Luận án phát triển kỹ thuật Lidar đo phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC Danh mục hình ………………………………………………………………….i Danh mục bảng…………………………………………………………………….v Mở đầu …………………………………………………………………………………1 Chương 1 Nguyên lí của lidar xác định mật độ phân tử, nhiệt độ khí quyển ………….1 Nguyên lí chung của Lidar…………………………………………………………6 1.2 Khí quyển Trái đất …………………………………………………………………7 1.1 Cấu trúc của khí quyển ……………………………………………………7 1.2 Thành phần của khí quyển ………………………………………………10 1.3 Tương tác của ánh sáng với khí quyển ……………………………………………10 1.1 Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử ………………………………11 1.2 Tán xạ Mie và sự dập tắt của sol khí …………………………………….3 Tán xạ Raman của phân tử ……………………………………………….4 Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ ……………………………….1 Xác định phân bố nhiệt độ………………………………………………….2 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Rayleigh ……………………….1 Xác định mật độ phân tử khí quyển …………………………….2 Xác định hệ số tán xạ ngược của sol khí ……………………….3 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Raman ……………………………….1 Xác định mật độ phân tử ………….2 Xác định hệ số suy hao của sol khí ………………………….4 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp ………………24 1.5 Tổng kết chương 1 ……………………………………………………………….…25 Chương 2 Thiết kế và xây dựng các hệ lidar …………………………………….1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman ……………………………………………….2 Mô tả hoạt động ……………………………………………………….3 Đặc trưng ……………………………………………………………….4 Tối ưu sự sắp xếp cấu hình của hệ lidar ……………………………….5 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar …………………….6 Đánh giá tỉ số tín hiệu /nhiễu …………………………………………….2 Hệ lidar Rayleigh - Raman ………………………………………….1 Phát triển module gated-ống nhân quang điện ……………………………48 2.2 Thiết kế và hoạt động của module gated-PMT ………………….2 Hoạt động và đặc trưng của hệ lidar Rayleigh - Raman ……………….3 Các phép đo đánh giá ………………………………………………….3 Kết luận chương 2 ……………………………………………………………….…66 Chương 3 Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển …………………………….2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh ………………………………………….1 Xử lý dữ liệu lidar ………………………………………………………70 3.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………….2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng ………………………74 3.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển …………………….4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ……………………………84 3.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Rayleigh …………….3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman ……………………………………………….1 Xử lý dữ liệu lidar Raman …………………………………………….1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………….2 Xác định tín hiệu lidar Raman hiệu dụng …………………….3 Xác định mật độ phân tử khí quyển ………………………….4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ……………………….2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Raman ……………….4 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp ………………………….1 Xử lý dữ liệu lidar đàn hồi-Raman kết hợp ……………………………105 3. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ……………………………………. Xác định tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng …………………….3 Xác định mật độ phân tử khí quyển ……………………………110 3.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ……………………….5 Phân tích sai số nhiệt độ lidar đàn hồi-Raman kết hợp …….5 Kết luận chương 3 ……………………………………………………………….116 Chương 4 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng khí quyển tại Hà nội ………….2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng đối lưu ………………………………. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu…………………………….

Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao………………….3 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng bình lưu khí quyển ………………………128 4.4 Kết luận chương 4 ………………………………………………………….132 Danh mục các công trình khoa học đã công bố ……………………………………134 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………….…136 Phụ lục…………………………………………………………………………………i DANH MỤC HÌNH Hình 1. Nguyên lí cơ bản của lidar Hình 1. Cấu trúc của khí quyển theo độ cao Hình 1. Phân bố mật độ ô zôn của bán cầu Bắc Hình 1.

Sự biến đổi độ cao của lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo Hình 1. Thành phần khí quyển tính theo thể tích Hình 1. Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ của phân tử [40]. Sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ ở bước sóng 532 nm với các hạt có bán kính khác nhau.8 Phổ tán xạ Raman của một vài phân tử khí quyển ứng dụng trong lidar ở các bước sóng 355nm, 532 nm ở điều kiện áp suất thường và nhiệt độ 300 0K.

Cấu trúc cơ bản của một hệ lidar. Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục của một hệ lidar.3 Sơ đồ khối của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Ảnh chụp hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đang hoạt động. Đặc trưng truyền qua và phản xạ của DMLP567.

Đặc trưng của FL532-3 nm (a), FL550 nm longpass (b), FL610-10 nm (c). Đặc trưng độ nhạy quang của cathode và độ khuếch đại của H6780-20. Ảnh của module ống nhân quang điện H6780-20. Sơ đồ mạch điện (a) và ảnh (b) của bộ khuếch đại.

Giao diện của phần mềm xử lí và lưu giữ tín hiệu lidar. Phân bố hàm chồng chập của hệ lidar Raman-đàn hồi kết hợp. Tín hiệu Raman tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu Raman hiệu chỉnh khoảng cách so với mật độ phân tử Ni tơ từ mô hình MSISE-90 (b). Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách của 6 file liên tiếp theo thang lôgarít.

Tín hiệu lidar đàn hồi được tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu lidar đàn hồi hiệu chỉnh khoảng cách (logarit) so sánh với mật độ phân tử của thám không (b). Tỉ số tín hiệu /nhiễu với độ phân giải không gian khác nhau của tín hiệu lidar đàn hồi (a) và lidar Raman (b) tích phân trong 10 phút. Tỉ số tín hiệu /nhiễu với các độ phân giải thời gian khác nhau của tín hiệu lidar đàn hồi (a) và tín hiệu lidar Raman (b) với độ phân giải không gian là 24 m. Minh họa hiệu tượng nhiễu sinh tín hiệu của ống nhân quang điện.

Sơ đồ khối của module gated-ống nhân quang điện. Sơ đồ mạch điện của mạch tách sóng và làm trễ. Sơ đồ của mạch phát xung gate và mạch chia thế của PMT. Ảnh của module gated-ống nhân quang điện, (a) đơn vị tạo xung gate và chia thế, (b) đơn vị tách sóng và làm trễ xung cùng các nguồn nuôi.

Sơ đồ khối của hệ lidar tích phân nghiên cứu khí quyển tầng cao. Một phân bố tín hiệu lidar đo được của hệ lidar Rayleigh-Raman. Kết quả của phép đo đánh giá ảnh hưởng của nhiễu sinh ra tín hiệu lên module gated-ống nhân quang điện, (a): kết quả đo trong trường hợp mây đậm đặc, (b): tín hiệu ở trên điểm gate ở hai kênh Rayleigh và Raman trong đó kênh Rayleigh được nhân lên 3 lần.25 Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT. Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách của 10 file liên tiếp dùng module gated- PMT.27 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (a) và tỉ số tín hiệu /nhiễu (b) vào độ phân giải thời gian của lidar Rayleigh với độ phân giải không gian là 24 m.28 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (trái) và tỉ số tín hiệu /nhiễu (phải) vào độ phân giải không gian của lidar Rayleigh với độ phân giải thời gian là 10 phút.

Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển của ozone (b) tại tọa độ lân cận với Hà nội (nguồn: http://igaco- o3.fi/ACSO/ Hình 3. Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách (thang logarithm) (a), và độ chênh lệch tín hiệu lidar (b) trước và sau khi hiệu chỉnh bởi hấp thụ của ô zôn. Tỉ số tán xạ tán xạ tương đối Raer(z) của sol khí, sử dụng mật độ mô hình khí quyển (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar không lặp (mầu đỏ) và lặp (màu xanh).

Hệ số truyền qua một vòng khí quyển của sol khí xác định từ lidar, (đen): sử dụng mật độ mô hình, (đỏ): sử dụng mật độ lidar không lặp, (xanh): sử dụng mật độ lidar và lặp. Tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh): (a), độ lệch tương đối giữa tín hiệu đo được và tín hiệu lidar hiệu dụng (b). Mật độ từ tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh). Độ lệch mật độ tương đối (theo %) giữa tín hiệu đo được và hiệu dụng (a), giữa lidar và mô hình (b).

Sai số mật độ phân tử Rayleigh (a), hệ số truyền qua một vòng của phân tử T2mol(z) từ tín hiệu lidar Rayleigh (b). Phân bố nhiệt độ xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh đo được (xanh) và từ tín hiệu lidar hiệu dụng (đen) và phân bố nhiệt độ mô hình MSISE-90 (đỏ). Ảnh hưởng của giá trị nhiệt độ tham khảo lên phân bố nhiệt độ. Đường đỏ: nhiệt độ tham khảo ban đầu, xanh lá cây: ±5%, xanh da trời: ±1%.

Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh do sol khí (đỏ), hấp thụ ozone (tím), Tref (xanh da trời), nhiễu (xanh lá cây) và lỗi tổng cộng (đen). Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Raman. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển (b) của ozone trong tầng đối lưu. Hệ số dập tắt của sol khí αaer(z) (a) và hệ số truyền qua khí quyển một vòng của sol khí xác định bằng tín hiệu lidar Raman tích phân trong 1h.

Tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu dụng (xanh) 10 phút: (a), độ lệch tương đối giữa tín hiệu Raman đo được và hiệu dụng (b). Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), đỏ: không lặp, xanh: lặp, đen: thám không vô tuyến, hệ số truyền qua môt vòng khí quyển của phân tử (b). Mật độ phân tử Ni tơ được xác định từ tín hiệu lidar Raman (a), đỏ: đo được và xanh: hiệu dụng, lỗi của mật độ phân tử Ni tơ (b).19 Phân bố mật độ phân tử Ni tơ (a) và độ chênh lệch mật độ lidar-thám không từ lidar Raman lúc 22 giờ 01 phút ngày 26 tháng 6 năm 2013 tại Hà nội (b). Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) và không lặp (đỏ) so sánh với phép đo thám không vô tuyến (đen).

Phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu dụng (xanh) và thám không vô tuyến (đen). Sai số nhiệt độ của lidar Raman (a) và sai số tính theo % (b). Tín hiệu lidar từ phép đo lidar đàn hồi-Raman kết hợp, (a) là tín hiệu lidar thô, (b) là tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ tổng quát của lidar đàn hồi-Raman kết hợp.

Hệ số tán xạ ngược của phân tử, sol khí, tổng cộng (a) và tỉ số tán xạ ngược tương đối của sol khí Raer(z) (b). Hệ số dập tắt (a) và hệ số truyền qua một vòng của sol khí Taer(z) (b). Tín hiệu lidar đàn hồi đo được và hiệu chỉnh sol khí (a), tín hiệu lidar đàn hồi đo được và hiệu dụng hiệu chỉnh khoảng cách (b). Mật độ phân tử khí quyển từ tín hiệu lidar (a), lỗi mật độ (b).29 Độ chênh lệch mật độ phân tử giữa lặp và không lặp(a) và lidar và thám không vào 20 giờ 10 phút ngày 2 tháng 12 năm 2011 tại Hà nội.