Luận văn Phát triển nguồn laser Nd : YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ lidar di động quan trắc mây ti tầng cao

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN. ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH. ii

DANH MỤC CÁC BẢNG . iv

DANH MỤC CÁC HÌNH .v

MỤC LỤC. vii

MỞ ĐẦU .1

CHƯƠNG 1: LASER Nd:YAG CÔNG SUẤT CAO.4

1.1. Tổng quan về laser rắn và các ứng dụng.4

1.1.1. Tổng quan về laser rắn .4

1.1.2. Ứng dụng laser rắn trong nghiên cứu.6

1.2. Mô hình laser Nd:YAG điều tần thụ động với buồng cộng hưởng Fabry-perot .7

1.2.1. Môi trường laser Nd:YAG .7

1.2.2. Tính toán lý thuyết cho laser Nd: YAG với buồng cộng hưởng Fabryperot. .8

CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ

THUẬT LIDAR.14

2.1. Cấu trúc khí quyển và vai trò của mây Ti .14

2.1.1 Cấu trúc khí quyển .14

2.1.2 Quá trình hình thành và vai trò của mây Ti .16

2.1.3. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu.26

2.2 Kỹ thuật Lidar .28

2.2.1. Khối phát.29

2.2.2. Khối thu.30

2.2.3. Kỹ thuật đo tương tự .32

2.2.4. Kỹ thuật đếm photon.33

2.3. Xử lý số liệu xác định các đặc trưng cơ bản của mây Ti .33

CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG ĐÃ

CHẾ TẠO VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG

HỆ LIDAR DI ĐỘNG.38

pdf74 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 302 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Phát triển nguồn laser Nd : YAG biến điệu độ phẩm chất buồng cộng hưởng thụ động tích hợp trong hệ lidar di động quan trắc mây ti tầng cao, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2]. Hạng mây Ký hiệu Độ cao trung bình chân mây ở vĩ độ trung bình (km) Tên gọi bằng tiếng việt Tiếng La tinh Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km) Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 - 1,5 Mây tầng Stratus St 0,05 - 0,5 Mây vũ - tầng Nimbostratus Ns 0,1 - 1,0 Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km) Mây tích Cumulus Cu 0,3 - 1,5 Mây vũ - tích Cumulonimbus Cb 0,4 - 1,0 Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km) Mây trung - tích Altocumulus Ac 2 - 6 Mây trung - tầng Altostratus As 3 - 5 Họ mây tầng trên (trên 6 km) Mây Ci Cirrus Ci 7 - 10 Mây Ti- tích Cirrocumulus Cc 6 - 8 Mây Ti- tầng Cirrotratus Cs 6 - 8 Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng dự đoán sự biến đổi khí hậu trong tương lai là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản. Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó diễn ra trong thời gian ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của Trái đất. Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do nguyên nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các đám mây...[2] 19 Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của Trái đất, đặc biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên cứu nhiều nhất. Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao quanh Trái đất cũng như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho phép chúng ta có thể dự báo sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như trên phạm vi toàn cầu trong một thời gian dài (hiện nay theo mô hình dự báo của NASA có thể dự báo thời tiết trước 32 tháng) [1, 2, 15]. Quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng trong việc dự báo thời tiết phục vụ hoạt động của con người trong đó có hoạt động liên quan mật thiết là vận chuyển đường không và đường thủy[1]. Chương trình quan sát mây bao gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao Để phân định đúng dạng mây cần Atlat mây chuyên dụng. Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi mô tả ngắn gọn về hình dạng các loại mây, đặc điểm của các loại mây thường gặp và trình bày chi tiết hơn về mây Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây Ti tới tầng khí quyển và các vấn đề khí hậu cũng như quá trình hình thành lớp mây này) [1, 2]. Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 18 km, sự hiện diện và vai trò của các lớp mây đối với Trái đất là rất quan trọng. Sự tồn tại của chúng và những hiểu biết đầy đủ về nó là vấn đề phức tạp cần nhiều công sức tìm hiểu và nghiên cứu chi tiết. Ở đây, tôi đưa ra những thông tin khái quát về các loại mây, sự hình thành và các đặc trưng vật lý cơ bản đối với mây Ti. Trong khoảng không gian thuộc tầng đối lưu và lớp dưới của tầng bình lưu, mây Ti tồn tại trong khoảng không từ mặt đất tới khoảng cách 18 km, được chia làm 3 phân tầng cơ bản và có những loại mây tương ứng như trong Hình 2.3. 20 Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [16, 2]. Phân tầng đầu tiên với độ cao dưới 2 km có hai hình thái mây cơ bản dạng đám (cumulus) và dạng tầng (stratus), chúng thường tồn tại ở thể dày, đặc hơn nhiều so với các lớp mây tại những phân tầng khác và được chia thành 5 loại khác nhau: Mây tầng tích, mây vũ tầng, mây tích, mây tầng và mây vũ tích [16, 2]: - Mây tầng tích (Stratocumulus - Sc): Có độ cao trung bình khoảng từ 300- 1000 m, là những lớp hoặc cuộn khá lớn. Những đám mây Sc nhỏ nhất có đường kính góc của chúng lớn hơn 5 độ và thường có màu xám, hợp thành từng đám, nhóm, đỉnh thường dẹt. Đám, màn hoặc lớp mây xám hoặc trắng nhạt, gần như bao giờ cũng có bộ phận tối, gồm những khối tròn, cuộn hình bàn cờ không có dạng sợi, đa số phần tử mây sắp xếp đều có bề rộng biến thiên lớn hơn 5 độ [16, 2]. Mây Ti(Cirrus) Mây Titích (Cirrocumulus) Mây Titầng (Cirrostratus) 21 Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2]. - Mây vũ tầng (Nimbostratus - Ns): Có độ cao trung bình khoảng từ 100- 1000km, có dạng là một lớp thấp hoàn toàn không định hình có màu xám, thường tối do nó khá dầy đủ để che khuất Mặt trời, mây này cho mưa thường liên tục nhưng không lớn. Mây Ns có dạng đều và thường nhìn thấy có cảm giác được chiếu sáng từ bên trong. Mây này hay gây mưa kéo dài, ở các vùng ôn đới chúng thường cho mưa tuyết. Mây Ns cũng gây ảnh hưởng đến tầm nhìn của hoạt động bay khi bay xuyên mây [2, 15, 16]. Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2]. - Mây tích (Cumulus - Cu), như hình 2.6: Có độ cao trung bình khoảng từ 300- 1500m, là những đám mây dày đặc khá tách biệt, phát triển đối lưu theo chiều thẳng đứng với những đỉnh hình vòm tròn, hoặc tháp với những chỗ lùi sùi lên trên tựa hoa cải và chân mây hầu như nằm ngang và tương đối đen. Mây Cu được cấu tạo bởi những giọt nước. Những phần đám mây được Mặt trời chiếu sáng có vẻ trắng sáng chói, ở phía đối diện thì đám mây tối. Thông thường đám mây có đường viền rõ nét và cho mưa rào. 22 Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19]. - Mây tầng (Stratus - St), như hình 2.7: Có độ cao trung bình khoảng từ 50- 500 m, là là một lớp mây đồng nhất không có đường viền nhất định, giống như sương mù được nâng lên trên mặt đất có màu xám. Mây này chủ yếu xuất hiện ở miền bắc Việt Nam và hình thành vào buổi sáng trong mùa đông và xuân, mây này cho mưa phùn ở miền bắc. Mây St gây trở ngại lớn cho tầm nhìn ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động bay ở tầng thấp. Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20] - Mây vũ tích (Cumulonimbus - Cb), như hình 2.8: Có độ cao trung bình khoảng từ 400-1000km, là những khối mây tích dày đặc có độ phát triển lớn, dữ dội theo chiều thẳng đứng, nhô lên thành hình những trái núi và những ngọn tháp cao đến hàng kilomet. Phần trên của mây Cb được cấu tạo bởi những tinh thể băng. Nhiều khi chúng có kiến trúc sợi dạng gọi là đe hoặc bó hoa. Mây Cb cho mưa lớn, mưa rào to và có kèm theo rông sấm chớp. Mây Cb gồm những hạt nước và riêng ở bộ phận trên bằng tinh thể đá. Mây vũ tích là loại mây nguy hiểm sinh ra mưa lớn và sấm sét ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của con người. 23 Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21] Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng chủ yếu là dạng đám và dạng tầng nhưng với kích thước nhỏ và mật độ các thành phần cấu thành thấp hơn nên chúng ta thấy “mờ” hơn những đám mây ở tầng thấp. Chúng được chia thành 2 loại: Mây trung tích và mây trung tầng - Mây trung tích (Altocumulus - Ac), như hình phía dưới: Độ cao trung bình mây này từ 2-6km so với mặt đất, mây trung tích gồm có một lớp rộng lớn, những khối cầu có khả năng kết hợp với nhau. Những mảng hoặc khối cầu này có thể biến đổi độ dày và màu sắc từ ánh sáng trắng đến xám đậm. Chúng có thể xuất hiện thành những mảng riêng biệt tương tự như mây Titích, nhưng nói chung có thể phân biệt chúng bởi những mảng riêng lẻ lớn hơn. Nếu mây trung tích sẫm lại và thấp hơn, thì nó có thể gây ra sấm sét và những cơn mưa rào, nhưng nó không mang đến thời tiết xấu kéo dài. Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21] - Mây trung tầng (Altostratus - As), như hình 2. 10: Độ cao trung bình mây này từ 3-5km, chúng xuất hiện với màu xám xám hoặc xanh xanh, dải hay màn có thớ. Khi Mặt Trời hoặc Mặt Trăng bị che khuất bởi những đám mây này, sẽ xuất hiện quầng chung quanh nó như thể nó được chiếu sáng xuyên qua kính mờ. Những quầng sáng không được tạo thành. Nếu những đám mây này sẫm lại và thấp hơn, hoặc nếu 24 thấp, những đám mây lướt nhanh qua hoặc những đám mây vũ tầng (Nimbostratus) tạo thành bên dưới nó, mưa hoặc tuyết rơi liên tục có thể xảy ra trong vòng vài giờ. Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19] Ở tầng trên cùng, độ cao trên 6 km và tính tới hết tầng đối lưu, sự hiện diện của mây Ti và phổ biến nhất là 3 hình dạng cơ bản: một dạng như là các lớp mỏng rất dài được gọi là mây Ti (Cirrus), một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ (Cirrocumulus) và dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus) [1]: - Mây Ti tích (Cirrocumulus - Cc): Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây Titích là một lớp hoặc những rặng gồm nhiều nắm nhỏ, lổn nhổn hoặc cầu trắng không có bóng. Đôi khi chúng có dạng những nếp răn hoặc vết gợn như trên bãi cát bờ biển. Mây Ti tích được cấu tạo bởi các tinh thể băng, mây này cũng không gây nguy hiểm, không ảnh hưởng đến hoạt động bay. Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22] - Mây Ti tầng (Cirrotratus - Cs), như trong hình 2.12: Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây Titầng có hình dạng giống như một màng mỏng trong suốt, trắng đục, đôi khi che phủ cả bầu trời. Nó được cấu tạo bởi tinh thể băng, không thể 25 nhìn thấy rõ rệt Mặt trời, Mặt trăng qua lớp mây này, mây này không ảnh hưởng đến tầm nhìn ngang cũng như không gây mưa. Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23]. - Mây Ti (Cirrus – Ci hay Ti): Độ cao trung bình khoảng từ 7-10 km, mây Ti (tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) là một kiểu mây có dạng đặc trưng là các dải mỏng, tương tự như nắm hay túm tóc hay đám lông vũ; thường được kèm theo là các búi hay chùm, hình đuôi ngựa. Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta không thể phân biệt được từng đám khác nhau bằng mắt thường. Bao giờ mây Ti cũng cấu tạo bởi những tinh thể băng, mây Ti không gây nguy hiểm cho hoạt động bay và không gây mưa [1, 2]. Hình 2.13: Một số hình ảnh về Mây Ti [2, 24]. 26 Trong điều kiện khí hậu Việt Nam có sự phân hóa rõ rệt về 3 miền khác nhau, do vậy việc quan sát mây Ti ở các miền là khác nhau. Khí hậu Miền Bắc có rất ít ngày trời trong, mây Ti chỉ có thể quan sát bằng mắt thường vào những ngày hè trời nắng bầu trời trở nên trong xanh và có lẽ dễ quan sát hơn cả là vào những thời điểm sau các cơn mưa rào. Còn đối với Miền Trung và Miền Nam, số ngày nắng nóng tương đối nhiều trong năm, nên có nhiều ngày trời trong và cơ hội quan sát thấy mây Ti sẽ nhiều hơn. Theo các kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiện diện của mây Ti là phổ biến và mật độ bao phủ của chúng trên bề mặt khí quyển Trái đất là khoảng 30% [1]. Do đó mây Ti tầng cao sẽ đóng vai trò quan trọng đảm nhiệm chức năng hấp thụ bức xạ nhiệt từ Trái đất và phản xạ bức xạ đi tới từ Mặt trời. Vì thế, mây Ti trở thành tấm áo ngoài của tầng đối lưu đóng vai trò bảo vệ Trái đất và có ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của Trái đất. Mây Ti được hình thành khi hơi nước đóng băng thành các tinh thể băng tại các cao độ trên 6.000 m, ở độ cao đó nhiệt độ thường dưới 0oC. Do độ ẩm khá thấp tại các cao độ lớn nên các lớp mây Ti có xu hướng là rất mỏng. Ở cao độ này, các máy bay đi qua thường để lại các dấu vết ngưng tụ (khói thải ra hoặc chính là sự biến động của khối khí để lại sau khi máy bay đi qua) mà chúng có thể chuyển thành mây Ti. Điều này xảy ra khi khí nóng thoát ra có chứa nước và hơi nước đó bị đóng băng, để lại dấu vết nhìn thấy. Các vệt dấu vết này có thể ở dạng thẳng khi không có sự nhiễu loạn đột ngột, khi có sự nhiễu loạn đột ngột vì nguyên nhân nào đó sẽ làm cho mây xuất hiện dưới dạng móc cong hay dấu phẩy (Cirrocumulus), hay một mớ lộn xộn - chỉ thị về nhiễu loạn ở mức cao [1, 2]. 2.1.3. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lưu Tồn tại ở lớp trên cùng của tầng đối lưu, từ độ cao trên 6 km, Mây Ti xuất hiện ở khắp nơi trên bề mặt Trái đất, tất cả các vĩ độ cả trên đất liền và đại dương, và có ở tất cả các mùa trong năm. Theo nhiều nghiên cứu thống kê thì tổng diện tích bao phủ của loại mây này chiếm khoảng 30% tổng diện tích bề mặt của khí quyển Trái đất. Mây Ti biến đổi liên tục về hình dạng, kích thước, kết cấu và vị trí. Mây Ti đóng vai 27 trò hấp thụ năng lượng bức xạ nhiệt (vùng bước sóng dài) từ mặt đất - tạo hiện tượng nhà kính, đồng thời phản xạ những bức xạ nhận từ phía Mặt trời. Sự phản xạ, hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào quy mô, vị trí, độ dày và kích thước và hình dạng các tinh thể băng. Như vậy, đóng vài trò lớp áo ngoài cùng bảo vệ Trái đất, tầng mây Ti luôn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình bức xạ năng lượng xảy ra ở lớp khí quyển tầng thấp của Trái đất. Với sự che phủ của mây Ti khoảng 30% bề mặt toàn bộ trái đất, thể hiện vai trò và sự ảnh hưởng lớn của mây Ti trong tầng đối lưu. Ở các vùng nhiệt đới, các kết quả đo đạc cho thấy sự che phủ của mây Ti lên tới 70% [1, 2]. Hình dạng của các tinh thể băng trong mây Ti tương đối phong phú: hình trụ (đặc hoặc rỗng), dạng tấm, dạng hoa hồng, hay hỗn hợp với kích thước từ hàng chục micromet đến hàng ngàn micromet. Ở vùng nhiệt đới mây Ti có thể mở rộng đến độ cao 15 - 18 km, kích thước của các tinh thể băng khi đó khá lớn khoảng từ 10- 2000 µm, kích thước tinh thể băng lớn có liên quan đến nhiệt độ cao hơn, các giai đoạn phát triển của đám mây phụ thuộc vào quá trình đối lưu. Ở vùng ôn đới, các tinh thể băng có kích thước nhỏ hơn vùng nhiệt đới. Ở Bắc cực các tinh thể băng có kích thước lớn hơn 40 µm, còn ở Nam cực kích thước của tinh thể băng cũng nhỏ hơn nữa. Như vậy, kích thước tinh thể băng trong mây Ti có sự thay đổi đáng kể khi đi từ vùng nhiệt đới đến các những vùng cực, khi nhiệt độ càng lớn kích thước tinh thể băng càng lớn và ngược lại. Điều này cũng khá dễ hiểu bởi năng lượng Mặt trời cung cấp cho quá trình đối lưu và lượng hơi nước ở vùng xích đạo dồi dào hơn, do đó quá trình hình thành mây diễn ra mạnh mẽ và nhanh hơn. Vì đó mà kích thước và trữ lượng của hơi nước đóng góp trong các tinh thể băng là lớn hơn. Ngoài sự khác nhau về kích thước, hình dạng của các tinh thể băng của mây Ti tại các vùng khác nhau. Thông qua phép đo tán xạ ngược của kỹ thuật Lidar và quan sát sự phân cực qua vệ tinh đã cho thấy sự phong phú về hình dạng và kích thước của các tinh thể băng trong mây Ti sẽ thay đổi theo các vùng khác nhau. Qua đó cũng cho thấy có mối quan hệ mật thiết giữa hình dạng và kích thước của các tinh thể băng trong mây Ti với khí hậu tại địa phương [1, 2]. 28 Độ cao, độ dày, mật độ che phủ của mây Ti và những đặc trưng vi mô của mây như: mật độ tinh thể băng, hàm lượng nước và kích thước hạt tinh thểsẽ là những thông số quan trắc có nhiều ý nghĩa đánh giá về mức độ ảnh hưởng của lớp mây Ti đối với các đối tượng còn lại trong tầng đối lưu và có ý nghĩa với đối với mô hình dự báo thời tiết [1, 2]. Vì vậy, mây Ti đóng vai trò là mắt xích của chu trình tuần hoàn nước, là đối tượng mang năng lượng lớn nhất có được từ năng lượng bức xạ của Mặt trời do đó hoạt động của mây Ti giữ vai trò thúc đẩy quá trình biến đổi năng lượng bức xạ tiếp theo xảy ra trong khí quyển. Những đặc trưng của mây Ti cho phép xây dựng nên mô hình dự báo sự thay đổi thời tiết cho từng khu vực cũng như biến đổi khí hậu của Trái đất [1, 2]. Sự tồn tại một lượng lớn mây Ti có thể là dấu hiệu cho sự tới gần của hệ thống giông hay nhiễu loạn không khí ở phía trên. Điều này thường có nghĩa là thời tiết sẽ thay đổi, nói chung dễ trở nên có giông tố hơn trong phạm vi 24 giờ. Mây Ti cũng có thể là dấu tích sót lại của giông tố. Một màn chắn lớn gồm cả mây Ti (lớp ngoài trên 6 km) và mây Ti tầng (trong phân tầng thứ hai với độ cao từ 2 – 6 km) thường là sự xuất hiện của những khối khí đối lưu với tốc độ cao của các cơn bão mạnh [1, 2]. 2.2 Kỹ thuật Lidar Hệ Lidar khảo sát mây Ti tầng cao do Viện Vật lý xây dựng sử dụng quan trắc tại Hà Nội có sơ đồ khối nguyên lý thể hiện trong Hình 2.14. Hệ Lidar có thể ghi nhận tín hiệu đàn hồi đối với bức xạ kích thích tại bước sóng 532 nm, 1064 nm và ghi nhận tín hiệu tán xạ phi đàn hồi của Nitơ tại bước sóng 607 nm ứng với dịch huyển Raman dao động quay khi kích thích bằng bước sóng 532 nm. Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi sử dụng laser có bước sóng kích thích 532nm và chủ yếu ghi nhận tín hiệu loại tán xạ đàn hồi tại bước sóng đó. 29 Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ Lidar xây dựng tại Viện Vật lý [1]. Ghi nhận tín hiệu quang yếu có thể sử dụng các photodiode, các ống nhân quang điện (PMT) hay các diot quang kiểu thác lũ (APD). Với các PMT hay các APD hoạt động trong chế độ Geiger có thể ghi nhận từng photon đơn lẻ, độ nhạy của đầu thu là rất cao. Kỹ thuật đếm photon độ nhạy cao và được sử dụng khi tín hiệu tán xạ ngược về yếu, ví dụ trong trường hợp cường độ tán xạ yếu (hiệu ứng tán xạ Raman) hay như trong trường hợp vùng cần nghiên cứu ở khoảng cách quá xa. Số photon đếm được trong một đơn vị thời gian sau khi xung laser phát đi được ghi nhận lại thấp. Đối với xung laser có độ rộng là ∆t khi đó độ phân giải không gian tương ứng là ∆R = c.∆t/2 với c là vận tốc ánh sáng trong môi trường quan trắc, và hệ số ½ là do ánh sáng đi một vòng gồm cả chiều đi và chiều trở lại. Ví dụ đối với các tín hiệu được ghi nhận từ xung laser có độ rộng là 100 ns khi đó độ phân giải không gian tương ứng sẽ là 15 m. Tùy thuộc đối tượng khảo sát và yêu cầu của thông số quan trắc mà độ phân giải không gian cần đạt tới độ chính xác là không giống nhau. 2.2.1. Khối phát 30 Cấu trúc của hệ Lidar phân cực, Raman nhiều bước sóng thể hiện trong hình 2.14. Khối phát của hệ Lidar là chùm tia laser đi qua một bản λ/2 cho phép điều chỉnh phương phân cực của chùm tia phát, bản phân cực này sẽ được sử dụng để chuẩn trực 2 kênh trong quá trình thiết lập hệ đo ở chế độ thu nhận tín hiệu phân cực. Tia laser đi qua bản phân cực sẽ được chuyển hướng từ phương ngang thành phương thẳng đứng nhờ một gương phẳng đặt nghiêng 45o. Bảng 2.4: Các thông số đặc trưng khối phát của hệ Lidar Raman nhiều bước sóng [1]. ĐẶC TRƯNG KHỐI PHÁT Bước sóng phát 532 nm Ý nghĩa Tần số 10 Hz Tần số phát xung của laser Góc mở của tia laser 0,5 mrad Xét tại vị trí năng lượng bằng 1/e2 năng lượng đỉnh xung, tương ứng 85% tổng năng lượng chùm tia Đường kính chùm 6 mm Xét tại trường gần của chùm tia laser Tỉ số phân cực chùm > 90% Theo phương đứng Tính hội tụ chùm < 2 Giới hạn nhiễu xạ thời gian tại mức cường độ 1/e2 đỉnh xung. Tính không gian 0,7 0,95 Theo phân bố Gauss (đối với trường gần 1m) Đối với trường xa cách 2m Năng lượng xung 180 mJ Sử dụng đầu đo công suất Năng lượng đỉnh ±4 (1,3) Độ dịch năng lượng ±3% Do yếu tố nhiệt độ BCH gây ra Độ rộng xung ~4 ns FWHW, sử dụng diode nhanh 1GHz Độ rộng vạch 1,4 cm-1 Sử dụng phổ kế cách tử với độ chính xác: 0,045cm-1 Độ Jitter ± 0,5 ns So sánh với trigger và lấy trung bình của 500 xung Tính ổn định điểm < 50 mrad Sử dụng Spiricon LBA-100 đo với 200 xung tại mặt phẳng tiêu của thấu kính f = 2m 2.2.2. Khối thu 31 Trong Hình 2.15 là hệ Lidar phức hợp được xây dựng và phát triển tại Viện Vật lý năm 2010 sử dụng laser công suất cao hoạt động ở bước sóng họa ba bậc hai 532 nm. Với khối thu có thể hoạt động ở cả hai chế độ tương tự và đếm photon trên tất cả 4 kênh đo hoạt động độc lập và đồng thời: kênh đo trường gần sử dụng telescope 100 mm, kênh đo Raman Nitơ và hai kênh phân cực đo tín hiệu đàn hồi thu nhận từ telescope 250 mm. Với mục đích khảo sát của hệ có thể đồng thời khảo sát đối tượng ở trường xa nhờ sử dụng telescope đường kính 250 mm kết hợp sử dụng telescope đường kính 100 mm khảo sát đối tượng trường gần. Telescope nhỏ quan trắc trường gần được đặt cách chùm laser (30 cm) gần hơn so với telescope lớn (cách chùm laser 80 cm) đo trường xa. Khoảng cách giữa ống kính quang học và chùm laser sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới hàm chồng chập và có tác dụng giảm tín hiệu trường gần trong trường hợp muốn quan trắc đối tượng ở xa. Trong hệ quang thu nhận chúng tôi thiết kế hệ ở chế độ thu tín hiệu Raman kết hợp với phép đo tín hiệu đàn hồi trên 2 kênh phân cực của son khí trường xa và tín hiệu đàn hồi trên son khí trường gần [1]. Hình 2.15: Hình ảnh hệ Lidar sử dụng laser Nd: YAG bao gồm: kính thiên văn, khối phát laser và máy tính ghi nhận dữ liệu [1]. Khối thu của hệ Lidar: gồm một ăng ten quang học (telescope) cho phép thu nhận tín hiệu quang với bước sóng lọc lựa nhờ một phin lọc tại bước sóng mong muốn với độ rộng băng thông thường dưới 3 nm. Tiếp đó tín hiệu quang được chia thành hai chùm với phương phân cực vuông góc với nhau, một phương song song với phương phân cực của chùm tia laser phát và một chùm có phương phân cực vuông Telescope 100mm Laser beam 532nm Gương PMT Bản λ/2 Laser YAG.Nd: 2ω Nguồn nuôi Máy tính ADC Telescope 250 mm 32 góc với phương phân cực của chùm tia phát. Sau đó tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua hai PMT hoạt động tại bước sóng 532 nm và sau đó chuyển sang tín hiệu số nhờ một dao động ký kết nối qua cổng USB với máy tính, nhờ chương trình ghi nhận, được lập trình bằng ngôn ngữ Labview cho phép lưu dữ dưới dạng file .txt. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của khối thu được trình bày trong Bảng 2.5. Bảng 2.5: Các thông số đặc trưng khối thu của hệ Lidar Raman& đàn hồi [1]. ĐẶC TRƯNG KHỐI THU Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC Hãng sản xuất Meade - USA Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Khẩu độ f/10 Đường kính 203.2 mm ĐẶC TRƯNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN Đầu thu PMT Hamamatsu R7400U- hoạt động cả ở chế độ tương tự và đếm photon kênh 532 nm ĐẶC TRƯNG BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH GHI NHẬN VÀ XỬ LÝ ADC 12 bit Picoscope 4000 series 3 kênh tốc độ lấy mẫu 20 Ms/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB Chương trình ghi tín hiệu Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt, có hai chế độ hoạt động: tương tự và đếm photon Chương trình xử lý tín hiệu Matlab Xử lý tín hiệu từ file .txt thông qua các chương trình sử dụng hàm nhúng tìm các đặc trưng quang học 2.2.3. Kỹ thuật đo tương tự 33 Trong trường hợp tín hiệu quang tới PMT với mật độ photon trên một đơn vị thời gian lớn thì các electron quang điện phát ra từ cathode tỉ lệ và rất lớn. Khi đó, khoảng thời gian trung bình giữa các xung là hẹp hơn độ rộng của các xung hoặc mạch xử lý tín hiệu không đủ nhanh thì các xung sẽ chồng chập lên nhau và dòng điện tử cuối cùng chúng ta thu được trên anode sẽ là liên tục khác không, khi đó PMT hoạt động ở chế độ tương tự (analog mode). Tín hiệu thu được ở lối ra là sự chồng chập cả những xung tín hiệu và xung nhiễu [1]. 2.2.4. Kỹ thuật đếm photon Khi ánh sáng tới có cường độ thấp coi như các photon bay tới cathode là tách biệt, khi đó xung điện tương ứng là tín hiệu ra ở anode cũng sẽ rời rạc, hệ đếm hoạt động ở chế độ đếm xung riêng biệt - chế độ đếm photon. Số xung tín hiệu ra tỉ lệ trực tiếp với số lượng photon tín hiệu tới. Chế độ đếm photon có những ưu điểm vượt trội hơn chế độ tương tự bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ ổn định cao hơn. Việc xác định các xung này thông qua một quá trình xử lý số nên chế độ đếm photon được xem như một chế độ số [1]. Hệ lidar hoạt động ở chế độ tương tự được áp dụng với các phép đo thực hiện trong điều kiện ban ngày, khi cường độ nhiễu nền lớn, đồng nghĩa công suất phát laser phải lớn. Ngược lại khi hệ hoạt động ở chế độ đếm photon sẽ chỉ áp dụng quan trắc khí quyển ở điều kiện nền nhiễu thấp, vào thời gian không có Mặt trời, công suất laser nhỏ và ống nhân quang điện (PMT) hoạt động ở chế độ có hệ số khuếch đại lớn cỡ x106. Ưu điểm nổi trội của kỹ thuật lidar đếm photon đã được khẳng định (về độ nhạy, khả năng giảm nền nhiễu, tăng chất lượng tín hiệu đo, khoảng xa có thể quan trắc được) vì lý do đó hầu hết các hệ Lidar đời mới hiện này đều hoạt động ở chế độ đếm photon. Vậy câu hỏi đặt ra là làm sao có thể nâng cấp để hệ đo có thể hoạt động ở chế độ đếm photon trong điều kiện nền nhiễu lớn? Để trả lời câu hỏi đó chúng ta có thể cải tiến cơ cấu quang hệ thu nhận. Bằng cách giảm nền nhiễu bằng phin lọc trung tính. Khi giảm nền nhiễu đồng nghĩa cũng sẽ giảm cường độ tín hiệu, vậy chúng ta sẽ đồng thời phải tăng cường độ laser kích thích thì mới có thể thỏa mãn cả hai điều kiện trên [1]. 2.3. Xử lý số liệu xác định các đặc trưng cơ bản của mây Ti 34  Xác định độ cao đỉnh, đáy lớp mây Ti tầng cao Trong thực nghiệm có nhiều phương pháp để xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt cũng như độ cao của lớp mây Ti tầng cao. Một trong các phương pháp phổ biến là: phương pháp đạo hàm – gradient, đưa ra bởi nhóm tác giả Flamant [28, 29], phương pháp phân tích sự thay đổi được đưa ra bởi nhóm Hooper and Eloranta [3

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_phat_trien_nguon_laser_nd_yag_bien_dieu_do_pham_cha.pdf
Tài liệu liên quan