 𝑁 và 𝑁 là mật độ phân tử khí ni-tơ và oxy, 𝛽 và 𝛽 là hệ số

tán xạ ngược bởi phân tử khí ni-tơ và oxy và 𝜎 𝜆 là tiết diện tán xạ ngược Rayleigh

phân tử cho các khí trong khí quyển. Ở khoảng cách dưới 100km, 𝜎 𝜆 được tính

theo công thức [3, 74] :

𝜎 𝜆 5.45 . 10 𝑚 𝑠𝑟 (2.9)

Hệ số tán xạ ngược gây bởi son khí ở bước sóng off được giả định căn cứ trên

các kết quả đo son khí tại Hà Nội [75]:

𝛽 𝑅, 𝜆 𝛾. 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.10)

với 𝛾 = 3 cho độ cao dưới 5 km và hệ số tán xạ ngược gây bởi son khí ở bước sóng

on được tính theo công thức [3]:

𝛽 𝑅, 𝜆 . 𝛽 𝑅, 𝜆 (2.11)

Hệ số suy hao có thể viết ở bước sóng on và off do tán xạ của phân tử, tán xạ

của son khí và hấp thụ của ozone như sau:

 

60 

 

𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 , 𝑟, 𝜆 (2.12)

𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 , 𝑟, 𝜆 (2.13)

Trong đó:

𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 (2.14)

𝛼 𝑟, 𝜆 𝑆. 𝛽 𝑟, 𝜆 (2.15)

𝛼 , 𝑟, 𝜆 𝑁 𝑟 𝜎 𝜆 (2.16)

với tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần [3]:

𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (2.17)

S là tỷ số LIDAR phụ thuộc các yếu tố như thành phần hóa học, độ ẩm, và

hình dạng của hạt son khí. Giá trị S cho hỗn hợp son khí trải từ 20 sr-1 (đối với các

hạt son khí ở đại dương) tới 100 sr-1 (đối với các hạt son khí ở đô thị). Giá trị S

30 sr-1 cho môi trường đô thị, nằm trong lục địa và có ảnh hưởng bởi ô nhiễm được

sử dụng trong tính toán mô phỏng cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai [63,76]. Tổng hợp

các thông số dùng trong mô phỏng được trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng

Các thông số Giá trị

Năng lượng laser phát ở bước sóng 282,9 nm 1-70 J/xung

Năng lượng laser phát ở bước sóng 286,4 nm 1-70 J/xung

Tần số xung phát 10 Hz

Hiệu suất truyền qua gương định hướng tia laser UV 92 %

Hiệu suất truyền qua lăng kính tách tia laser UV 91 %

Hiệu suất truyền qua gương telescope 60 %

Hiệu suất truyền qua kính lọc UV 82 %

Hiệu suất nhân quang điện (PMT) 70 %

Đường kính telescope 40, 60 cm

Tần số lấy mẫu của dao động ký điện tử 43 Msamples/s

Tỷ số LIDAR [60, 61, 62] 30 sr-1

Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng on 282,9 nm [3] 29,7.10-23 m2

Tiết diện hấp thụ ozone ở bước sóng off 286,4 nm [3] 20,8.10-23 m2

 

61 

 

Trong tính toán mô phỏng, mật độ phân bố ni-tơ, oxy và ozone theo độ cao

khí quyển được lấy từ số liệu đo đạc của Đài khí tượng thủy văn tại Hà Nội [4,81].

Năng lượng xung phát được lựa chọn dựa trên khả năng có thể đạt được khi nhân tần

các bức xạ phát của laser màu phản hồi phân bố [75]. Hiệu suất truyền qua hay phản

xạ căn cứ trên đặc trưng phổ của linh kiện quang và quang điện. Đường kính

telescope 40 cm và 60 cm là đường kính dự kiến của các telescope dự kiến tự nghiên

cứu chế tạo. Chương trình mô phỏng tín hiệu LIDAR tử ngoại được viết trên nền

Matlab.

Do hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động ở chế độ đếm photon, số đếm tín hiệu

sẽ được biểu diễn theo phân bố Poisson nên tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N tính dựa

trên số liệu thực nghiệm và theo công thức [77]:

𝑆/𝑁 (2.18) 

Với: Nph = số đếm photon tín hiệu; Nb = số đếm photon nền; Nd = số đếm

dòng tối của PMT.

Số đếm nhiễu tổng cộng [77]: 𝑛 𝑁 𝑁 𝑁 (2.19)

Số đếm dòng tối Nd được lấy giá trị bằng 100 theo thông số đặc trưng của

PMT R7400U-03 (Hamamatsu) để sử dụng trong tính toán mô phỏng.

2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận

Hình 2. 3 mô phỏng tín hiệu LIDAR ở hai bước sóng on 282,9 nm và bước

sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao với cùng năng lượng

xung phát 30 J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm.

Các đường tín hiệu LIDAR có dạng của đường phân bố mật độ phân tử khí trong khí

quyển. Cường độ các bức xạ tán xạ ngược giảm theo mật độ các thành phần khí tán

xạ trong khí quyển. Tuy nhiên, ở bức xạ bước sóng on tương ứng với tiết diện hấp

thụ cao hơn của ozone, dạng đường tín hiệu LIDAR thể hiện sự suy hao nhiều hơn ở

bước sóng off do sự hấp thụ mạnh hơn bởi các phân tử ozone.

 

62 

 

Hình 2.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm, bước sóng

off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển (N2 và O2) theo độ cao

Cường độ bức xạ laser tử ngoại ở hai bước sóng on và off phụ thuộc nhiều

vào cường độ các laser màu phản hồi phân bố và ảnh hưởng tới độ cao đo đạc phân

bố ozone. Hình 2.4 và Hình 2.5 trình bày mô phỏng cường độ tín hiệu LIDAR ở bước

sóng on 282,9 nm và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N ở bước sóng này thay đổi theo

cường độ bức xạ laser phát. Cường độ bức xạ laser phát thay đổi từ 1 J/xung đến

70 J/xung là phạm vi cường độ phát dự kiến của hệ có thể đạt được. Cường độ bức

xạ laser phát tăng, độ cao phân bố ozone cũng sẽ tăng. Với tỷ số tín hiệu trên nhiễu

S/N = 3 đủ để có thể phân biệt tín hiệu với nhiễu, kết quả mô phỏng theo cường độ

laser phát cho thấy có thể thu nhận tín hiệu LIDAR ở bước sóng on đến độ cao từ 5

km (năng lượng 1 J/xung) đến 10 km (năng lượng 70 J/xung), đỉnh của tầng đối

lưu. Hình 2.6 và 2.7 biểu diễn sự thay đổi cường độ tín hiệu LIDAR và tỷ số tín hiệu

trên nhiễu S/N ở bước sóng on thay đổi theo thời gian đếm photon (5, 10, 20 và 30

phút) với năng lượng xung phát 30J/xung. Tăng thời gian đếm xung sẽ giúp tăng

cường độ tín hiệu LIDAR và nâng cao độ cao đo đạc phân bố ozone. Với năng lượng

xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon có thể lựa chọn là 10 phút, vừa đảm bảo

yêu cầu về độ cao, vừa giảm thiểu ảnh hưởng của động học ozone trong khí quyển .

Tính toán mô phỏng cũng thực hiện tương tự với bước sóng off.

 

63 

 

 

Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường

độ laser phát 

 

Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi cường độ

laser phát 

 

64 

 

 

Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời

gian đếm photon 

 

Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi thời gian

đếm photon 

Trong thực tế, các bức xạ dao động cộng hưởng trong các laser màu phản hồi

phân bố nằm ở các bước sóng có hiệu suất huỳnh quang khác nhau, được khuếch đại

bởi các tầng khuếch đại quang học riêng, nên các bức xạ laser màu phản hồi phân bố

 

65 

 

có cường độ không giống nhau. Trong trường hợp này, dạng tín hiệu LIDAR được

mô phỏng như trình bày trong Hình 2.8 và 2.9 cho hai trường hợp đặc trưng: cường

độ bức xạ ở bước sóng on lớn hơn và nhỏ hơn ở bước sóng off.

Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung 

Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng

xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung 

 

66 

 

Hình 2.10 mô phỏng tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng

lượng xung phát 30J/xung, thời gian đếm photon 10 phút, thay đổi theo đường kính

của telescope 40 cm và 60 cm. Nếu hệ LIDAR hấp thụ vi sai có telescope đường kính

60 cm được sử dụng, độ khuếch đại của bộ thu sẽ tăng và cường độ tín hiệu LIDAR

tăng thêm 2,5 lần so với hệ dùng telescope đường kính 40 cm, dẫn đến tăng thêm độ

cao đo đạc và khả năng có thể giảm thời gian đếm photon.

Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm

được mô phỏng trong 2 trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm

 

67 

 

Kết luận Chương 2

Chương 2 đã trình bày những sự lựa chọn trong thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi

sai và mô phỏng tín hiệu LIDAR tán xạ ngược để tính toán phân bố nồng độ ozone

trong khí quyển. Các kết luận chính rút ra từ Chương 2 như sau:

Hai bức xạ tử ngoại của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được nhân tần từ hai nguồn

phát laser màu phản hồi phân bố.

Cặp bước sóng on và off được lựa chọn là 282,9 nm và 286,4 nm.

Với thiết kế dự kiến, năng lượng phát 1 J/xung – 70 J/xung, thời gian đếm

photon 10 phút, đường kính telescope 40 cm, kết quả mô phỏng cường độ tín

hiệu LIDAR cho thấy hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc ozone đến độ

cao trên 5 km.

 

68 

 

CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ

ĐO ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP

Nội dung Chương 3 tập trung trình bày việc nghiên cứu phát triển các bộ phận

cấu thành hệ LIDAR hấp thụ vi sai, hoạt động trong vùng tử ngoại, để đo đạc phân

bố ozone khí quyển theo phương thẳng đứng. Chương 3 sẽ bao gồm các phần sau:

Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone

Xây dựng khối phát quang học dùng laser màu phản hồi phân bố

Chế tạo telescope hoạt động trong vùng tử ngoại cho bộ thu quang học

của hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Phát triển hệ điện tử và phần mềm thu ghi tín hiệu LIDAR

Đo đạc đánh giá đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai

3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone

Với các lựa chọn như đã trình bày trong Chương 2, hệ LIDAR hấp thụ vi sai

được phát triển theo sơ đồ nguyên lý trình bày trong Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý này

được phát triển theo sơ đồ khối ở Hình 2.1. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm 2 phần

chính: khối phát và khối thu.

Trong khối phát, họa ba bậc hai của laser Nd:YAG ở bước sóng 532 nm, tần

số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, là nguồn bơm cho hai hệ laser màu phản hồi phân bố

(DFDL). Bức xạ phát của hai laser DFDL được nhân tần bằng các tinh thể phi tuyến

BBO, cho phép phát vào khí quyển hai bước sóng λon = 282,9 nm và λoff = 286,4 nm

trong vùng tử ngoại thuộc dải hấp thụ Hartley của ozone. Khối phát có các cặp gương

phản xạ tốt trong vùng tử ngoại để định hướng chùm phát vào trường nhìn của

telescope. Giữa tinh thể BBO và cặp gương định hướng chùm phát có thể bố trí thêm

lăng kính thạch anh hoặc kính lọc tử ngoại để tách bức xạ laser tử ngoại với bức xạ

của các laser màu phản hồi phân bố. Sự phân tách 2 bức xạ laser này cần thiết khi

chỉnh góc tinh thể BBO, đo đạc bức xạ laser tử ngoại và cân chỉnh chùm laser phát

định hướng vào trường nhìn của telescope. Khối phát quang học có tích hợp mạch

trigger, là mạch điện sử dụng photodiode S1226-18BU (Hamamatsu, Nhật), trích

xuất tín hiệu xung phát, đưa về khối điện tử thu để đồng bộ xung phát với việc đếm

photon tán xạ ngược.

 

69 

 

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ LIDAR hấp thụ vi đo phân bố ozone khí quyển tầng

thấp dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố.

Khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai bao gồm một telescope thu nhận các

photon LIDAR tán xạ ngược, hệ quang học thu giúp lọc lựa các bước sóng tử ngoại

(thấu kính L1, L2 và kính lọc F), nhân quang điện (Photomultiplier Tube - PMT), bộ

tiền khuếch đại (Amp), dao động ký điện tử số nhanh (Picoscope 5204) và máy tính

để thu ghi, xử lý số liệu, tính toán phân bố nồng độ ozone.

3.2 Xây dựng 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. Hệ laser

màu phản hồi phân bố DFDL bao gồm các phần: dao động phát laser màu phản hồi

phân bố, tiền khuếch đại 6 lần truyền qua, khuếch đại công suất ngõ ra và hệ bơm

quang học cho các môi trường hoạt tính. Các thông số đặc trưng của các linh kiện

quang sử dụng trong hệ DFDL được trình bày trong Bảng 3.1.

 

70 

 

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố

Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL

Cấu hình laser màu phản hồi phân bố

Tên linh kiện quang

Đặc trưng kỹ thuật

Dao động phát laser màu phản hồi phân bố

L1 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=25cm

CM Gương tam giác 12x12 (mm x mm)

m1, m2 Gương 9x9 (mm x mm)

P1 Lăng kính thạch anh cạnh 2 cm, AR cạnh vuông

C1 Cuvette thạch anh 1cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao)

L4 Thấu kính lồi 0,5”, f=2,5cm

M5 Gương 400-700 nm

Khuếch đại 6 lần truyền qua

M6 Gương 400-700 nm

L2 Thấu kính lồi 1”, f=10cm

m3 – m14 Gương 9x9 (mm x mm)

C2 Cuvette thạch anh dày 1mm

 

71 

 

Khuếch đại công suất L3 Thấu kính trụ H=20mm, L=22mm, f=20cm

C3 Cuvette thạch anh 2cm x 1cm x 5cm (rộng x dày x cao)

Hệ quang học bơm các chất màu

M1-M4, M7 Gương 1”, 532 nm

Rm1, Rm2 Bản chia chùm 532 nm T:R = 80:20

P2, P3 Lăng kính phản xạ toàn phần cạnh 2 cm, AR (phủ chống phản xạ) cạnh huyền

3.2.1 Bộ dao động phát

Trong bộ phận dao động phát của DFDL (Hình 3.3), 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.

Góc chùm bơm 𝜑 (Hình 3.3) tới bề mặt môi trường hoạt chất tính theo biểu thức [55,

56]:

𝜑 45 𝑎𝑟𝑐 sin (3.1)

trong đó, α là góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1, nP là chiết suất của vật liệu

lăng kính.

Hình 3.3 .Sơ đồ bộ dao động phát của laser màu phản hồi phân bố

 

72 

 

Hệ vân giao thoa được hình thành bởi 2 chùm sáng kết hợp sẽ tạo ra sự biến

đổi tuần hoàn về độ khuếch đại và chiết suất tức thời trong môi trường hoạt chất.

Vùng hoạt chất có vân sáng của mẫu giao thoa sẽ có hệ số khuếch đại cao, vùng có

vân tối sẽ không khuếch đại. Hoạt chất được kích thích sẽ phát bức xạ dải rộng nhưng

chỉ có bức xạ kích thích thỏa mãn điều kiện Bragg được khuếch đại.

Mặt khác, với cấu trúc bộ phận dao động trên, khoảng cách giữa các gương

bán xạ hình thành do các vân sáng giao thoa sẽ có kích thước từ một đến vài lần bước

sóng. Trong môi trường hoạt chất đã hình thành những buồng cộng hưởng cực nhỏ

(microcavity) tương ứng với các bức xạ thỏa mãn điều kiện Bragg. Với buồng cộng

hưởng này, bước sóng phát của laser màu phản hồi phân bố với chùm tia tới bề mặt

môi trường hoạt chất θ được tính theo biểu thức [74,78]:

𝜆.

(3.2)

trong đó λL là bước sóng laser, n chiết suất môi trường hoạt chất, λP bước sóng laser

bơm, m bậc nhiễu xạ Bragg. Qua biểu thức trên, có thể thấy bước sóng DFDL có thể

điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi góc tới của chùm laser bơm 𝜑. Do vậy, việc

chỉnh bước sóng laser màu phản hồi phân bố sẽ được thực hiện bằng cách tịnh tiến

vị trí C1 và xoay 2 gương m1, m2.

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 (Hình 3.2). Các gương trong hệ dùng để định hướng chùm laser bơm

đến các cuvette chứa chất màu của bộ dao động và bộ khuếch đại. Năng lượng xung

bơm đã được tính toán [67,75] và được phân chia bởi các bản chia chùm Rm1, Rm2

để đảm bảo bơm trên ngưỡng dao động laser, ổn định phổ phát laser, tương ứng với

độ rộng xung bơm, chiều dài hoạt chất, nồng độ của Rhodamine 6G hòa tan trong

ethanol trong các cuvette của bộ dao động và các bộ khuếch đại.

Các lăng kính P2 và P3 được thêm vào trong hệ quang học bơm để kéo dài

quãng đường của xung laser bơm đến tầng khuếch đại công suất. Quang trình từ Rm1

qua P2, P3 đến C3 bằng quang trình từ Rm1 qua C1, C2 đến C3 để đảm bảo hiệu

suất khuếch đại khi xung laser màu đi qua cuvette C3.

 

73 

 

3.2.3 Bộ khuếch đại quang

Hệ khuếch đại 6 lần truyền qua bao gồm thấu kính L2, các gương từ m3 đến

m14 và cuvette C2 dày 1 mm (Hình 3.3). Hệ khuếch đại này cho xung laser đi qua

nhiều lần cùng một thể tích khuếch đại. Khoảng thời gian giữa các lần đi qua bằng

cỡ thời gian hồi phục khuếch đại của môi trường. Môi trường khuếch đại được bơm

dọc, cho phép đạt sự chồng chập tốt về không gian giữa chùm tín hiệu bơm và vùng

bơm và làm tăng hiệu suất khuếch đại, giảm thăng giáng năng lượng và giảm phát xạ

tự phát được khuếch đại (Amplified Spontaneous Emission – ASE) [78].

Tầng khuếch đại công suất ngõ ra được thiết kế với thấu kính trụ L3 và cuvette

C3. Chất màu trong tầng khuếch đại này được bơm ngang. Thấu kính trụ L3 được bố

trí để có thể tạo mật độ cao và tạo phân bố đều của chùm laser bơm lên môi trường

hoạt chất.

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. Để có các bức xạ laser tử ngoại

phù hợp yêu cầu làm bước sóng phát cho một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố

ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, hai bước sóng phát của laser màu được hiệu

chỉnh ở 565,8 nm và 572,8 nm. Hai bước sóng này nằm trong vùng hiệu suất huỳnh

quang cao của chất màu Rhodamine 6G.

Dựa trên các kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất màu lên phổ laser

[67,75], nồng độ của môi trường hoạt chất được sử dụng trong bộ dao động của hệ

DFDL là 10-3 mol/lít. Nồng độ chất màu trong bộ khuếch đại 6 lần truyền qua và

khuếch đại công suất là 10-4 mol/lít phù hợp với lựa chọn năng lượng bơm để hệ

khuếch đại hoạt động ở chế độ bão hòa.

3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu

Môi trường hoạt chất của laser màu DFDL được sử dụng trong nghiên cứu là

dung dịch phân tử màu hữu cơ do đó rất dễ bị suy giảm nồng độ do hiện tượng tẩy

màu bởi nhiệt độ. Nhằm mục đích nâng cao độ ổn định nồng độ dung dịch, một hệ

bơm luân chuyển chất màu được sử dụng trong hệ laser.

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. Ưu điểm

 

74 

 

của bơm lưu thông mới này là tránh phải dùng các gioăng cao su, nhanh lão hóa trong

môi trường có ethanol, hoạt động ổn định và dễ kiểm soát. Các bơm lưu thông chất

màu hoạt chất đã được thực hiện 6 cái cho 2 hệ laser màu phản hồi phân bố. Hình

3.4 là hình các bơm lưu thông đã hoàn chỉnh và bơm chất màu qua các cuvette kích

thước khác nhau.

Hệ thống bơm luân chuyển chất màu cho thấy nồng độ chất màu trong dung

dịch và cường độ bức xạ laser hầu như không thay đổi trong suốt quá trình thí nghiệm

đo LIDAR hấp thụ vi sai.

a) bơm luân chuyển cho cuvette 1 cm

b) bơm luân chuyển cho cuvette dày 1 mm

c) bơm luân chuyển cho cuvette 2 cm

Hình 3.4. Các bơm luân chuyển chất màu

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 (Bảng 3.1), chỉ khác

nhau ở góc tới của các tia laser bơm 532 nm đến cuvette C1. Hệ 2 laser màu phản

hồi phân bố này được bơm bằng 1 laser Nd:YAG, chùm bơm đến 2 hệ được chia bởi

một bản chia chùm Rm3 T:R=50:50 (Hình 3.5). Hai lăng kính P4 và P5 dùng để tách

chùm laser phản hồi phân bố với các bức xạ tử ngoại được nhân tần bởi hai tinh thể

phi tuyến BBO. Các gương nhôm M9-M12 dùng để định hướng các bức xạ laser tử

ngoại ở hai bước sóng λon và λoff định hướng vào trường nhìn của telescope trong bộ

thu tín hiệu LIDAR.

 

75 

 

Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL

Hình 3.6 là ảnh khối phát bao gồm laser bơm Nd:YAG (Quantel Brilliant) và

hai hệ laser màu phản hồi phân bố với môi trường hoạt tính sử dụng Rhodamine 6G

hòa tan trong dung môi ethanol. Các bức xạ laser màu phản hồi phân bố và các bức

xạ tử ngoại của khối phát đã được đo đạc, khảo sát về cường độ và các đặc trưng phổ.

Hình 3.6. Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL

Các đỉnh bức xạ laser màu phản hồi phân bố và bức xạ phát tử ngoại (Hình 3.7

và 3.8) được ghi lại bằng thiết bị quang phổ CCS200 (hãng Thorlabs) sau khi đã

chuẩn lại thang bước sóng bằng các đỉnh phổ của đèn hơi natri (Na). Các vết laser tử

 

76 

 

ngoại phát quang trên giấy được chụp lại trong Hình 3.9 cho thấy phân bố không

gian của chùm bức xạ laser. Độ phân kỳ được đánh giá khoảng 2 mrad phù hợp cho

hệ đo LIDAR.

Hình 3.7. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm

Hình 3.8. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ off 286,4 nm

 

77 

 

a) b) ~

Hình 3.9. Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m

a) Bước sóng on 282,9 nm ; b) Bước sóng off 286,4 nm

Các laser màu DFDL này có độ rộng vạch phổ bức xạ được xác định là 142

pm bởi một giao thoa kế Fabry-Perot (độ nét F=35) cùng với một laser He-Ne (độ

rộng vạch phổ 0,002 nm); độ rộng xung laser 202 ps được xác định bằng phép đo

tự tương quan (autocorrelation method) [75,78,79]. Với độ rộng phổ bức xạ hẹp và

đặc trưng thời gian xung cỡ ps này, các laser DFDL có mật độ năng lượng và hiệu

suất nhân tần cao, phù hợp yêu cầu làm nguồn phát cho một hệ DIAL tử ngoại.

Độ ổn định của bước sóng ra phụ thuộc vào góc chùm laser bơm ở bước sóng

532 nm tới cuvette C1 và chiết suất môi trường hoạt chất là chất màu. Góc tới của

chùm bơm được chỉnh và luôn cố định. Nếu chiết suất môi trường hoạt chất thay đổi

thì khoảng cách giữa các vân giao thoa giữa 2 chùm bơm sẽ thay đổi làm thay đổi

bước sóng phát nên trong các laser DFDL, nhiệt độ của chất màu được kiểm soát

bằng sử dụng chất màu luân chuyển để nhiệt độ chất màu không thay đổi và ổn định

bước sóng laser.

Máy đo OPHIR Nova II (Hãng Newport) được sử dụng để đo đạc công suất

của hai nguồn laser phát. Với nguồn bơm là họa ba bậc hai của laser Nd:YAG, phát

ở bước sóng 532 nm, tần số 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, năng lượng phát ~24mJ/xung

cho mỗi hệ DFDL, năng lượng bức xạ các laser màu DFDL và các bức xạ tử ngoại

ngõ ra được đo đạc và trình bày trong Bảng 3.2. So với kết quả mô phỏng, năng

lượng xung phát đạt được cho phép hệ LIDAR hấp thụ vi sai có thể đo đạc phân bố

ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.

 

78 

 

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

Một mạch điện tử đơn giản, sử dụng Photodiode nhanh loại Si photodiode

S1226-18BU (Hãng Hamamatsu - Nhật), có dải bước sóng làm việc từ UV đến hồng

ngoại gần (190 nm – 1000 nm), để khảo sát sự thăng giáng cường độ và độ suy giảm

cường độ của các bức xạ UV phát. Các xung laser UV được quan sát thông qua dao

động ký điện tử nhanh Picoscope 5204 và được ghi nhận lại theo thời gian bởi một

phần mềm viết trên nền Labview (Hình 3.10 và Hình 3.11).

Kết quả tính toán công suất các xung laser UV cho thấy bức xạ phát ở bước

sóng 282,9 nm và ở 286,4 nm có độ thăng giáng cường độ theo thời gian tương ứng

là 0,8% và 1,2%, độ suy giảm cường độ theo thời gian tương ứng là 2% và 4,2%

trong 20 phút. Sự thăng giáng và độ suy giảm cường độ của các bức xạ UV phát này

không ảnh hưởng tới việc tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao do các tín

hiệu LIDAR đo đạc không liên tục nên chúng sẽ được khử khi lấy tỷ số hai tín hiệu

vi sai.

Hình 3.10. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 282,9 nm.

 

79 

 

Hình 3.11. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm.

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. Sơ đồ nguyên lý thiết

kế được trình bày trong Hình 3.12.

Hệ telescope có khung làm bằng sắt, có 4 bánh xe để tiện di chuyển và 4 ốc

cố định có thể điều chỉnh cân bằng cho cả hệ (Hình 3.13). Dưới gương cầu có 3 ốc

tinh chỉnh để chỉnh trục gương cầu (Hình 3.14). Gương phẳng được treo trên giá của

hệ, được gắn với một vòng tinh chỉnh theo phương thằng đứng (palme) và 2 núm

chỉnh 2 chiều (Hình 3.15). Giá đỡ hệ quang học thu gồm các thấu kính và phin lọc

tử ngoại sẽ được lắp trên 2 ray dọc khung đứng của telescope. 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

Nhằm mục đích tăng độ nhạy phát hiện tín hiệu LIDAR và thu được tín hiệu

nằm trong miền tử ngoại, luận án đã thực hiện tự chế tạo gương cầu quang học và

phủ nhôm bề mặt gương. Sơ đồ hệ mài phôi kính quang học tự động được vẽ theo

mặt cắt ngang (Hình 3.16) và mặt cắt đứng (Hình 3.17). Hệ mài tự động phôi kính

quang học được thiết kế để có thể mài gương cầu có đường kính từ 20 cm tới tối đa

80 cm. Tùy theo phôi kính được mài, đường kính đĩa mài được thay đổi phù hợp và

bằng 70% đường kính của phôi kính quang học. Tốc độ mài có thể điều chỉnh sử

 

80 

 

dụng bộ biến tần cho động cơ 3 pha. Gương cầu quang học cho telescope dùng trong

hệ LIDAR hấp thụ vi sai được chế tạo từ phôi kính quang học đường kính 40 cm,

dày 19 mm. Phôi kính quang học được mài cầu theo trình tự: mài thô – mài tinh –

đánh bóng [80]. Hình 3.18 cho thấy một công đoạn mài bằng hệ mài tự động.

 

Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hệ Telescope đường kính 40 cm.

Hình 3.13. Hệ telescope đường kính 40 cm. 

Hình 3.14. Gương cầu và giá đỡ tinh chỉnh

Hình 3.15. Gương phẳng và giá treo

 

81 

 

Hình 3.16. Mặt cắt ngang hệ mài phôi kính tự động. 1- bàn mài có thành che xung

quanh, kích thước 1m x 1m; 2- mâm xoay, đường kính 80 cm; 3- đĩa mài; 4- giá giữ

phôi kính; 5- lỗ thoát chất lỏng bột mài dư; 6- phôi kính; 7- cánh tay đòn bù (thay

đổi từ 50 đến 90 cm); 8- cánh tay lái (60 cm); 9- con quay lái (dài 20 cm); 10- mô tơ

3 pha

Hình 3.17. Mặt cắt đứng hệ mài phôi kính tự động. 1- đĩa mài; 2-phôi kính; 3- mâm

xoay, đường kính 80 cm; 4- lỗ thoát chất lỏng bột mài dư; 5-chậu hứng chất lỏng bột

mài dư; 6- mô tơ 3 pha; 7- bàn mài có thành che xung quanh; 8- mô tơ 3 pha; 9- cánh

tay đòn bù; 10- các vòng bi

 

82 

 

Hình 3.18. Mài gương cầu cho hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại [80]

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. Gương quang học được mạ nhôm và phủ lớp bảo vệ trong buồng chân không

tại Viện Ứng dụng Công nghệ (Bộ KHCN) (Hình 3.19).

Hình 3.19. Gương cầu đường kính 40 cm mạ nhôm trong hệ telescope

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 (xem Hình 3.1). Telescope đường kính 40

cm, có bề mặt gương cầu phủ nhôm, được tự nghiên cứu chế tạo để có thể thu nhận

được tín hiệu LIDAR trong vùng tử ngoại và khuếch đại tốt hơn tín hiệu tán xạ ngược.

Do hai bước sóng λon và λoff khá gần nhau trong vùng tử ngoại và không tìm phin

 

83 

 

lọc phù hợp riêng cho 2 bước sóng nên hệ LIDAR hấp thụ vi sai này sử dụng một

phin lọc phin lọc F có ký hiệu FF01-292/27-25 của hãng Semrock (Mỹ) với tâm dải

truyền qua ở bước sóng 292 nm, băng thông rộng 27 nm, hiệu suất truyền qua ở hai

bước sóng này khoảng 80% (Hình 3.20). Các thấu kính L1 và L2 là loại thạch anh

sử dụng trong vùng UV. Hệ quang học bộ thu gồm L1, F và L2 được thiết kế tích

hợp trong ống quang học của hãng Thorlabs.

Hình 3.20. Đặc trưng phổ truyền qua của phin lọc FF01-292/27 (Shemrock)

Hình 3.21. Khối thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai gồm telescope, PMT, bộ

khuếch đại tín hiệu, dao động ký số Picoscope và máy tính.

 

84 

 

Khối thu được sắp đặt như trong Hình 3.21. Khi đo đạc, telescope được bọc

bằng vải đen và dày để tránh bức xạ trường gần và khối thu đặt trong vòm quan trắc.

Bên cạnh telescope có lắp đặt 3 gương định hướng cho 3 bước sóng laser phát là

282,9 nm, 286,4 nm và 532 nm. Các gương này lắp trên các giá tinh chỉnh giúp tối

ưu hệ số chồng chập giữa chùm laser phát và thị trường của telescope. Bức xạ 532

nm được thêm vào trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai để hỗ trợ định hướng phát các

bước sóng laser tử ngoại.

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. Đầu

thu nhân quang điện (PMT) là loại R7400U-03 (Hamamatsu, Nhật Bản), có đáp ứng

xung đơn photon độ rộng vào khoảng 1,5 nano giây với thời gian đáp ứng (risetime)

khoảng 0,75 nano giây, dải phổ từ 180 nm – 650 nm, độ nhạy cực đại tại bước sóng

420 nm, điện áp cực đại 1000V.

Hình 3.22. Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon

Mạch khuếch đại băng rộng thiết kế cho hệ đếm trực tiếp các xung điện đơn

photon từ các PMT trong hệ DIAL là một mạch khuếch đại xung vừa có đáp ứng

nhanh (băng thông trên 300 MHz) vừa có hệ số khuếch đại cao, đồng thời có thể giãn

xung đơn photon thành các xung có độ rộng lớn hơn, cỡ 10 nano giây. Các xung này

có thể được đo trực tiếp trên các dao động ký có giá thành phù hợp và tốc độ lấy mẫu

trung bình cao tới 100 MSample/giây.

Mạch khuếch đại thuật toán được lựa chọn với loại OpAmp phản hồi dòng

(current feedback) THS 3201 của hãng Texas Instrument. Linh kiện này có đặc trưng

kỹ thuật phù hợp với yêu cầu của hệ đếm photon của hệ thu LIDAR hấp thụ vi sai:

Dải tần hoạt động rất rộng với tich số băng thông – hệ số khuếch đại tới 1,8

GHz.

PMT Bộ khuếch đại 

băng rộng 

Máy  tính:  chương  trình  đếm 

photon trên Labview 

Dao  động  ký  số 

tín hiệu nhanh  

 

85 

 

Điện áp nuôi từ ±3,5 tới ±7,5V.

Độ ồn ngõ vào thấp, tốc độ sampling cao, dòng ngõ ra đạt tới 100 mA

Độ làm méo dạng tín hiệu rất thấp

Hình 3.23. Mạch khuếch đại băng rộng

Sơ đồ mạch được thiết kế cho khuếch đại thuật toán THS 3201 hoạt động

trong chế độ non-inverting được trình bày trong Hình 3.23. Sơ đồ nguyên lý và mạch

in được thực hiện bằng phần mềm OrCAD.

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 (hãng National Instruments) 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 cho phép:

Khởi tạo các thông số đo: chọn kênh đo, tốc độ lấy mẫu, chọn kênh trigger,

mức trigger, chế độ đo, thời gian đo, số xung laser cần lấy trung bình

Đếm photon, truyền số liệu tới máy tính

Hiển thị số liệu đo, số file số liệu

Chọn đường dẫn, ghi số liệu vào file

Giao diện được thiết kế dễ sử dụng và được trình bày trong Hình 3.24.

 

86 

 

Hình 3.24. Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL hoạt động

trong vùng bước sóng tử ngoại

Phần mềm xử lý tín hiệu được xây dựng trên nền Matlab để:

Làm trơn kết quả đo nhằm làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu

Xác định cường độ tín hiệu lidar tại khoảng cách xa (~20 km) để 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 lidar 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

Sự bố trí, sắp xếp hệ LIDAR hấp thụ vi sai gồm bộ phát và bộ thu được minh

họa trong Hình 3.25 theo sơ đồ khối được trình bày trong Hình 3.26. Để 2 hệ laser

màu phản hồi phân bố phát bức xạ laser ở 565,8 nm và 572,8 nm, góc tới của chùm

bức xạ bơm φ ở bước sóng 532 nm đến cuvette C1 được tính theo công thức (3.2) và

cố định ở 61,2o và 52,1o. Telescope của bộ thu và các gương định hướng chùm bức

xạ on và off vào trường nhìn của telescope đặt dưới vòm quan trắc. Bảng 3.3 trình

bày các thông số đặc trưng kỹ thuật của hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong

vùng tử ngoại.

 

87 

 

Hình 3.25. Bố trí hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Hình 3.26. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone

 

88 

 

Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng của hệ LIDAR hấp thụ vi sai

Thông số đặc trưng

Khối phát

Laser bơm Nd:YAG, 532 nm, xung 10 Hz, độ rộng xung 5 ns, 48 mJ/xung

Chất màu Rhodamine 6G – dung môi ethanol

Góc φ (tới C1) 61,2o 52,1o

Bức xạ laser màu 565,8 nm, ~1,7 mJ/xung 572,8 nm, ~2,4 mJ/xung

Bức xạ laser phát 282,9 nm, ~ 30J/xung, độ

phân kỳ < 2 mrad

286,4 nm, ~ 60J/xung, độ phân

kỳ < 2 mrad

Khối thu

Telescope Newtonian, mạ nhôm, đường kính 400 mm, tiêu cự 1800 mm, độ

mở f/4,5

Phin lọc băng hẹp FF01-292/27-25 (Semrock -Mỹ), bước sóng trung tâm 292 nm với

FWHM 27 nm. Hệ số truyền qua >81% ở 282,9 nm và 286,4 nm

Detector R4700U-03 (Hamamatsu). Dải phổ 185-650 nm. Độ nhạy cực đại

tại 420 nm. Điện áp 1000V.

Xử lý tín hiệu Picoscope 4205 (Picotech), ADC 12 bit, 2 kênh ngõ vào tín hiệu,

băng thông 200 MHz, tốc độ lấy mẫu 1GSample/sec, kết nối máy

tính USB

Với bố trí hệ như vậy, các bước cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai được tiến

hành sao cho có thể ghi nhận tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi ở độ cao cao nhất có thể:

Cân chỉnh để hai bước sóng phát tử ngoại đạt công suất lớn nhất bao gồm: cân

chỉnh hệ khuếch đại 6 lần truyền qua cuvette C2 và khuếch đại công suất

quang qua cuvette C3. Năng lượng phát đạt ở bước sóng on 282,9 nm đạt ~

30 µJ/xung và ở bước sóng off 286,4 nm đạt ~ 60 µJ/xung. Năng lượng ở bước

 

89 

 

sóng off đạt được cao hơn ở bước sóng on do bức xạ ở bước sóng off nằm gần

đỉnh phát quang của chất màu Rhodamine 6G.

Chỉnh quang trục telescope và hệ quang học thu dùng một laser bán dẫn phát

dọc theo quang trục hệ quang học thu, sau khi phản xạ bởi gương cầu đường

kính 40 cm của hệ telescope thì chùm tia phát quay trở lại và trùng khớp với

quang trục hệ quang học thu này.

Điều chỉnh bức xạ phát vào trường nhìn của telescope. Do các bức xạ tử ngoại

không nhìn thấy bằng mắt thường nên phải cân chỉnh tín hiệu LIDAR ở bước

sóng 532 nm trước và dựa vào hướng của bức xạ 532 nm để chỉnh hướng của

hai bức xa vào trường nhìn của telescope.

Sử dụng dao động ký điện tử nhanh Picoscope để thu ghi tín hiệu LIDAR và

tinh chỉnh các gương định hướng phát bức xạ laser để có thể thu được tín hiệu

LIDAR ở hai bước sóng on và off ở trường xa nhất. Với telescope đường kính

400 mm, tiêu cự 1800 m của bộ thu, trường nhìn của telescope lớn hơn trên

10 lần độ phân kỳ của các bức xạ laser phát. Do vậy, khi hiệu chỉnh để thu tín

hiệu LIDAR xa nhất sẽ tương ứng với chùm phát chồng chập hoàn toàn với

trường nhìn của telescope.

Hiệu chỉnh khuếch đại khối module điện tử thu. Khi tiến hành đo đạc tín hiệu

LIDAR, nhiễu dòng tối ~200xung/s sẽ được bù trừ trong xử lý tính toán bằng

phần mềm, nhiễu nền của dao động ký điện tử nhanh Picoscope ~ 1mV

không ảnh hưởng đến kết quả đếm photon.

Sau khi cân chỉnh, hệ LIDAR hấp thụ vi sai đã được sử dụng để đo đạc thử

nghiệm với thời gian đếm 10 phút ở mỗi bước sóng dựa trên kết quả mô phỏng. Các

tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sẽ được thu ghi trong 6 tập tin (files), mỗi tập

tin có 1000 Wf (Waveform) tương ứng với thời gian đo. Một waveform bao gồm

các tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi sau một xung laser phát ra. Mức ngưỡng

thu tín hiệu được đặt ở 5 mV để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai

đã ghi nhận tín hiệu LIDAR đàn hồi đến độ cao trên 4 km ở cả hai bước sóng on và

off (xem Hình 3.27). Với tốc độ lấy mẫu của dao 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

 

90 

 

LIDAR hấp thụ vi sai là 480 m với sai số thống kê ở độ cao 4 km là ~18% (xem Hình

4.3). 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.

Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở bước

sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017)

Kết luận Chương 3

Chương 3 trình bày việc nghiên cứu phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi

sai đo phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp. Các kết luận chính của Chương

3 như sau:

Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển lần đầu tiên trên cơ sở phát triển 2 laser màu phản hồi phân bố, với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G pha trong dung môi ethanol, được bơm bằng một laser Nd:YAG phát ở bước sóng họa ba bậc hai là 532 nm, tần số xung 10Hz và độ rộng xung 5 ns.

Khối phát của hệ LIDAR hấp thụ vi sai phát hai bức xạ tử ngoại ở bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm. Cặp bước sóng này thích hợp để đo đạc phân bố ozone trong lớp khí quyển tầng thấp.

Khối quang học thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai với bộ phận thu ghi tín hiệu LIDAR tán xạ ngược là một telescope đường kính lớn 40 cm được nghiên cứu

 

91 

 

chế tạo trong nước từ khâu mài thô, mài tinh phôi kính quang học đến phủ nhôm cùng với lớp phủ bảo vệ trong môi trường chân không.

Khối điện tử thu sử dụng PMT hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại. Hệ mạch điện tử thu và phần mềm được thực hiện để có thể đếm xung tín hiệu LIDAR trong chế độ đếm đơn photon.

Hệ LIDAR hấp thụ vi sai sau khi cân chỉnh và hoạt động đồng bộ đã có thể đo đạc tín hiệu LIDAR đến độ cao trên 4 km với độ phân giải 480 m.

 

92 

 

CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG

LỚP KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP

Chương 4 của luận án trình bày kết quả đo đạc thử nghiệm nồng độ ozone

phân bố theo độ cao trên cơ sở phát triển mới một hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Nội dung

của chương bao gồm các phần về xử lý số liệu đo đạc, xây dựng chương trình tính

toán phân bố nồng độ ozone, kết quả đo đạc và phân tích đánh giá sai số.

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. Việc xử lý số liệu được thực hiện theo các bước

sau:

Hiệu chuẩn tín hiệu LIDAR theo thời gian: dịch chuyển mức trigger của tín

hiệu về mốc 0 thời gian.

Hiệu chỉnh về cường độ: làm trơn (smooth) và trừ tín hiệu nền. Tín hiệu nền

được lấy trung bình từ 1 s sau của các tín hiệu LIDAR khi lúc này được xem

là không có tín hiệu tán xạ ngược.

Lọc tín hiệu để tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Số liệu cuối cùng được tổng hợp

từ các phép đo ứng với 6000 xung laser trong thời gian đo 10 phút liên tục.

4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao

Nồng độ phân bố ozone 𝑁 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 𝛽 𝜆 , 𝑅 , hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 và

 

93 

 

mật độ phân bố ozone 𝑁 𝑅 được xác định bằng phương pháp lặp được trình bày

trong Mục 1.3.6

Trong tính toán phân bố mật độ ozone từ kết quả đo LIDAR hấp thụ vi sai, tỷ

số LIDAR S được xác định là 30 sr-1 căn cứ theo các nghiên cứu về son khí tại Hà

Nội [81], nghiên cứu về son khí trong môi trường đô thị và có ô nhiễm [63,76]. Giá

trị số mũ Angstrom thường biểu thị cho kích thước hạt son khí. Giá trị >2 tương

ứng với kích thước son khí là khói bụi công nghiệp loại nhỏ, các giá trị <1 tương

ứng với son khí có nguồn gốc đại dương và có kích thước lớn. Các công trình nghiên

cứu về đo đạc số mũ Angstrom của son khí tầng đối lưu đều công bố giá trị của nó

xung quanh bước sóng 300 nm thay đổi từ 0 đến 2 [82,83]. Áp dụng cho trường hợp

cặp bước sóng LIDAR hấp thụ vi sai trong vùng tử ngoại, được xem xét với tương

đối nhỏ và bằng 0,5 cho son khí đô thị [39].

Các bước tính toán phân bố mật độ ozone có thể tóm tắt như sau:

Bước 1: tính phân bố mật độ ozone lần thứ nhất theo biểu thức (1.35).

Bước 2: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ nhất, tính hệ số tán xạ ngược

son khí 𝛽 𝜆 , 𝑅 cho bước sóng off theo biểu thức (1.46) và lặp lại (vòng lặp

son khí) với giá trị hệ số suy hao son khí 𝛼 𝜆 , 𝑅 theo biểu thức (1.48) để

nhận được giá trị 𝛽 𝜆 , 𝑅 thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,01.

Bước 3: tính các số hiệu chỉnh Nb(R) và Ne(R) theo biểu thức (1.41) và (1.42),

từ đó suy ra phân bố mật độ ozone lần thứ hai theo biểu thức (1.34).

Bước 4: với giá trị phân bố mật độ ozone lần thứ hai, quay trở lại bước 2. Vòng

lặp ozone này kết thúc khi thỏa mãn điều kiện 𝜉 0,001.

Chương trình tính phân bố ozone được viết trên nền Matlab có giản đồ thuật

toán trình bày trong Hình 4.1. Các dữ liệu đầu vào chính của chương trình là: số liệu

đo cường độ tín hiệu LIDAR Pon(R) và Poff(R) ở hai bước sóng on và off , tiết diện

hấp thụ vi sai của ozone Δ𝜎 , tỷ số LIDAR : S, số mũ Angstrom , mật độ phân tử

khí quyển (lấy theo số liệu khí tượng), tần số lấy mẫu fSample và số điểm lấy trung

bình giá trị đo (bin). Thông thường, các vòng lặp son khí và vòng lặp ozone dừng lại

sau 2 vòng lặp. Chương trình cho kết quả đầu ra là cường độ tín hiệu LIDAR hiệu

 

94 

 

chỉnh theo độ cao P(R)*R2, độ phân giải không gian, phân bố mật độ ozone theo độ

cao và mật độ ozone trung bình trên khoảng độ cao đo đạc.

Hình 4.1. Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone

 

95 

 

4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao

Hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi, dùng nguồn phát là 2 laser màu phản

hồi phân bố, đã được triển khai đo đạc thử nghiệm phân bố ozone vào các đêm trời

trong, ít mây. Phần mềm Matlab được sử dụng để xử lý số liệu, hiệu chỉnh tín hiệu

LIDAR theo độ cao, tính toán mật độ phân bố ozone theo độ cao khí quyển. Hình 4.2

trình bày kết quả phân bố mật độ ozone liên tục vào tháng 01/2017, từ khoảng 1,2

km đến độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m và thời gian đếm tích

hợp 10 phút. Các tín hiệu LIDAR ở dưới độ cao 1,2 km được loại ra do ảnh hưởng

bởi hàm chồng chập giữa chùm laser phát và trường nhìn của telescope bộ thu.

Hình 4.2. Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội.

Từ mật độ ozone trung bình được trình bày trong Hình 4.2, chúng ta có thể

nhận thấy nồng độ ozone tại Hà Nội từ độ cao khoảng 1200 m tới 4000 m biến động

giảm trung bình từ 2.1012 đến 5.1011 phân tử/cm3, tương đương từ 80 đến 20 ppbv.

Xu hướng giảm này phù hợp với phân bố ozone đặc trưng trong tầng đối lưu. Do

không có các số liệu đo phân bố ozone bằng bóng thám không vào cùng thời điểm

đo đạc nên Hình 4.2 sử dụng phân bố ozone tại Hà Nội, đo bằng đầu dò ozone đặt

 

96 

 

trên bóng thám không, độ phân giải 1 km, được công bố tại hội nghị về khí tượng ở

Hàn Quốc năm 2007 [4] để minh họa xu hướng giảm và so sánh, đánh giá sự tương

đương về bậc của số liệu đo phân bố mật độ ozone.

4.4 Phân tích sai số đánh giá kết quả đo đạc

Sai số trong thu ghi tín hiệu DIAL có thể phân thành 4 loại:

1. Sai số thống kê 1 do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu

2. Sai số 2 do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2,

son khí)

3. Sai số 3 do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone

4. Sai số 4 có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử.

Trong đó 1 là sai số ngẫu nhiên; 2, 3 và 4 là sai số hệ thống. 1 được xác

định theo thống kê Poisson trong biểu thức (1.51) [66]. Hình 4.3 trình bày đánh giá

sai số thống kê cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với thời gian đo 10 phút và độ phân giải

không gian 480 m. Giá trị sai số 1 bé hơn 18% ở độ cao dưới 4 km.

Hình 4.3. Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp 10

phút và độ phân giải không gian 480 m.

2 tính đến ảnh hưởng của NO2, SO2, các phân tử khí quyển và son khí. Hiện

nay ở Việt Nam không có số liệu phân bố theo độ cao của NO2 và SO2. Tuy nhiên,

 

97 

 

sai số do SO2 đối với các hệ quan trắc mặt đất thường được bỏ qua do việc lựa chọn

cặp bước sóng và không có ảnh hưởng của núi lửa phun trào, sai số do NO2 nhỏ hơn

0,3% và các tác động gây bởi suy hao Rayleigh vi sai tạo ra độ không chính xác dưới

0,6% [39,84,85]., Sai số chủ yếu trong đo đạc ozone là do son khí. Ở lớp khí quyển

tầng thấp, sự suy hao và tán xạ ngược vi sai của son khí là một nguồn sai số lớn. Sai

số này phụ thuộc vào cả 2 bước sóng dùng trong hệ LIDAR hấp thụ vi sai và khoảng

cách giữa 2 bước sóng. Trong phương pháp hấp thụ vi sai cho một cặp bước sóng,

sai số là do giả định tỷ số LIDAR và số mũ Ångström. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng

thuật toán tính các số hạng hiệu chỉnh, kết quả nồng độ phân bố ozone với sai số gây

bởi son khí được đánh giá là nhỏ hơn 20% [39,58].

Tiết diện hấp thụ vi sai của ozone cho cặp bước sóng 282,9 nm và 286,4

nm là 8,9.10-19cm2. Độ bất định trong tiết diện hấp thụ ozone được đánh giá là 2%

[39,85]. 3 sẽ nhỏ hơn 2,5% sau khi xem xét tới sự phụ thuộc vào nhiệt độ.

4 có thể được gây ra bởi sai lệch giữa tia laser và trường nhìn của telescope

(FOV - field of view), thời gian chết (dead-time) xảy ra khi đếm ở tốc độ cao (xung

thứ hai đến trong khi xung trước chưa được đếm), hiệu chỉnh sự tăng tín hiệu cảm

ứng SIB (signal-induced bias) trên nền tín hiệu. Thời gian chết làm biến dạng tín hiệu

trường gần và SIB làm tăng tín hiệu trường xa. Các sai số liên quan đến sự phi tuyến

của tín hiệu này có thể xác định qua thực nghiệm và giảm tối đa bằng kinh nghiệm

khi cân chỉnh hệ LIDAR hấp thụ vi sai hay thiết kế các cổng điện tử trong mạch

khuếch đại thu ghi tín hiệu. Đối với 10 phút tích hợp số liệu đo, 4 được xác định là

<5% cho độ cao dưới 4 km trong lớp khí quyển tầng thấp [39]. Tổng hợp các sai số

trong phép đo LIDAR hấp thụ vi sai phân bố nồng độ ozone được trình bày trong

Bảng 4.1 cho độ cao khí quyển dưới 4 km.

Vì điều kiện kỹ thuật chưa cho phép, không có phin lọc hay cách tử phù hợp

để có thể tách 2 bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm và lọc tốt trong vùng bước

sóng khả kiến và hồng ngoại, đề tài thực hiện đo đạc tín hiệu LIDAR lần lượt với 2

bước sóng và liên tục với độ phân giải thời gian 10 phút. Các phép đo LIDAR thực

hiện vào thời điểm ban đêm, sau 21g00 trong ngày, là thời điểm mà phân bố nồng độ

ozone được xem là ổn định trong ngày khi không có các tác nhân gây biến động lớn

(nhiệt độ và ánh sáng).

 

98 

 

Bảng 4.1. Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone.

TT Sai số %

1 1 - Sai số thống kê < 18

2 2 - do các thành phần khác

ozone

Son khí < 20

Khí hấp thụ khác < 0,3

Rayleigh < 0,6

3 3 do độ bất định của tiết

diện hấp thụ của ozone

< 2,5

4 4 do SIB và thời gian chết < 5

Sai số RMS tổng cộng < 27

Hiện nay, bản đồ ozone toàn cầu được cung cấp từ các số liệu vệ tinh Aura

của NASA. Phân bố ozone toàn cầu trong tầng đối lưu được tổng hợp suy ra từ sự đo

đạc tổng lượng cột ozone OMI (Ozone Monitoring Instrument) và tổng lượng cột

ozone tầng bình lưu MLS (Microwave Limb Sounder) với độ phân giải 36km x 48

km [86]. Theo số liệu Aura thì tại khu vực Hà Nội, mật độ ozone trung bình / tháng

ở tầng đối lưu trong tháng 1 các năm 2013, 2014 và 2015 là 40 ppbv, tháng 1/2016

là 55 ppbv. Hai đường vẽ thẳng biểu diễn mật độ ozone trung bình / tháng này và các

số liệu đo trung bình mật độ ozone bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai tán xạ đàn hồi vào

các ngày trong tháng 1/2017 được trình bày trong Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình

/ ngày đo bởi hệ LIDAR hấp thụ vi sai được lấy trung bình trong khoảng độ cao từ

1,2 km đến 4 km cho thấy các giá trị là cùng bậc, nằm trong phạm vi sai số và khá

tương đồng với các kết quả đo đạc từ vệ tinh Aura (Hình 4.4).

 

99 

 

Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong tháng 1

của các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura – NASA [70]) và số

liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại Hà Nội

Kết luận Chương 4

Chương 4 của Luận án trình bày thông số đo đạc và kết quả tính toán phân bố

ozone theo độ cao của khí quyển. Bằng thiết bị LIDAR hấp thụ vi sai được phát triển

với nguồn phát sử dụng hai laser màu phản hồi phân bố, nguồn thu dùng telescope

có đường kính lớn 40 cm tự nghiên cứu chế tạo trong nước, chúng ta có thể quan trắc

phân bố mật độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, từ độ cao 1,2 km tới trên 4 km,

độ phân giải 480 m, thời gian đo tín hiệu LIDAR vi sai ở mỗi bước sóng on và off là

10 phút. Trong điều kiện không có số liệu đo phân bố mật độ ozone bằng đầu dò

ozone đặt trên bóng thám không để đối chiếu, việc so sánh kết quả thử nghiệm với

các số liệu đo đạc trung bình theo tháng của vệ tinh Aura (NASA) cho thấy kết quả

đo đạc là có thể tin cậy.

 

100 

 

KẾT LUẬN CHUNG

Với mục tiêu nghiên cứu và phát triển một hệ LIDAR hấp thụ vi sai, độ phân

giải cao, để đo đạc phân bố nồng độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, các kết quả

chính của bản luận án bao gồm :

1. Phát triển hai nguồn phát bức xạ laser tử ngoại cho hệ LIDAR hấp thụ vi

sai ở các bước sóng 282,9 nm và 286,4 nm. Hai laser màu phản hồi phân

bố với môi trường hoạt chất là Rhodamine 6G được sử dụng trong nguồn

phát cho phép điều chỉnh dễ dàng bước sóng phát, đáp ứng yêu cầu của

một cặp bước sóng cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.

2. Phát triển một hệ quang học thu cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai với bộ phận

thu nhận tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi là một telescope đường

kính lớn 40 cm được nghiên cứu chế tạo hoàn toàn trong nước. Gương cầu

của telescope được mài từ phôi kính quang học và được phủ nhôm cho

phép bộ thu của hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động tốt trong vùng tử ngoại

và tăng thêm hệ số khuếch đại quang học.

3. Xây dựng phần mềm mô phỏng tín hiệu LIDAR để tối ưu thiết kế hệ

LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.

4. Xây dựng chương trình phần mềm xử lý số liệu và tính toán phân bố mật

độ ozone.

5. Hệ LIDAR hấp thụ vi sai cho phép khảo sát phân bố nồng độ ozone đến

độ cao trên 4 km, với độ phân giải không gian 480 m, thời gian đo 10 phút

cho mỗi bước sóng on và off. Hệ có thể sử dụng quan trắc liên tục phân bố

ozone khí quyển.

Đóng góp mới của luận án là lần đầu tiên trong thực tế sử dụng các laser màu

phản hồi phân bố làm nguồn phát cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai, ứng dụng thành công

trong đo đạc phân bố ozone. Ngoài ra, việc chế tạo thành công telescope đường kính

40 cm dùng trong hệ LIDAR cũng là một đóng góp rất quan trọng trong quá trình

phát triển kỹ thuật LIDAR ở Việt Nam, nhất là hệ có tín hiệu LIDAR yếu như LIDAR

Raman ứng dụng trong nghiên cứu về môi trường và thời tiết không gian. Luận án

cũng đã phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone khí

quyển cho hệ DIAL tử ngoại được phát triển lần đầu trong nước.

 

101 

 

Tuy nhiên, luận án cũng còn một số hạn chế. Thứ nhất là do hai bước sóng

phát gần nhau và nằm trong miền tử ngoại (≤ 300 nm) nên không chọn được phin lọc

bước sóng phù hợp nhằm tách riêng hai bước sóng, hạn chế nhiễu nền ánh sáng mặt

trời trong vùng khả kiến và hồng ngoại để có thể đo đạc đồng thời hai bước sóng on

và off, tăng độ phân giải thời gian và đo đạc phân bố ozone cả trong điều kiện ban

ngày. Thứ hai là do hiện nay không có số liệu phân bố ozone theo độ cao trên cả

nước nên luận án chưa có điều kiện so sánh, đối chiếu, đánh giá đầy đủ kết quả đo

phân bố ozone dùng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai.

Với kết quả và kinh nghiệm thu được trong quá trình phát triển thành công hệ

LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố nồng độ ozone trong lớp khí quyển tầng thấp, luận

án cho thấy chúng ta cũng có đủ điều kiện và khả năng xây dựng hệ LIDAR hấp thụ

vi sai đa kênh, đa bước sóng có thể điều chỉnh được, để nghiên cứu tính chất và các

thành phần khác của khí quyển ở nước ta với nguồn vốn đầu tư tiết kiệm. Trong thời

gian tới, trên cơ sở đã phát triển thành công một hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo đạc

phân bố nồng độ ozone, các nghiên cứu tiếp theo có thể là tiếp tục hoàn thiện khối

phát và khối thu của thiết bị để đo đạc số liệu ozone cả trong điều kiện ban ngày và

mở rộng khoảng độ cao quan trắc; khảo sát phân bố ozone theo ngày, theo mùa, theo

năm và theo vị trí địa lý quan trắc.

 

 

102 

 

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1) Pham Minh Tien and Dinh Van Trung, Design and simulation of the DIAL

LIDAR system for measuring tropospheric ozone, Advances in Optics, Photonics,

Spectroscopy & Applications VII, 2013, Publishing House for Science and

Technology – ISSN 1859-4271, pp.435-441

2) Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Le Huu Thang, and

Pham Minh Tien, Estimation of the LIDAR overlap function by using Raman signal,

Proceeding of the 3rd academic conference on natural science for Master and Ph. D

students from Asean countries. 11-15 November, Phnom Penh – Cambodia, 2014,

ISBN 978-604-913-088-5, p.337

3) Phạm Minh Tiến, Bùi Văn Hải, Đàm Trung Thông, Nguyễn Xuân Tuấn,

Nguyễn Đình Hoàng và Đinh Văn Trung, Nghiên cứu phát triển hệ LIDAR dùng

laser bán dẫn phát tại bước sóng 450nm để đo son khí trong lớp khí quyển tầng thấp,

Proceeding của Hội nghị về Những tiến bộ trong Vật lý Kỹ thuật và Ứng dụng, TP.

Huế, 2014, ISBN 978-604-913-232-2, 130

4) Pham Minh Tien, Bui Van Hai, Duong Tien Tho, Do Quang Hoa and Dinh

Van Trung, Development of distributed feedback dye lasers for differential

absorption lidar measurement of ozone in the lower atmosphere, Advances in Optics,

Photonics, Spectroscopy & Applications IX, Publishing House for Science and

Technology, 2017, ISSN 1859-4271, pp.472-476

5) Tien Pham Minh, Tuan Nguyen Xuan, Trung Dinh Van, Manh Le Duy, Hai

Bui Van, Devpolarization property of Cirus clouds over Hanoi, Communications in

Physics, Vol. 27, No. 4, pp. 339-344, 2017, DOI: 10.15625/0868-3166/27/4/10836

6) Pham Minh Tien, Bui Van Hai, Duong Tien Tho, Do Quang Hoa and Dinh

Van Trung, Development of UV laser source based on distributed feedback dye

lasers for use in measurement of ozone in the lower atmosphere, Communications in

Physics, Vol. 27, No. 4, pp. 345-355, 2017, DOI: 10.15625/0868-3166/27/4/10798

 

103 

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Thắng, Giáo trình Vật lý Khí quyển, 2016, NXB Tài nguyên – Môi

trường và Bản đồ Việt Nam, ISBN 978-604-904-931-6

[2] Michaela I. Hegglin (Lead Author), Twenty Question and Answer about the

Ozone layer: 2014 update. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014, World

Meteorological Organisation, Geneve, Switzeland, 2015, ISBN: 978-9966-076-02-1

[3] Claus Weitkamp, Lidar Range-Resolved Optical Remote Sensing of the

Atmosphere, © 2005 Springer Science+Business Media Inc., ISBN 0-387-40075-3

[4] Hoang Thi Thuy Ha (Aero-Meteorological Observatory – National Hydro-

Meteorological Services of Vietnam), Ozone sounding at Hanoi station : Results and

Comments, 2007, Workshop at Seoul, Korea

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone

[6] Arthur P. Cracknell and Costas A. Varotsos, Remote Sensing and Atmospheric

Ozone, Human Activities versus Natural Variability, © Spinger-Verlag Berlin

Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-1033309

[7] Steven T. Esposito, Application and analysis of Raman lidar techniques for

measurenents of ozone and water vapor in the troposphere, Thesis for the Degree of

MSc, 1999, The Pennsylvania State University

[8] Paul J. Crutzen, Mark G. Lawrence and Ulrich Poschl, On the background

photochemistry of tropospheric ozone, 1999, Tellus 51 A-B, 123-146

[9] Harold S. Johnston, Atmospheric Ozone, Annu. Rev. Phys. Chem. 1992. 43: 1-32

Copyright © 1992 by Annual Reviews Inc.

[10] Wan-Nan Wang, Tian-Hai Cheng, Xing-Fa Gu, Hao Chen, Hong Guo, Ying

Wang, Fang-Wen Bao, Shuai-Yi Shi, Bin-Ren Xu, Xin Zuo, Can Meng and Xiao-

Chuan Zhang, Assessing Spatial and Temporal Patterns of Observed Ground-level

Ozone in China, Scientific Reports 7, Article number: 3651, 2017, doi:

10.1038/s41598-017-03929-w

[11] Daniel L. Goldberg, Christopher P. Loughner, Maria Tzortziou, Jeffrey W.

Stehr, Kenneth E. Pickering, Lackson T. Marufu, Russell R. Dickerson, High surface

ozone concentrations over Chesapeake Bay than over the adjacent land:

 

104 

 

Observations and models from DISCOVER-AQ and CBODAQ campaigns, 2014,

Atmospheric Environment, Vol.84, pp.9-19

[12] Albert Oude Nijhuis, The influence of the effective ozone temperature on

OMDOAO3: Validation of the fitted temperature and improvement for the

operational method, Thesis of the degree of Master of Science in Meteorology, 2012,

Physical Oceanography and Climate at the University of Utrecht

[13] V.Gorshelev, A. Serdyucchenko, M.Weber, W.Chehade and J.P. Burrows, High

spectral resolution ozone absorption cross-sections – Part 1: Measurements, data

analysis and comparison with previous measurements around 293 K, 2014, Atmos.

Meas. Tech. 7, 609-624

[14] Andreas Richter and Thomas Wagner, The Remote Sensing of Troposhperic

Composition from Space: Chapter 2 Solar Backscatterd Radiation: UV, Visible and

Near IR-Trace Gases., 2011

[15] Young P.J., Naik V., Fiore A.M., et al., Tropospheric Ozone Assessment Report:

Assessment of global-scale model performance for global and regional ozone

distributions, variability, and trends, 2018, Elem. Sci. Anth., 6 (1):10

[16] Akimoto H., Impacts of ozone pollution from East Asia on Japan, 2003,

Measures of Resources and the Environment, pp.90-96, Vol.39, No. 11

[17] U.S. EPA. Exposure Factors Handbook (Final Report, 1997). U.S.

Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/600/P-95/002F a-c 18]

A.J. Gibson, L.Thomas, Ultraviolet laser sounding of the troposphere and lower

strtosphere, 1975, Nature Vol. 256

[19] World-Meteorological-Organization (WMO), Measurement of Ozone, CIMO-

Guide, WM08 Ed2008 Up 2010 , Part-I _Ch16

[20] World Meteorological Organisation WMO-No.8, Guide to Meteorological

Instruments and Methodes of Observation, 2008, ISBN 978-92-63-100085

[21] Wolfgang Garche, Ensuring of Traceability, Saxony-Anhalt Environ-mental

Protection Agency, 2006, EU-Twinning Project RO 04/B/EN/09, Bukarest

[22] Robert D. Evans, W.D. Komhyr, Operations Handbook – Ozone Observation

with a Dobson spectrophotometer, Global Atmosphere Watch GAW Report No.183,

2008, World Meteorological Organisation (WMO)/TD-No.1469

 

105 

 

[23] Reid E. Basher, Review of the DOBSON spectrophotometer and its accuracy,

WMO global ozone research and monitoring project, 1982, Report No. 13, Geneva

[24] Kerr, J.B., McElroy, C.T., and Olafson, R.A., Measurements of total ozone with

the Brewer spectrophotometer, Proc. Quad. Ozone Symp., 1980, J. London (ed.),

Natl. Cent. for Atmos. Res., Boulder CO, pp.74-79

[25] Staehelin, J., Kerr, J., Evans, R., and Vanicek, K., Comparison of total ozone

measurements of Dobson and Brewer spectrophotometers and recommended

transfer functions, 2003, GAW (Global Atmosphere Watch), Rep. 149, WMO,

Geneva

[26] Gushchin G.P., Sokolenko S.A., Dudko B.G., Lagutina V.V., Ozonemeter M-

24, 1985, Proceeding of the Main Geophysical Observatory of Leningrad

[27] Bryan J. Johnson, Samnel J. Ohtmans, Holger Vomel, HermanG. J. Smit, Terry

Deshler, Chris Kroger, Electrochemical concentration cell (ECC) ozonesonde pump

efficiency measurements and test on the sensitivity to ozone of buffered and un

buffered ECC sensor cathode solutions, 2002, J. of Geophys. Res., Vol.107, Issue

D19, pp. ACH 8.1-8.18

[28] F.W. Paul Gotz, A.R Meetham and G.M.B. Dobson, The vertical Distribution

of Ozone in the Atmosphere, 1934, Proc. R. Soc. Lond. A, Vol.145, pp 416-446

[29] C.L. Mateer, A study of the information content of Umkehr observation, Tech.

Rep. No. 2, 1064, Dept. of Meteorology, Univ. of Michigan, USA

[30] H.U. Dustsch, Vertical ozone distribution from Umkehr observation, Arch.

Meteor. Geophy. A, 1959, Vol.11, pp 240-251

[31] H.U. Dustsch and J. Staehelin, Results of the new and old Umkehr algorithm

compared with ozone soundings, J. Atmos. Terr. Phys., 1992, Vol. 54, pp557-569

[32] N. Harris, R. Hudson and C. Phillips, SPARC/IOC/GAW Assessment of Trends

in the Vertical Distribution of Ozone, World Climate Research Program of

WMO/ICSU, 1998, pp.289

[33] G. C. Reinsel, , G. C. Tiao, A.J. Miller, R.M. Nagatani, D.J. Wuebbles, E.C.

Weatherhead, W.K. Cheang, L. Zhang, L. E. Flynn and J. B. Kerr, Update of Umkehr

ozone profile data trend analysis through 1997, J. Geophys. Res., 1999, Vol. 104,

pp. 23881– 23898

 

106 

 

[34] M. J. Newchurch, L. Bishop, D. Cunnold, L. E. Flynn, S. Godin, S. H. Frith, L.

Hood, A.J. Miller, S. Oltmans, W. Randel, G. Reinsel, R. Stolarski, R. Wang, E.S.

Yang and J.M. Zawodny,Upper-stratospheric ozone trends 1979–1998, J. Geophys.

Res., 2000, Vol. 105, pp.14625–14636

[35] G. C. Reinsel, Trend analysis of upper stratospheric Umkehr ozone data for

evidence of turnaround, Geophys. Res. Lett., 2002, Vol.29, pp.91-1– 91-4

[36] I. Petropavlovskikh, P. K. Bhartia and J. DeLuisi, New Umkehr ozone profile

retrieval algorithm optimized for climatological studies, Geophys. Res. Lett., 2005,

Vol. 32, L16808, doi:10.1029/2005GL023323

[37] M. R. Measures, Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications, 1992,

New York: Wiley, ISBN: 0-89464-619-2

[38] National Institute of Standards and Technology (NIST), U.S. Department of

Comerce, Progress and Promise in DIAL LIDAR, https://www.nist.gov/news-

events/news/2012/02/progress-and-promise-dial-lidar, 2012 (Updated Jan. 08, 2018)

[39] Shi Kuang, John F. Burris, M. J. Newchurch, Steve Johnson and Stephanie

Long, Differential Absorption Lidar to Measure Subhourly Variation of

Tropospheric Ozone Profile, IEEE Transactions on Geoscience and Remote

Sensing,2011, Vol. 49, No. 1, pp. 557-571

[40] O.Uchino, M.Maeda, H.Yamamura, M.Hirono, Observation of Statospheric

Vertical Ozone Distribution by a XeCl Lidar, J. of Geophysical Research, 1983,

Vol.88, No.C9, pp.5273-5280

[41] Stuart McDermid, Sophie M. Godin, L. Oscar Lindqvist, T. Daniel Walsh, John

Burris, James Butler, Richard Ferrare, David Whiteman, and Thomas J. McGee,

Measurement intercomparison of JPL and GSFC stratospheric ozone lidar systems,

Appl. Opt., 1990, Vol.29, pp. 4671-4676

[42] J.Werner, K.W. Rothe and H.Walther, Monitoring of the Stratospheric Ozone

Layer by Laser Radar, Appl. Phys. B 32, 1983, pp.113-118

[43] J. A. Sunesson, A. Apiuley, and D. P. J.Swart, Differential absorption lidar

system for routine monitoring of tropospheric ozone, Appl. Opt. 33, 1994, pp.7045–

7058

 

107 

 

[44] O. Uchino and I. Tabata, Mobile lidar for simultaneous measurements of ozone,

aerosols, and temperature in the stratosphere, Appl. Opt., 1991, vol. 30, no. 15, pp.

2005–2012

[45] J. Pelon, S. Godin, and G. Mégie, Upper stratospheric (30–50 km) lidar

observations of the ozone vertical distribution, J. Geophys. Res., 1986, vol. 91, no.

D8, pp. 8667–8671

[46] T. J. McGee, R. A. Ferrare, D. N. Whiteman, J. J. Butler, J. F. Burris, and M. A.

Owens, Lidar measurements of stratospheric ozone during the STOIC campaign, J.

Geophys. Res., 1995, vol. 100, no. D5, pp. 9255–9262

[47] Z. Wang, H. Nakane, H. Hu, and J. Zhou, Three-wavelength dual differential

absorptionlidar methodforstratospheric ozone measurements in the presence of

volcanic aerosols, Appl. Opt., 1997, vol. 36, no. 6, pp. 1245– 1252

[48] A.D. Papayannis, J. Porteneuve, D. Balis, C. Zerefos, E.Galani, Design of a new

DIAL system for tropospheric and lower stratospheric ozone monitoring in Northern

Greece, Phys. Chem. Earth (C), 1999, Vol.24, No. 5, pp. 439-442

[49] L. Belegante, J. Vasilescu, R. Radulescu, C. P. Cristescu, Preliminary results

on the determination of ozone concentration in the atmosphere using the DIAL

system, Optoelectronics and Advanced Materials – Rapid Communications, 2010,

Vol.4, No. 12, pp. 1956-1959

[50] O.Uchino et. al., DIAL measurement of lower tropospheric ozone over Saga

(33.24oN, 130.29oE), Japan, and comparison with a chemistry-climate model,

Atmos. Meas. Tech. 7, 2014, pp.1385-1394

[51] Uchino O., Tokunaga M., Maeda M., Miyazoe Y., Differential-absorption-lidar

measurement of tropospheric ozone with excimer-Raman hybrid laser, Opt. Lett.

8(7): 347-9, 1983

[52] H.Eisele, H. E. Scheel, R. Sladkovic and T. Trickl, High-Resolution Lidar

Measurements of Stratosphere-Troposphere Exchange, J. of the Atmospheric

Sciences, 1999, Vol. 56, 319-330

[53] Sung-Chul Choi and Young-Joon Kim, A Differential Absorption Lidar (DIAL)

fo Ozone Measurements in the Planetary Boundary Layer in Urban Area, J. of the

Korean Physical Society, 2004, Vol. 44, No. 6, pp. 1432-1437

 

108 

 

[54] Shi Kuang, John F. Burris, M. J. Newchurch and Xiong Liu, Ground-based lidar

for atmospheric boundary layer ozone measurements, Applied Optics, 2013, Vol.52,

No.15, pp.3557-3566

[55] G.J. Megie, G. Ancellet and J. Pelon, Lidar measurements of ozone vertical

profiles, Appl. Opt., 1985, Vol.24, No.21, pp. 3454-3463

[56]  C.R. Philbrick, Lidar Remote Sensing in Atmosphere and Earth Sciences,

Reviewed and revised papers presented at the twenty-first International LaserRadar

Conference (ILRC21), 2002, Québec, Canada, Part 2, p. 535

[57] Benoı̂t Lazzarotto, Max Frioud, Gilles Larchevêque, Valentin Mitev, Philippe

Quaglia, Valentin Simeonov, Anne Thompson, Hubert van den Bergh, and Bertrand

Calpini, Ozone and water-vapor measurements by Raman lidar in the planetary

boundary layer: error sources and field measurements, Appl. Opt., 2001, Vol.40,

pp.2985-2997

[58] Vladimir A.Kovalev, William E. Eichinger, Elastic LIDAR: Theory, Pratice,

and Analysis Methods, 2004, Wiley-Interscience, ISBN 0-471-20171-5

[59] E.D. Hinkley (Ed.), Topics in Applied Physics: Laser Monitoring of the

Atmosphere, 1976, Springer-Verlag, New York, Vol. 14, 378 pp., ISBN-13: 978-

3662312551

[60] G.J. Megie and R. T. Menzies, Complementarity of UV and IR Differential

Absorption Lidar for Global Measurements of Atmospheric Species, Appl. Opt.,

1980, Vol. 19, pp. 1173–1183

[61] J. Pelon and G. Megie, Ozone Monitoring in the Troposphere and Lower

Stratosphere: Evaluation and Operation of a Ground-Based Lidar Station, J. Geoph.

Res., 1982, Vol. 87, pp. 4947–4955

[62] V.A. Kovalev and J. L. McElroy, Differential Absorption Lidar Measurement

of Vertical Ozone Profiles in the Troposphere that Contains Aerosol Layers with

Strong Backscattering Gradients: a Simplified Version, Appl. Opt., 1994, Vol. 33,

pp. 8393–8401

[63] Browell, E. V., Ismail, S. and Shipley, S. T., Ultraviolet DIAL measurements

of O3 probles in regions of spatially inhomogeneous aerosols, Applied Optics 24,

1985, pp.2827-2836

 

109 

 

[64] Y. Sasano, E.V. Browell, S. Ismail, Error caused by using a constant extinction

/ backscattering ratio in the lidar solution, Appl. Opt. 24, 1985, 3929

[65] F. Immler, A new algorithm for simultaneous ozone and aerosol retrieval from

tropospheric DIAL measurements, Appl. Phys. B, Photophys. Laser Chem., 2003,

vol. 76, no. 5, pp. 593–596

[66] A. Papayannis, G. Ancellet, J. Pelon, and G. Mégie, Multiwavelength lidar for

ozone measurements in the troposphere and the lower stratosphere, Appl. Opt.,

1990, vol. 29, no. 4, pp. 467–476

[67] Đoàn Hoài Sơn, Nghiên cứu vật lý và công nghệ laser màu phản hồi phân bố,

Luận án Tiến sĩ, 2006, Trường Đại học Vinh, thực hiện tại Viện Vật lý

[68] Do Quang Hoa, Doan Hoai Son, Tran Hong Nhung, M.Canva, G.Helene,

Nguyen Dai Hung, Distributed feedback energy transfer solid-state dye lasers,

Proceedings of 9th APPC, 2004, Hanoi

[69] Doan Hoai Son, Do Quang Hoa, Application of queenching cavity in the

distributed feedback laser to generate tunable picosecond pulses, Proceeding of the

5th Asian Symposium on Intense Laser Science, 2009, Hanoi, pp.377-381

[70] D.Q.Hoa, N.D.Hoang, T.Imasaka, A short pulse laser system to detect

concentration of Polychloro-Dibenzodioxine, -Furans, Comp. Metho. In Scien. And

Techno., 2010, Special Issue

[71] Do Quang Hoa, N. Takeyasu, T. Imasaka, Nguyen Dai Hung, Direct generation

of a tunable nearly transform-limited picosecond pulse in the ultraviolet region using

a distributed-feedback dye laser, Rev. of Scienc. Instru., 2003, Vol. 74, No.1, pp.28-

31

[72] D.Q.Hoa, V. Duong, P.Long, T.H.Nhung, T.Imasaka, Generating short-pulse

laser by using s quenched distributed feedback dye laser, J. of the Korean Phys. Soc.,

2008, Vol.53, No.6, pp.3823-3826

[73] Bùi Văn Hải, Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí

trong tầng khí quyển, Luận án Tiến sĩ, 2014, Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam

[74] R.T.H.Collis and P.B.Russell, Laser Monitoring of the Atmosphere,

E.D.Hinkley, 1876, Ed., Springer, Newyork

 

110 

 

[75] Cao Vũ Thắng, Khảo sát hệ laser màu băng hẹp phát xung tử ngoại, Khóa luận

tốt nghiệp Đại học hệ chính quy Trường Đại học Công nghệ, ngành Vật lý Kỹ thuật,

2014, thực hiện khóa luận tại Viện Vật lý

[76] E.Durieux, L.Fiorani, B.Calpini, M.Flamm, L.Jaquet and H.Van Den Bergh,

Tropospheric ozone measurements over the Great Athens area during the

Medcaphot-Trace Campaign with a new shot-per-shot DIAL instrument:

experimental system and results, Atmospheric Environment, 1998, Vol.32, No. 12,

pp.2141-2150

[77] Philip B. Russell, Thomas J. Swissler and M. Patrick McCormick, Methodology

for error analysis and simulation of LIDAR aerosol measurements, Applied Optics,

1979, Vol.18, No.22, pp.3783-3797

[78] Nguyễn Đại Hưng, Phan Văn Thích, Thiết bị và linh kiện quang học quang phổ

laser, 2005, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội

[79] D.Q.Hoa, V.Duong, V.T.T.Duong, C.V.Ha, Optimization of a distributed dye

laser system to generate single tunable picosecond pulses from UV to IR, Appl.Phys

B, 2012, 107, pp. 823-826

[80] Dương Tiến Thọ, Chế tạo gương quang học khẩu độ lớn ứng dụng trong đo đạc

lidar, Luận văn Thạc sĩ Vật lý, 2016, Viện Vật lý – Học Viện KH và CN, Viện Hàn

lâm KHCNVN, Hà Nội

[81] Bui Van Hai, Dinh Van Trung, Nguyen Xuan Tuan, Nguyen Dinh Hoang, Dam

Trung Thong, Nguyen Thanh Binh, Determination of Atmospheric Aerosol

Extinction with a Raman LIDAR system over Hanoi, Advances in Optics, Photonics,

Spectroscopy & Applications VII, 2013, ISSN 1859-4271

[82] D. Westphal and O. Toon, Simulations of microphysical, radiative, and

dynamical processes in a continental scale forest fire smoke plume, J. Geophys. Res.,

1991, vol. 96, no. D12, pp. 22 379–22 400

[83] G. L. Schuster, O. Dubovik, and B. N. Holben, Ångström exponent and bimodal

aerosol size distributions, J. Geophys. Res., 2006, vol. 111, no. D7, pp. D07 207.1–

D07 207.14

 

111 

 

[84] J. Rufus, G. Stark, P. L. Smith, J. C. Pickering, and A. P. Thorne, Highresolution

photoabsorption cross section measurements of SO2, 2: 220 to 325 nm at 295 K, J.

Geophys. Res., 2003, vol. 108, no. E2, p. 5011

[85] K. Bogumil, J. Orphal, T. Homann, S. Voigt, P. Spietz, O. C. Fleischmann, A.

Vogel, M. Hartmann, H. Bovensmann, J. Frerick, and J. P. Burrows, Measurements

of molecular absorption spectra with the SCIAMACHY pre-flight model: Instrument

characterization and reference data for atmospheric remote-sensing in the 230–2380

nm region, J. Photochem. Photobiol. A, Chem., 2003, vol. 157, no. 2/3, pp. 167–184

[86] NASA GODDARD HOMEPAGE FOR TROPOSPHERIC OZONE, NASA

Goddard Space Flight Center, Code 614, Chemistry and Dynamics Branch,

https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/cloud_slice/