Luận án Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

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 . 6

1.1 Nguyên lí chung của Lidar 6

1.2 Khí quyển Trái đất 7

1.2.1 Cấu trúc của khí quyển 7

1.2.2 Thành phần của khí quyển 10

1.3 Tương tác của ánh sáng với khí quyển 10

1.3.1 Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử 11

1.3.2 Tán xạ Mie và sự dập tắt của sol khí .13

1.3.3 Tán xạ Raman của phân tử .14

1.4 Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ . .16

1.4.1 Xác định phân bố nhiệt độ .16

1.4.2 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Rayleigh . 18

1.4.2.1 Xác định mật độ phân tử khí quyển .18

1.4.2.2 Xác định hệ số tán xạ ngược của sol khí .20

1.4.3 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Raman .22

1.4.4.1 Xác định mật độ phân tử . . 22

1.4.4.2 Xác định hệ số suy hao của sol khí . .23

1.4.4 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp 241.5 Tổng kết chương 1 . 25

Chương 2

Thiết kế và xây dựng các hệ lidar . . .27

2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman . .27

2.1.1 Mở đầu .27

2.1.2 Mô tả hoạt động . .30

2.1.3 Đặc trưng .33

2.1.3.1 Khối phát . .33

2.1.3.2 Khối nhận . .33

2.1.4 Tối ưu sự sắp xếp cấu hình của hệ lidar . 38

2.1.5 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar . .41

2.1.6 Đánh giá tỉ số tín hiệu /nhiễu .44

2.1.7 Thảo luận . . .47

2.2 Hệ lidar Rayleigh - Raman . 48

2.2.1 Phát triển module gated-ống nhân quang điện 48

2.2.1.1 Mở đầu . . 48

2.2.1.2 Thiết kế và hoạt động của module gated-PMT .51

2.2.2 Hoạt động và đặc trưng của hệ lidar Rayleigh - Raman . 55

2.2.3 Các phép đo đánh giá . .58

2.2.4 Thảo luận . . .65

2.3 Kết luận chương 2 . 66

Chương 3

Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển . . 68

3.1 Mở đầu . .683.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh . .70

3.2.1 Xử lý dữ liệu lidar 70

3.2.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ .71

3.2.1.2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng 74

3.2.1.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển .80

3.2.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển 84

3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Rayleigh . .86

3.2.3 Thảo luận . . 88

3.3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman .89

3.3.1 Xử lý dữ liệu lidar Raman .90

3.3.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ .90

3.3.1.2 Xác định tín hiệu lidar Raman hiệu dụng . 92

3.3.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển . 95

3.3.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển . 99

3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Raman . 101

3.3.2 Thảo luận . . .103

3.4 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp . 104

3.4.1 Xử lý dữ liệu lidar đàn hồi-Raman kết hợp 105

3.4.1.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ .105

3.4.1.2. Xác định tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng .107

3.4.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển 110

3.4.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển . 112

3.3.2.5 Phân tích sai số nhiệt độ lidar đàn hồi-Raman kết hợp . 114

3.4.2 Thảo luận . . 116

3.5 Kết luận chương 3 .116Chương 4

Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng khí quyển tại Hà nội . .120

4.1 Mở đầu . . 120

4.2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng đối lưu . 121

4.2.1. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu . .121

4.2.2. Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao . .127

4.3 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng bình lưu khí quyển 128

4.4 Kết luận chương 4 . .131

Kết luận .132

Danh mục các công trình khoa học đã công bố 134

Tài liệu tham khảo . 136

Phụ lục i

pdf173 trang | Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 458 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
thông số đặc trưng giống như kênh Raman của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman, vì vậy khả năng của kênh này được đặc trưng bởi tỉ số tín hiệu /nhiễu đã được đánh giá ở hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Tỉ số tín hiệu /nhiễu ở kênh Rayleigh phản ánh khả năng của hệ lidar Rayleigh-Raman sử dụng gated-PMT moduletrong việc dành tín hiệu yếu ở khoảng cách xa. Hình 2.27. 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. Hình 2.27 trình bày sự phụ thuộc cường độ tín hiệu lidar và tỉ số tín hiệu /nhiễu của kênh Rayleigh vào các thời gian tích phân khác nhau với điểm gated được đặt ở 20 km. Độ phân giải không gian được cố định là 24 m. Tỉ số tín hiệu /nhiễu được yêu cầu lớn hơn 1. Chúng ta nhận thấy cường độ tín hiệu và tỉ số tín hiệu /nhiễu tăng nhanh khi chúng ta lấy trung bình tín hiệu theo thời gian. Tuy nhiên khi độ cao tăng thì sự chênh lệch của tỉ số tín hiệu /nhiễu theo các thời gian khác nhau không gia tăng đáng kể, điều này la do suy suy hao nhanh của tín hiệu lidar theo độ cao. Tỉ số tín 64 hiệu /nhiễu của kênh Rayleigh tích phân trong thời gian 10 phút và lấy trung bình trong khoảng không gian là 24 m đạt tới độ cao 54 km. Hình 2.28. 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. Hình 2.28 trình bày kết quả khảo sát cường độ tín hiệu lidar Rayleigh và tỉ số tín hiệu /nhiễu của kênh Rayleigh phụ thuộc vào các khoảng không gian khác nhau với thời gian lấy trung bình là cố định trong 10 phút. Kết quả cũng cho thấy cường độ tín hiệu và tỉ số tín hiệu /nhiễu tăng nhanh khi khoảng không gian lấy trung bình tín hiệu tăng. Tuy nhiên do tín hiệu suy giảm bậc hai theo độ cao nên tỉ số tín hiệu /nhiễu không chênh lệch nhiều ở độ cao lớn. Với thời gian tích phân trong khoảng 10 phút thì tỉ số tín hiệu /nhiễu có độ phân giải không gian là 12 m có thể đạt tới 51 km. Trong tầng bình lưu khí quyển do không khí tương đối vì vậy chúng ta có thể tăng đồng thời khoảng thời gian và khoảng không gian lấy trung bình tín hiệu để tăng tỉ số tín hiệu /nhiễu của tín hiệu lidar Rayleigh. Trong các trường hợp khảo sát trên tỉ số tín hiệu /nhiễu được xác định là lớn hơn 1, còn trong các trường hợp xác định các thông số Vật lý thì tỉ số này thường được lấy sao cho sai số do nhiễu tín hiệu gây ra cho đại lượng đó là nhỏ hơn 10%. 65 2.2.4 Thảo luận Hệ lidar Rayleigh-Raman nghiên cứu khí quyển tầng cao sử dụng nguồn laser có bước sóng 532 nm với tích số công suất (cống suất trung bình của laser) – diện tích (diện tích của kính thiên văn) đã cho thấy độ nhạy cao khi so sánh với một số hệ lidar khác cùng nghiên cứu trong vùng khí quyển này (bảng 2.6). Bảng 2.6. So sánh hệ lidar Rayleigh-Raman ở Việt Nam với một số hệ lidar khác Hệ lidar Haute- Provence, Pháp [9] Mt. Abu Ấn Độ [21] Chung li Đài Loan [74] Nhật Bản [89] Arecibo Puerto- Rico [109] Hà nội Việt Nam công suất – tiết diện 0,8W- 0,5 m2 2,6W- 1 m2 15W- 1520 cm2 16W- 1963 cm2 7,5W- 1134 cm2 1W- 507 cm2 Kết quả tín hiệu lidar Rayleigh của hệ lidar được chúng tôi phát triển có thể đạt tới 60 km với thời gian tích phân trong 1 giờ và độ phân giải không gian là 120 m với tỉ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn 9. Kết quả này có được nhờ việc sử dụng gated- PMT module hoạt động ở chế độ đếm photon trong việc thu tín hiệu lidar ở kênh lidar Rayleigh. Module cho thấy độ nhạy cao và không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu sinh tín hiệu [93]. Kết quả này cho phép chúng ta bao phủ toàn bộ tầng bình lưu khí quyển tại địa điểm nghiên cứu. Hệ lidar thu tín hiệu được đặt tại Hà nội nơi có mật độ sol khí cao và ở trên mặt đất đã hạn chế độ cao cực đại có thể dành được. Nếu hệ lidar được đặt ở độ cao lớn hơn và có mật độ sol khí ít hơn thì độ cao cực đại có thể gia tăng. Mặc dù tầng thấp khí quyển có thể được nghiên cứu bởi tín hiệu lidar Raman từ hệ lidar này. Tuy nhiên chúng ta hoàn toàn có thể phát triển hệ lidar này thành hệ lidar 3 kênh với sự kết hợp đồng thời hai kênh đàn hồi và Raman cho nghiên cứu tầng đối lưu, còn kênh Rayleigh nghiên cứu tầng bình lưu. Đặc biệt chúng ta có thể phát triển hệ lidar để hoạt động ở chế độ ban ngày ở chế độ đếm photon nếu như sử dụng bộ lọc quang phổ với băng thông rất hẹp. 66 2.3 Kết luận chương 2 Hai hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman và hệ lidar Raman-Rayleigh cho nghiên cứu phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ đã được phát triển thành công. Hệ lidar kết hợp đàn hồi – Raman có thể bao phủ tầng đối lưu lên tới 20 km và cung cấp dữ liệu gồm hai tín hiệu lidar đàn hồi và tín hiệu lidar Raman tại cùng một khoảng không gian và thời gian. Trong khi đó hệ lidar Rayleigh-Raman cung cấp hai dữ liệu gồm tín hiệu lidar Raman ở tầng đối lưu và tín hiệu lidar Rayleigh đạt tới 60 km ở tầng bình lưu. Hệ lidar kết hợp đàn hồi–Raman với tích số công suất-tiết diện là 1W-507 cm2 có thể dành được đồng thời hai tín hiệu lidar đàn hồi và Raman đạt được độ cao 20 km cho thấy độ nhạy cao do sử dụng đầu đo ống nhân quang điện ở chế độ đếm photon và cấu hình lưỡng trục lợi dụng sự chồng chập của chùm laser và kính thiên văn. Dữ liệu lidar kết hợp đàn hồi và Raman cho phép nghiên cứu đồng thời được tính chất của sol khí và nhiệt độ trong tầng đối lưu và lớp đối lưu hạn. Thêm vào đó, sử dụng đồng thời hai tín hiệu lidar đàn hồi và Raman chúng ta có thể nghiên cứu đồng thời đặc trưng, tính chất và mối liên hệ của mây Ti tầng cao và lớp đối lưu hạn. Các kết quả này là điều mà kỹ thuật thám không vô tuyến không thể có được. Hệ lidar Rayleigh-Raman nghiên cứu khí quyển tầng cao cũng chỉ với tích số công suất – tiết diện là 1W-507 cm2 với kênh Rayleigh đã đạt tới gần 60 km với tín hiệu lidar Rayleigh. Đạt được kết quả này là do kênh Rayleigh sử dụng gated-PMT module hoạt động ở chế độ đếm photon cho phép cắt bỏ tín hiệu mạnh ở khoảng cách gần đồng thời thu được tín hiệu lidar rất yếu. Trong khi đó kênh Raman thu tín hiệu lidar Raman ở khoảng cách bị cắt. Kết quả này cho phép chúng ta nghiên cứu các đặc trưng và hiện tượng khí quyển ở tầng bình lưu, điều mà kỹ thuật thám không vô tuyến không thể thực hiện được. Các phép đo đánh giá của hai hệ lidar đã cho thấy các hệ lidar có độ tin cậy và độ ổn định cao. Tập hợp các dữ liệu lidar kết hợp đàn hồi-Raman, Raman, Rayleigh cho phép bao phủ đồng thời tầng đối lưu đến tầng bình lưu khí quyển. Từ kết quả 67 nghiên cứu mật độ phân tử, nhiệt độ, sol khí tầng cao, mây Ti tầng cao chúng ta có thể rút ra nhiều thông tin khoa học hữu ích về khí quyển. Tuy nhiên hạn chế của các phép đo là địa điểm đo tại Hà Nội, nơi có mật độ sol khí rất cao do ô nhiễm đô thị làm suy hao mạnh tín hiệu lidar, điều này làm giảm độ cao cực đại mà phép đo có thể đạt được. 68 Chương 3 Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển Chương này trình bày cách xác định phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar. Ba kỹ thuật lidar đo phân bố nhiệt độ khí quyển được trình bày lần lượt là: lidar Rayleigh đo tầng bình lưu, lidar Raman và lidar kết hợp đàn hồi- Raman đo tầng đối lưu. Thuật giải xử lý tín hiệu lidar để rút ra phân bố mật độ phân tử và phân tử nhiệt độ của từng kỹ thuật lidar được trình bày chi tiết và thảo luận tỉ mỉ. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả và độ chính xác của phân bố mật độ và nhiệt độ sẽ được đánh giá và thảo luận để tối ưu hóa kết quả cuối cùng. Sai số mật độ và sai số nhiệt độ của từng kỹ thuật lidar sẽ được trình bày và thảo luận. Cuối cùng là các kết luận và các đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo của từng loại kỹ thuật lidar đo nhiệt độ sẽ được trình bày. 3.1 Mở đầu Chương 2 trình bày kết quả phát triển của hai hệ lidar đã cho chúng ta thấy hai hệ lidar này có thể cung cấp 3 dữ liệu lidar cho việc phân tích để rút ra mật độ phân tử và nhiệt độ khí quyển đó là tín hiệu lidar Rayleigh, tín hiệu lidar Raman và tín hiệu lidar kết hợp đàn hồi-Raman. Lidar Rayleigh có thể bao phủ tầng bình lưu, lidar Raman và lidar kết hợp đàn hồi-Raman có thể bao phủ tầng đối lưu. Như đã chỉ ra ở chương 1, mật độ phân tử khí quyển có thể rút ra trực tiếp từ tín hiệu lidar đàn hồi (phương trình (1.21)) hoặc mật độ phân tử Ni tơ có thể rút ra trực tiếp từ tín hiệu lidar Raman (phương trình (1.38)) bằng việc biến đổi phương trình lidar đàn hồi hoặc Raman. Phân bố nhiệt độ có thể nhận được từ mật độ phân tử thông qua việc kết hợp điều kiện cân bằng thủy tĩnh và phương trình khí lí tưởng của khí quyển. Các thuật giải xác định phân bố mật độ phân tử, phân bố nhiệt độ khí quyển từ các tín hiệu lidar đàn hồi và lidar Raman, tín hiệu lidar kết hợp đàn hồi-Raman sẽ được trình bày và thảo luận. Các giả thiết được sử dụng trong từng trường hợp xử lý tín hiệu lidar để thu được nhiệt độ, các yếu tố ảnh hưởng tới mật độ, nhiệt độ trong xử lý dữ liệu, các sai số gây ra cho phân bố nhiệt độ khí quyển từ phép đo lidar cũng được trình bày và 69 thảo luận chi tiết. Kết quả lidar sẽ được đánh giá độ tin cậy thông qua việc so sánh với kết quả của phép đo thám không vô tuyến hoặc mô hình khí quyển MSISE-90 tại cùng địa điểm và thời gian quan sát [45,49]. Trong tầng bình lưu mật độ của sol khí là rất thấp so với mật độ phân tử khí nên tán xạ Rayleigh của phân tử khí quyển đóng vai trò chi phối, vì vậy mật độ được xác định dựa vào tín hiệu lidar Rayleigh. Mật độ phân tử khí quyển có thể rút ra trực tiếp từ phương trình lidar đàn hồi bằng việc biến đổi phương trình lidar này. Vì chỉ thu được một thành phần tín hiệu lidar nên để xác định hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao của sol khí chúng ta phải dùng một giá trị tỉ số lidar tham khảo. Nồng độ ô zôn trong tầng bình lưu khí quyển tăng cao và đóng vai trò chính gây ra sự suy hao tín hiệu lidar do hấp thụ [67]. Vì không có phép đo trực tiếp nồng độ ô zôn ở tại địa điểm đo [47], nên hệ số hấp thụ của ô zôn ở bước sóng laser được xác định bằng việc sử dụng một phân bố mật độ phân tử ô zôn từ một nguồn dữ liệu tham khảo. Khi mở rộng xuống tầng đối lưu do mật độ sol khí tăng lên làm gia tăng sai số trong việc xác định mật độ phân tử nếu chúng ta chỉ sử dụng tín hiệu lidar đàn hồi để hiệu chỉnh sol khí. Trong vùng khí quyển này chúng ta có thể sử dụng tín hiệu lidar Raman để xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển. Mật độ phân tử khí Ni tơ được xác định trực tiếp từ việc biến đổi phương trình lidar Raman. Mật độ phân tử Ni tơ chiếm thành phần chi phối và khá ổn định trong khí quyển, nên chúng ta có thể giả sử mật độ phân tử khí Ni tơ có tỉ lệ không đổi so với mật độ phân tử khí quyển. Do việc xác định phân bố nhiệt độ dựa vào tỉ số của mật độ phân tử ở hai khoảng không gian liên tiếp nên giả thuyết trên không gây ra sai số đáng kể. Áp dụng phương pháp của A. Ansmann, tín hiệu Raman có thể được sử dụng để xác định hệ số suy hao của sol khí sau khi dùng một giá trị mật độ phân tử tham khảo, rồi hệ số suy hao này lại được dùng để xác định mật độ phân tử theo phương pháp lặp. Mặc dù tín hiệu tán xạ Raman không chứa tán xạ của sol khí nhưng trong trường hợp xuất hiện mây và nồng độ sol khí là đậm đặc thì chúng ta có thể gặp phải sai số lớn. Vì vậy, phân bố nhiệt độ xác định bằng phương pháp này nên được giới hạn ở vùng cao của tầng đối lưu. 70 Trong trường hợp kết hợp cả hai tín hiệu lidar đàn hồi và tín hiệu lidar Raman để xác định nhiệt độ khí quyển thì hiệu chỉnh tán xạ và suy hao của sol khí có thể được tính trực tiếp từ hai tín hiệu lidar trên. Trong trường hợp này, mật độ phân tử khí quyển được rút ra từ phương trình lidar đàn hồi và phân bố nhiệt độ có thể được rút ra trong tầng đối lưu. 3.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh 3.2.1 Xử lý dữ liệu lidar Tán xạ Rayleigh của phân tử trong khí quyển được dùng để xác định phân bố nhiệt độ bằng cách lấy tích phân phương trình thủy tĩnh của khí quyển kết hợp với phương trình khí lí tưởng. Kỹ thuật lidar Rayleigh đã trở nên hoàn toàn tin cậy và là kỹ thuật lidar chủ yếu xác định phân bố nhiệt độ khí quyển trong nghiên cứu tầng bình lưu [35,36,37]. Bởi vì trong tầng bình lưu, khí quyển tương đối ổn định nên giả thuyết cân bằng thủy tĩnh là đáng tin cậy. Trong tầng bình lưu mật độ sol khí là rất nhỏ nên đóng góp trong cường độ tán xạ ngược thường được bỏ qua trong một số trường hợp xác định nhiệt độ. Tuy nhiên trong luận án này tán xạ ngược và sự suy hao của sol khí vẫn được đánh giá do có khảo sát sự tồn tại sol khí trong tầng bình lưu sau các vụ phun núi lửa [11,12,16,26,27,60]. Việc đánh giá sự suy hao do hấp thụ ô zôn là nguồn sai số hệ thống chủ yếu do hầu hết các phép đo lidar nhiệt độ không có dữ liệu mật độ ô zôn trực tiếp để sử dụng. Đánh giá ảnh hưởng của hấp thụ ô zôn trong tầng bình lưu tới phép đo nhiệt độ bằng lidar đã được chỉ ra bởi J. R. Sica và đồng nghiệp [86]. Hầu hết các phép đo lidar Rayleigh sau này đều hiệu chỉnh sai số nhiệt độ theo cách này. Theo phương pháp này, một phân bố mật độ phân tử ô zôn tham khảo được dùng để hiệu chỉnh nhiệt độ và đối chiếu với việc không hiệu chỉnh, rồi sử dụng phương pháp làm khớp bình phương tối thiểu để tìm ra công thức toán học cho việc hiệu chỉnh nhiệt độ. Tuy nhiên phương pháp này không đánh giá được ảnh hưởng trực tiếp của hấp thụ ô zôn lên nhiệt độ bởi phân bố mật độ ô zôn là khác nhau tại các vị trí đo. Trong luận án này tác giả sử dụng một mật độ ô zôn tham khảo tại vị trí đo từ phép đo vệ tinh để hiệu chỉnh trong tính toán nhiệt độ. Mục này trình bày việc xử lí tín hiệu 71 lidar Rayleigh để rút ra phân bố mật độ phân tử và phân bố nhiệt độ, các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả nhiệt độ cũng như sai số hệ thống và ngẫu nhiên của nhiệt độ. 3.2.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ Hình 3.1 trình bày sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Rayleigh. Các file tín hiệu lidar Rayleigh thô (ban đầu) được lưu trữ trong máy tính thường được lấy trung bình trong khoảng thời gian 10 phút, tương ứng với số photon tán xạ ngược được chồng chất từ 6000 xung laser. Độ phân giải không gian ban đầu (khoảng không gian lấy trung bình tín hiệu lidar - range bin) được đặt ở giá trị 1.2 m. Mỗi file tín hiệu này phải được đánh giá độ tin cậy trước khi được dùng để rút ra các thông số Vật lý mô tả khí quyển. Tín hiệu lidar từ mỗi file được trừ đi tín hiệu phông, sau đó nhân với bình phương khoảng cách để thu được tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách. Tín hiệu phông được xác định bởi tín hiệu thu được ở đoạn xa nhất của phân bố tín hiệu, nơi mà chúng ta chắc chắn không có tín hiệu lidar. Vì tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách tỉ lệ thuận với mật độ phân tử khí quyển, nên chúng ta có thể đánh giá độ tin cậy của phân bố tín hiệu lidar thu được bằng việc so sánh nó với một phân bố mật độ phân tử tham khảo. Mật độ phân tử tham khảo này có thể nhận được từ mô hình khí quyển hoặc từ số liệu của phép đo thám không vô tuyến. Trong trường hợp lidar Rayleigh thì tín hiệu lidar bao phủ hết tầng bình lưu nên độ cao vượt quá của các phép đo của bóng thám không, vì vậy phân bố mật độ khí quyển từ mô hình thường được dùng để làm giá trị so sánh. Bởi vì mật độ phân tử khí quyển giảm theo độ cao nên phân bố tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách cũng phải giảm tương đối giống như giá trị của mật độ phân tử tham khảo. Thông thường chúng ta sử dụng thang lô ga rít cơ số tự nhiên để thuận tiện cho việc so sánh theo dạng biến đổi tuyến tính. Nếu phân bố tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách có xu hướng biến đổi đi ngang hoặc hướng lên thì file tín hiệu lidar này bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu sinh ra tín hiệu, trong trường hợp này file tín hiệu sẽ bị loại bỏ. Ngược lại file tín hiệu lidar biến 72 đổi tương đối đồng nhất với phân bố phân tử khí quyển tham khảo thì nó được chấp nhận cho việc xử lí số liệu. Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh. Các file tín hiệu lidar thô liên tiếp được lấy trung bình theo thời gian và không gian với nhau để tăng tỉ số tín hiệu /nhiễu. Số file liên tiếp được lấy trung bình phụ thuộc vào sự dung hòa giữa nhu cầu khảo sát và độ phân giải thời gian yêu cầu. Thêm vào đó, tỉ số tín hiệu /nhiễu của phép đo có thể tăng bằng cách lấy trung bình các khoảng không gian (range-bin) lại với nhau. Việc hy sinh độ phân giải không gian bao nhiêu phụ thuộc vào nhu cầu khảo sát với độ cao cực đại muốn đo. Thông thường độ phân giải thời gian và độ phân giải không gian được hy sinh đồng thời để tăng tỉ 73 số tín hiệu /nhiễu do tầng bình lưu khí quyển tương đối ổn định. Tín hiệu lidar sau khi được lấy trung bình theo thời gian và không gian được làm trơn bằng phin lọc bình phương tối thiểu theo thang logarit tự nhiên để làm giảm độ méo tín hiệu do sự phân rã nhanh của tín hiệu lidar theo độ cao. Sau đó, file tín hiệu lidar này sẽ được hiệu chỉnh hấp thụ bởi ô zôn bằng cách chia cho hệ số truyền qua một vòng khí quyển (round-trip) của ô zôn T2O3(z).Tiếp theo file tín hiệu lidar này sẽ được dùng để xác định hệ số dập tắt và hệ số tán xạ ngược của sol khí theo phương pháp Fernald đã được mô tả ở Chương 1. Hệ số tán xạ ngược của sol khí βaer(z) được dùng để xác định tỉ số tán xạ ngược tương đối Raer(z). Hệ số dập tắt của sol khí sẽ cho phép xác định hệ số truyền qua khí quyển một vòng của sol khí T2aer(z). Thừa số tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng Peff(z) được xác định sau khi hiệu chỉnh suy hao do tán xạ và dập tắt của sol khí và suy hao của ô zôn từ tín hiệu lidar đo được. Mật độ phân tử khí quyển được xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng theo phương trình (1.31) sau khi sử dụng một giá trị mật độ phân tử khí quyển tham khảo từ mô hình khí quyển tại một độ cao chuẩn hóa. Do lidar Rayleigh có thể bao phủ hầu hết tầng bình lưu nơi mà bóng thám không không thể đạt được, nên trong luận án này mật độ phân tử khí quyển từ mô hình MSISE-90 cùng ngày, cùng tọa độ được dùng làm giá trị của mật độ phân tử tham khảo. Độ cao được dùng để xác định giá trị của mật độ tham khảo thường được chọn tại vị trí mà tỉ số tín hiệu /nhiễu của phép đo lidar đủ lớn để giảm sai số do thăng giáng thống kê của tín hiệu lidar gây ra. Phương pháp Fernald được sử dụng để xác định hệ số tán xạ ngược βaer(z), rồi mật độ phân tử khí được xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng. Phân bố nhiệt độ khí quyển được tính từ phân bố mật độ khí quyển sau khi dùng một giá trị nhiệt độ tham khảo ở khoảng biên cao nhất. Trong luận án này giá trị nhiệt độ tham khảo cũng được lấy từ mô hình khí quyển MSISE-90 ở cùng ngày, cùng vị trí của phép đo. Cuối cùng các nguồn sai số gây ra cho xác định phân bố nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Rayleigh được xác định. 74 3.2.1.2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng Thừa số tín hiệu lidar Rayleigh hiệu dụng được xác định từ tín hiệu lidar đo được bằng cách hiệu chỉnh tán xạ và suy hao của sol khí, suy hao của ô zôn ở tầng bình lưu. Tín hiệu lidar hiệu dụng sẽ chỉ phản ánh tán xạ của phân tử khí quyển. Đầu tiên, suy hao của tín hiệu lidar Rayleigh gây ra bởi hấp thụ của ô zôn sẽ được xác định. Suy hao của ô zôn được xác định từ phân bố mật độ ô zôn, phân bố mật độ này cho phép xác định hệ số truyền qua một vòng khí quyển T2O3(z) của ô zôn. Tín hiệu sau đó được hiệu chỉnh bằng cách lấy tín hiệu lidar đo được chia cho hệ số truyền qua này. Sau đó tín hiệu lidar được hiệu chỉnh bởi ô zôn sẽ được dùng để xác định hệ số tán xạ ngược và hệ số dập tắt của sol khí. Các hệ số này cho phép xác định tỉ số tán xạ ngược sol khí Raer(z) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển của sol khí T2aer (z). Rồi tín hiệu lidar hiệu dụng Peff(z) được xác định theo công thức (1.40) sau khi hiệu chỉnh suy hao của sol khí và ô zôn từ tín hiệu lidar đo được P(z). Hình 3.2. Mật độ phân tử ô zôn (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển của ô zôn (b) tại tọa độ lân cận với Hà nội (nguồn: [47]). Trong tầng bình lưu, mật độ ô zôn tăng cao và gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong tầng khí quyển này. Ô zôn cũng gây ra sự suy hao của tín hiệu lidar do hấp thụ. Trong 75 các nghiên cứu lidar trước đây, hấp thụ của ô zôn thường được bỏ qua hoặc giả sử một giá trị sai số nào đó [9, 22, 58, 72], hoặc được hiệu chỉnh bằng toán học [86]. Tuy nhiên, việc hiệu chỉnh bằng toán học có thể gây ra sai số nhiệt độ lớn do phân bố ô zôn không phải là một hàm toán học. Mật độ ô zôn cũng chênh lệch đáng kể tại các tọa độ khác nhau trên trái đất. Vì vậy, trong luận án tác giả xác định hệ số truyền qua khí quyển một vòng của ô zôn T2O3(z) bằng cách sử dụng một phân bố mật độ ô zôn tham khảo từ phép đo khác tại vị trí của phép đo lidar. Hình 3.2 cho thấy một phân bố mật độ phân tử ô zôn và hệ số truyền qua khí quyển một vòng của ô zôn được sử dụng cho xử lí dữ liệu lidar Rayleigh. Mật độ phân tử ô zôn nhận được từ dữ liệu tham khảo thu được ở tọa độ lân cận với Hà nội. Phân bố mật độ ô zôn chỉ ra mật độ phân tử ô zôn chủ yếu tồn tại chính từ khoảng cách 15 km tới 40 km và đạt giá trị cực đại ở lân cận 25 km. Tương ứng chúng ta có thể nhận ra sự suy hao mạnh của tín hiệu lidar Rayleigh ở trong khoảng khí quyển này. Trong khoảng 15 km – 40 km hệ số truyền qua giảm mạnh từ khoảng 0.99 xuống còn gần 0.96 và trên 40 km thì biến đổi không đáng kể. Hình 3.3. 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. 76 Ảnh hưởng của hấp thụ ô zôn tới tín hiệu lidar Rayliegh trong tầng bình lưu được cho thấy trên Hình 3.3. Số photon tán xạ ngược trong một file lấy trung bình trong 10 phút với tỉ số tín hiệu /nhiễu lớn hơn 9 gia tăng đáng kể sau khi hiệu chỉnh hấp thụ của ô zôn (gần 600 photon tức là tương ứng với tỉ số tín hiệu /nhiễu có giá trị khoảng 25). Độ chênh lệch số photon tín hiệu giữa hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh sẽ giảm dần theo độ cao do sự suy giảm nhanh của tín hiệu lidar theo độ cao. Độ chênh lệch này sẽ ảnh hưởng đáng kể tới các giá trị tính toán sau này như: hệ số tán xạ ngược của sol khí, mật độ phân tử và nhiệt độ khí quyển rút ra từ tín hiệu lidar Rayleigh. Kết quả hiệu chỉnh hấp thụ ô zôn của tín hiệu Rayleigh cho thấy không thể bỏ qua hoặc giả sử bằng một hằng số hay là một hàm số. Trong các nghiên cứu nhiệt độ tầng bình lưu bằng các phép đo lidar trước đây, sự tồn tại của sol khí trong tầng bình lưu thường không được khảo sát và sai số nhiệt độ gây ra bởi sol khí thường được giả sử một giá trị nào đó [9, 22, 58, 72]. Tuy nhiên, sự tồn tại của sol khí trong tầng bình lưu sau sự phun núi lửa Pinatubo đã được các phép đo lidar trước khẳng định [11,12,16,26,27,60]. Ảnh hưởng của chúng vẫn được tiếp tục nghiên cứu cho đến tận ngày nay. Các kết quả xác định nhiệt độ trong luận án này đều hiệu chỉnh sự suy hao của sol khí và được thảo luận chi tiết. Tán xạ và dập tắt của sol khí trong tầng bình lưu được xác định theo phương pháp do Fernald đề xuất. Theo phương pháp này một tỉ số lidar Laer tham khảo cho sol khí tầng bình lưu và mật độ phân tử khí quyển tham khảo được sử dụng, sau đó hệ số tán xạ ngược βaer(z) được xác định từ tín hiệu lidar, rồi hệ số dập tắt của sol khí αaer(z) được xác định bằng cách nhân tỉ số lidar này với phân bố hệ số tán xạ ngược của sol khí. Sử dụng hệ số tán xạ ngược βaer(z) chúng ta có thể xác định tỉ số tán xạ ngược sol khí Raer(z) theo công thức (1.27) và sử dụng hệ số dập tắt αaer(z) chúng ta có thể xác định được hệ số truyền qua một vòng khí quyển gây ra bởi sol khí T2aer(z) theo công thức (1.29). Để loại bỏ sai số do giá trị mật độ phân tử khí quyển tham khảo trong phương pháp Fernald tác giả sử dụng phương pháp lặp. Trong bước thứ nhất, mật độ phân tử khí quyển tham khảo và tín hiệu lidar được ứng dụng để xác định hệ số tán xạ ngược, tỉ số tán xạ sol khí, hệ số truyền qua một vòng của sol khí. Ở bước thứ hai các giá trị 77 này được sử dụng để xác định mật độ phân tử từ tín hiệu lidar. Trong bước thứ ba mật độ phân tử mới từ tín hiệu lại được sử dụng để xác định giá trị của tỉ số tán xạ ngược tương đối và hệ số truyền qua của sol khí. Lặp lại bước thứ 2 và bước 3 các giá trị này sẽ đồng quy nhanh sau một vài bước lặp. Hình 3.4. Tỉ số tán xạ ngược sol khí Raer(z), sử dụng mật độ mô hình khí quyển (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar không lặp (mầu đỏ) và áp dụng phương pháp lặp (màu xanh). Hình 3.4 trình bày kết quả xác định tỉ số tán xạ ngược sol khí Raer(z) được xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh tại Hà nội. Giá trị đầu tiên (mầu đen) sử dụng mật độ phân tử mô hình khí quyển MSISE-90 để xác định, giá trị sau sử dụng mật độ phân tử được tính từ tín hiệu lidar không sử dụng phương pháp lặp (mầu đỏ) và sử dụng phương

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftv_nghien_cuu_va_phat_trien_ky_thuat_lidar_ung_dung_khao_sat_phan_bo_nhiet_do_va_mat_do_khi_quyen_77.pdf
Tài liệu liên quan