Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý với tiêu đề "Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển" do nghiên cứu sinh Bùi Văn Hải thực hiện tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đinh Văn Trung và GS. Nguyễn Đại Hưng, chuyên ngành Quang học (mã số: 62 44 11 01), bảo vệ năm 2014.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Son khí (aerosol) trong khí quyển bao gồm các hạt vật chất thể rắn hoặc lỏng lơ lửng như bụi, khói, sương mù, phấn hoa và tinh thể băng, có kích thước từ 0,01 µm đến vài chục micromét. Dù chiếm tỷ phần thể tích nhỏ, son khí chi phối trực tiếp đến quá trình cân bằng bức xạ mặt trời, chất lượng không khí, tầm nhìn xa, sự hình thành mây và các biến đổi vi khí hậu. Trong khi đó, mây Ti (Cirrus) ở tầng đối lưu cao bao phủ từ 30% đến 70% diện tích bề mặt Trái Đất, giữ vai trò phản xạ bức xạ sóng ngắn từ Mặt Trời và giữ lại bức xạ sóng dài từ mặt đất.

Tại Việt Nam, việc quan sát các tham số quang học và cấu trúc thẳng đứng của son khí tầng thấp cũng như mây Ti tầng cao trước đây chủ yếu phụ thuộc vào phương pháp thám không vô tuyến (radiosonde) hoặc ảnh vệ tinh viễn thám, vốn có hạn chế về độ phân giải không gian và thời gian. Kỹ thuật lidar (Light Detection and Ranging) là phương pháp viễn thám chủ động sử dụng nguồn laser có độ đơn sắc và độ định hướng cao, cho phép đo đạc với độ phân giải thời gian cỡ nano giây và không gian cỡ đề-xi-mét. Tuy nhiên, rào cản về chi phí trang thiết bị và độ phức tạp kỹ thuật khiến việc xây dựng hệ đo lidar phục vụ nghiên cứu khí quyển tại Việt Nam chưa được triển khai đầy đủ. Luận án giải quyết khoảng trống thực nghiệm này bằng cách tự thiết kế, tích hợp và vận hành các hệ lidar chuyên dụng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Hà Nội.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Nghiên cứu, xây dựng và phát triển một hệ lidar tích hợp ghi nhận tín hiệu tán xạ Raman và tín hiệu tán xạ đàn hồi theo hai kênh phân cực, có khả năng khảo sát tới độ cao trên 20 km, hoạt động đa kênh ở cả chế độ đo tương tự (analog) và chế độ đếm photon (photon counting). Từ dữ liệu thu nhận, xác định các tham số vật lý đặc trưng của son khí trong miền quan trắc.
  2. Áp dụng lý thuyết tán xạ đàn hồi và tán xạ Raman để xây dựng chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ lập trình Matlab nhằm xử lý dữ liệu từ hệ lidar Raman đa kênh, xác định các thông số vật lý đặc trưng của son khí trong khí quyển tại thành phố Hà Nội.
  3. Xây dựng cơ sở dữ liệu quan trắc khí quyển tại Hà Nội tới độ cao trên 20 km, tạo lập kênh tín hiệu độc lập cho phép đối sánh, nâng cao năng lực theo dõi và nghiên cứu môi trường, khí quyển.
  4. Khai thác cơ sở dữ liệu quan trắc để xác định các đặc trưng vật lý cơ bản của lớp son khí trong khí quyển Hà Nội, bước đầu đánh giá và so sánh với các kết quả quan trắc trong khu vực và trên thế giới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các đặc trưng quang học và cấu trúc vật lý của lớp son khí tầng thấp (lớp biên khí quyển, lớp son khí tự do) và mây Ti tầng cao; cơ sở lý thuyết tán xạ đàn hồi (Rayleigh, Mie), tán xạ phi đàn hồi Raman; kỹ thuật phần cứng quang điện tử của hệ lidar Raman phân cực và hệ lidar laser diode nhỏ gọn; các thuật toán xử lý tín hiệu lidar số.
  • Phạm vi không gian: Cột khí quyển thẳng đứng từ mặt đất lên độ cao trên 20 km (bao trùm tầng đối lưu và phần dưới tầng bình lưu) tại khu vực thành phố Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu, lắp ráp hệ đo và thu thập chuỗi số liệu thực nghiệm được tiến hành liên tục từ năm 2009 đến năm 2012, với các đợt quan trắc tập trung chuyên sâu trong năm 2011 và năm 2012.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong văn bản

Tác giả điểm lại sự phát triển của kỹ thuật viễn thám quang học từ khi nguồn phát xạ kích thích laser ra đời đầu thập niên 1960 (Maiman [31], Schawlow và Townes [103]), dẫn tới sự hình thành kỹ thuật lidar phục vụ khí tượng và vật lý khí quyển (Measures [108], Wandinger [116], Weitkamp [117]).

Về cấu trúc nhiệt động lực và động lực học lớp biên khí quyển, luận án trích dẫn định nghĩa và mô hình phân tầng của Stull (1988) [107] trong công trình "An introduction to boundary layer meteorology", phân tích các quá trình đối lưu nhiệt, chuyển động loạn lưu, sự hình thành lớp pha trộn (mixing layer), miền cuốn theo (entrainment zone) và lớp bề mặt đối lưu (CBL). Về cấu trúc thành phần khí quyển và phân loại mây, tác giả tham chiếu các quy chuẩn của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) [68, 70] cùng mô hình khí hậu cộng đồng CCM3 của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR).

Về kỹ thuật đo đạc khí quyển, văn bản tổng thuật 5 kỹ thuật quan trắc mây Ti truyền thống: radar bước sóng 8,6 mm; ẩm kế điểm sương gắn bóng thám không; kinh vĩ quang học kết hợp máy bay; cảm biến vệ tinh viễn thám như thiết bị đo tổng lượng ozone TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) [63]; và kỹ thuật lidar [68]. Đồng thời, tác giả tổng hợp lý thuyết tương tác bức xạ của Bucholtz [22], Collis và Russell [33], McCartney [104], Kovalev và Eichinger [112] đối với tán xạ Rayleigh, Mie và Raman trên phân tử khí và các sol khí.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình quốc tế đã phát triển nhiều hệ thống lidar mặt đất và di động, nhưng việc chuyển giao hay nhập khẩu nguyên hệ thống có giá thành cao, khó thích ứng hoàn toàn với điều kiện thời tiết nóng ẩm đặc thù tại Việt Nam. Hơn nữa, dữ liệu viễn thám quang học về cấu trúc thẳng đứng của son khí và mây Ti trên vùng trời Hà Nội trước năm 2009 gần như chưa có số liệu đo đạc liên tục bằng thiết bị lidar đặt tại chỗ. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách tự chủ thiết kế cả phần cứng (quang học, vi điện tử, làm lạnh cảm biến) lẫn phần mềm giải tích số để xây dựng chuỗi số liệu thực nghiệm tại trạm Viện Vật lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Luận án xây dựng trên các lý thuyết tương tác bức xạ ánh sáng với môi trường vật chất khí quyển:

  • Cấu trúc phân tầng khí quyển theo nhiệt độ:
    • Tầng đối lưu (Troposphere, 0–11 km; kết thúc bởi lớp đối lưu hạn Tropopause).
    • Tầng bình lưu (Stratosphere, 11–50 km; kết thúc bởi lớp bình lưu hạn Stratopause).
    • Tầng trung gian (Mesosphere, 50–80 km; kết thúc bởi lớp mezon hạn Mesopause).
    • Tầng nhiệt (Thermosphere, 80–800 km; kết thúc bởi lớp nhiệt hạn Thermopause).
    • Tầng khí quyển ngoài (> 800 km). Khoảng 50% khối lượng khí quyển tập trung dưới 5 km, 75% dưới 10 km và 90% dưới 16 km. Mật độ phân tử khí giảm theo hàm mũ theo độ cao.
Thành phần khí Khối lượng phân tử (đvC) Nồng độ trong khí quyển
Ni-tơ ($N_2$) 28 78,08%
Ô-xy ($O_2$) 32 20,95%
Ác-gông ($Ar$) 40 0,09%
Hơi nước ($H_2O$) 18 Biến đổi
Khí các-bô-níc ($CO_2$) 44 380 ppm
Nê-ôn ($Ne$) 20 18 ppm
Hê-li ($He$) 4 5 ppm
Mê-tan ($CH_4$) 16 1,57 ppm
Hi-đrô ($H_2$) 2 0,5 ppm
Ni-tơ ô-xít ($N_2O$) 56 0,3 ppm
Ô-dôn ($O_3$) 48 0 – 12 ppm

  • Lý thuyết tán xạ ánh sáng:

    • Tán xạ Rayleigh: Tán xạ đàn hồi xảy ra trên các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng kích thích ($\lambda$), tiết diện tán xạ tỷ lệ nghịch với $\lambda^4$.
    • Tán xạ Mie: Tán xạ đàn hồi trên các hạt son khí có kích thước tương đương hoặc lớn hơn bước sóng ($x = 2\pi r/\lambda$).
    • Tán xạ Raman: Tán xạ phi đàn hồi trên các phân tử khí ($N_2, O_2, H_2O$), tạo ra sự dịch chuyển mức năng lượng dao động - quay với số sóng dịch chuyển đặc trưng khi kích thích ở bước sóng 532,1 nm.

  • Phương trình lidar và các tham số quang học trích xuất:

    • Tín hiệu lidar chuẩn hóa theo khoảng cách $P(z)z^2$.
    • Hàm chồng chập hình học (Overlap Function - OF) giữa chùm phát laser và trường nhìn kính thiên văn thu.
    • Hệ số suy hao son khí ($\alpha_{aer}$) và hệ số tán xạ ngược son khí ($\beta_{aer}$).
    • Tỉ số lidar (Lidar Ratio, $S = \alpha/\beta$).
    • Tỉ số khử phân cực ($\delta = P_{\perp}/P_{\parallel}$), xác định trạng thái hình học phi cầu của hạt tinh thể băng trong mây.

Phương pháp thực nghiệm và công cụ kỹ thuật

Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm vật lý kết hợp mô hình hóa giải tích số:

  1. Hệ lidar Raman nhiều bước sóng (nguồn Nd:YAG):
    • Nguồn phát: Laser Nd:YAG phát các bước sóng 1064 nm và 532 nm.
    • Khối thu: Kính thiên văn thu gom photon tán xạ; bộ tách chùm phân cực và cách tử phân ly bước sóng; đầu thu ống nhân quang điện (PMT series Hamamatsu R7400U, H6780, H6780-20) hoạt động ở cả chế độ đo tương tự (đo son khí mật độ cao tầng thấp) và chế độ đếm photon (đo tín hiệu yếu tầng cao và kênh tán xạ Raman).
  2. Hệ lidar diode nhỏ gọn (nguồn bán dẫn 905 nm):
    • Nguồn phát: Chip mảng laser diode Osram SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm.
    • Khối thu: Đầu thu photodiode thác lũ Si APD (Hamamatsu S9251-15) tích hợp mạch dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger, được làm lạnh sâu tới -20°C, hút ẩm khép kín nhằm giảm thiểu dòng tối.
    • Thu nhận dữ liệu: Module đếm photon đa kênh kết nối máy tính qua giao diện phần mềm viết bằng LabVIEW.
  3. Thuật toán và công cụ tính toán số:
    • Xây dựng chương trình tính toán trên môi trường Matlab để xử lý phương trình lidar đàn hồi (thuật toán Fernald-Klett) và phương trình lidar Raman (tính trực tiếp hệ số suy hao mà không cần giả định tỉ số lidar).
    • Phương pháp xác định đỉnh lớp son khí bề mặt bằng gradient đạo hàm bậc nhất của tín hiệu chuẩn hóa và cực tiểu hàm $H(z)$.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Dữ liệu thô từ hệ đo lidar Nd:YAG và lidar diode đặt tại Trung tâm Điện tử học lượng tử, Viện Vật lý (Hà Nội).
  • Chuỗi số liệu thám không vô tuyến (radiosonde) về nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và độ cao đối lưu hạn thu nhận từ Trung tâm Viễn thám Quốc gia.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Cơ sở lý thuyết khảo sát các đặc trưng vật lý của son khí trong khí quyển trái đất

Chương này trình bày tổng quan cấu trúc vật lý của khí quyển Trái Đất, phân tích quy luật phân bố mật độ và nhiệt độ theo độ cao đến 100 km. Tác giả phân tích cơ chế hình thành và biến động của lớp son khí tầng thấp, bao gồm lớp son khí bề mặt (ABL/CBL) chịu tác động mạnh bởi chu trình nhiệt ngày - đêm và lớp son khí tự do (nằm trên lớp bề mặt đến khoảng 5 km).

Văn bản làm rõ vai trò của son khí đối với cân bằng nhiệt bức xạ: các hạt sulfate từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch gây hiệu ứng làm mát khí quyển, trái ngược với xu hướng làm ấm của $CO_2$; các hạt bụi mịn kích thước 0,1–1 µm tác động trực tiếp đến sức khỏe hô hấp. Tiếp đó, tác giả phân tích cơ chế hình thành mây Ti ở độ cao trên 6 km do hơi nước đóng băng thành tinh thể băng, hệ thống hóa bảng phân hạng 10 loại mây theo WMO và đánh giá vai trò của mây Ti như lớp điều hòa bức xạ. Phần cuối chương trình bày cơ sở toán học của tán xạ Rayleigh, Mie và Raman, thiết lập nền tảng lý thuyết cho việc giải phương trình viễn thám quang học.

Chương II: Kỹ thuật và hệ đo lidar

Chương II mô tả chi tiết thiết kế, chế tạo và tích hợp phần cứng cũng như phát triển thuật toán phần mềm cho hai hệ thống lidar độc lập:

  • Hệ lidar Raman nhiều bước sóng: Tích hợp nguồn laser rắn Nd:YAG (532 nm, 1064 nm), hệ quang học phát - thu, hệ tách kênh phân cực ($\parallel$ và $\perp$) cùng kênh tán xạ Raman của phân tử $N_2$. Hệ thống sử dụng các module PMT R7400U và H6780-20, vận hành đồng thời kênh đo tương tự và kênh đếm photon, cho phép quét tín hiệu lên tới trên 20 km.
  • Hệ lidar laser diode 905 nm: Sử dụng chip laser bán dẫn SPL PL90_3 kết hợp mạch nuôi xung công suất cao, đầu thu Si APD S9251-15 hoạt động ở chế độ Geiger được làm lạnh xuống -20°C trong hộp bảo vệ hút ẩm. Module giao tiếp điều khiển và hiển thị dữ liệu được lập trình bằng LabVIEW.
  • Xử lý tín hiệu và thuật toán số: Chương trình số hóa trên Matlab thực hiện hiệu chỉnh hàm chồng chập hình học (OF), lọc nhiễu nền, xác định đỉnh lớp biên khí quyển qua đạo hàm gradient và hàm cực tiểu $H(z)$, tính độ sâu quang học (AOD), trích xuất hệ số suy hao trực tiếp từ kênh Raman, xác định hệ số tán xạ ngược từ tín hiệu đàn hồi, tính tỉ số lidar $S$ và tỉ số khử phân cực $\delta$, kèm theo các biểu thức đánh giá sai số thống kê.

Chương III: Quan trắc các đặc trưng vật lý của lớp son khí tầng thấp

Chương III áp dụng các thuật toán đã xây dựng để xử lý cơ sở dữ liệu quan trắc son khí tầng thấp tại Hà Nội từ hai hệ đo:

  • Xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt (ABL): Phép đo thực nghiệm ngày 27/5/2011 bằng hệ Nd:YAG và ngày 4/7/2012 bằng hệ laser diode 905 nm ghi nhận sự biến động rõ rệt của đỉnh ABL giữa các thời điểm sáng, chiều và tối theo chu trình đối lưu nhiệt mặt trời. Phân bố độ cao đỉnh ABL đêm ngày 6/10/2012 được bám sát liên tục.
  • Đánh giá đối sánh hai hệ đo: Tín hiệu tán xạ đàn hồi ghi nhận đồng thời từ 20h đến 24h ngày 18/11/2012 giữa hai hệ lidar độc lập cho thấy sự tương đồng cao về cấu trúc lớp son khí trường gần dưới 3,5 km.
  • Các tham số quang học son khí: Phân tích số liệu các ngày 31/10/2012 và 21/11/2012 tại Hà Nội xác định độ sâu quang học tầng thấp, đồ thị phân bố thẳng đứng của hệ số suy hao $\alpha_{aer}(z)$, hệ số tán xạ ngược $\beta_{aer}(z)$ và giá trị thực nghiệm của tỉ số lidar $S_{aer}$ (kèm dải sai số). Kết quả được lập bảng so sánh đối chiếu với các giá trị đo đạc công bố tại các trạm quan trắc quốc tế.

Chương IV: Quan trắc các đặc trưng vật lý của mây Ti tầng cao

Chương IV tập trung phân tích các đặc trưng vĩ mô và vi mô của mây Ti trên bầu trời Hà Nội qua chuỗi số liệu năm 2011:

  • Đặc trưng phân bố không gian và hình học: Thống kê từ các phép đo phân cực (như ngày 7/6/2011 và 31/9/2011) xác định độ cao phân bố trung bình của mây Ti tại Hà Nội là 13,4 km (dao động trong khoảng 11,2 km đến 15,0 km); độ dày hình học trung bình của lớp mây là 1,75 km (biến đổi từ 0,3 km đến 3,8 km).
  • Tương quan nhiệt động lực học: Kết hợp số liệu lidar với tín hiệu thám không vô tuyến (radiosonde) của Trung tâm Viễn thám Quốc gia năm 2011, tác giả thiết lập mối tương quan giữa độ cao đỉnh mây Ti với độ cao lớp đối lưu hạn (tropopause), sự thay đổi độ dày mây theo nhiệt độ và thống kê tần suất xuất hiện mây Ti qua các tháng trong năm.
  • Đặc trưng vi mô và phân cực: Trích xuất độ sâu quang học, tiết diện tán xạ ngược son khí mây so với phân tử khí, và sự biến thiên của tỉ số khử phân cực ($\delta$) theo độ cao cũng như theo nhiệt độ nội tại của đám mây. Tỉ số khử phân cực phản ánh trạng thái bất đối xứng của các tinh thể băng hình thành ở nhiệt độ âm sâu gần lớp đối lưu hạn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

  1. Thiết kế và làm chủ công nghệ chế tạo hệ đo lidar: Lần đầu tiên tại Viện Vật lý (Việt Nam), tác giả cùng nhóm nghiên cứu đã thiết kế, tích hợp và vận hành thành công 02 hệ thống lidar hoàn chỉnh:
    • Hệ lidar Raman nhiều bước sóng (532 nm, 1064 nm) có kênh phân cực và kênh tán xạ Raman $N_2$, đo đạc đa kênh ở cả chế độ tương tự và đếm photon, cho phép vươn tới độ cao trên 20 km.
    • Hệ lidar laser diode nhỏ gọn sử dụng nguồn phát bán dẫn 905 nm kết hợp đầu thu Si APD chế độ Geiger làm lạnh -20°C, tối ưu cho bài toán viễn thám son khí trường gần.
  2. Xây dựng bộ công cụ giải tích số chuyên dụng: Phát triển hoàn chỉnh hệ thống chương trình tính toán số trên Matlab và LabVIEW, tự động hóa quá trình thu nhận dữ liệu, hiệu chỉnh hàm chồng chập, tính toán độ cao lớp biên khí quyển, trích xuất hệ số suy hao trực tiếp từ kênh Raman, hệ số tán xạ ngược, tỉ số lidar và tỉ số khử phân cực kèm phân tích sai số chuẩn xác.
  3. Xây dựng bộ dữ liệu thực nghiệm đầu tiên về son khí và mây Ti tại Hà Nội:
    • Thiết lập chuỗi số liệu quan trắc liên tục cấu trúc thẳng đứng của son khí tầng thấp từ năm 2009 đến năm 2012.
    • Cung cấp các thông số định lượng thực nghiệm đặc trưng cho mây Ti nhiệt đới tại Hà Nội: độ cao phân bố trung bình 13,4 km (11,2–15,0 km), độ dày hình học trung bình 1,75 km (0,3–3,8 km), cùng mối liên hệ định lượng với độ cao lớp đối lưu hạn và nhiệt độ lớp mây.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ văn bản

  • Duy trì và mở rộng hoạt động quan trắc của các trạm lidar mặt đất, kết hợp đồng bộ với mạng lưới bóng thám không và vệ tinh để phục vụ theo dõi chất lượng không khí đô thị.
  • Đề xuất giải pháp xây dựng các trạm đo lidar đặt cách biệt khu vực trung tâm đô thị nhằm nâng cao độ ổn định quang học và giảm thiểu phông nhiễu tán xạ ban ngày.
  • Ứng dụng nguồn dữ liệu profin quang học thu được từ lidar vào việc hiệu chỉnh và hoàn thiện các mô hình dự báo thời tiết, mô hình khí hậu khu vực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Rào cản chi phí và độ bền thiết bị: Chi phí chế tạo, bảo dưỡng và vận hành hệ thống quang điện tử độ nhạy cao trong môi trường nhiệt đới nóng ẩm đòi hỏi quy trình nghiêm ngặt; việc duy trì độ ổn định liên tục trong thời gian dài là thách thức kỹ thuật.
  • Phạm vi vùng mù quang học: Ở cự ly rất gần sát mặt đất, hàm chồng chập hình học (OF) chưa đạt 100%, gây khó khăn cho việc trích xuất chính xác tuyệt đối các tham số son khí sát bề mặt nếu không qua hiệu chỉnh số.
  • Phụ thuộc điều kiện khí hậu: Phép đo lidar quang học bị hạn chế khi thời tiết có mưa lớn hoặc mây dày đặc ở tầng thấp, làm suy giảm hoàn toàn chùm tia laser trước khi truyền lên các tầng cao hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Hoàn thiện tính năng tự động hóa ghi nhận và truyền tải dữ liệu từ xa theo thời gian thực về các trung tâm quản lý khí tượng và môi trường.
  • Mở rộng nghiên cứu phân loại kích thước hạt và thành phần hóa học của son khí thông qua việc khai thác đồng thời nhiều bước sóng kích thích và nhiều kênh tán xạ Raman hơn.
  • Kết nối ngân hàng dữ liệu lidar với các mô hình khí hậu toàn cầu và khu vực để nâng cao độ chính xác dự báo các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Quang học, Vật lý kỹ thuật, Điện tử lượng tử: Là tài liệu tham khảo thực tế về thiết kế hệ quang học viễn thám, kỹ thuật điều khiển laser diode công suất cao, kỹ thuật làm lạnh và vận hành photodiode thác lũ APD ở chế độ Geiger, kỹ thuật đếm photon và phương pháp giải phương trình viễn thám trên Matlab/LabVIEW.
  • Các nhà khoa học ngành Khí tượng, Vật lý khí quyển, Khoa học môi trường và Viễn thám: Cung cấp phương pháp luận và số liệu thực nghiệm đo đạc profin thẳng đứng của son khí đô thị và mây tầng cao tại miền Bắc Việt Nam.
  • Cơ quan quản lý môi trường và dự báo khí tượng thủy văn: Tham khảo giải pháp kỹ thuật xây dựng trạm giám sát quang học chủ động, cung cấp kênh dữ liệu độc lập bổ trợ cho ảnh vệ tinh và radar.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Chương II và các Phụ lục: Toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch nuôi laser diode, module làm lạnh APD, cấu hình ghép nối quang học và mã nguồn thuật toán xử lý tín hiệu lidar đàn hồi/Raman.
  • Bảng số liệu thống kê tại Chương III và Chương IV: Dữ liệu về độ cao lớp biên ABL, tỉ số lidar của son khí tầng thấp và các tham số hình học - quang học của mây Ti tại Hà Nội trong năm 2011 và 2012.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã phát triển những hệ đo lidar cụ thể nào và sử dụng cấu hình quang điện tử ra sao?

Tác giả đã phát triển 02 hệ đo:

  • Hệ lidar Raman nhiều bước sóng: Sử dụng nguồn phát laser Nd:YAG (532 nm và 1064 nm), kính thiên văn thu quang học, các đầu thu ống nhân quang điện PMT (Hamamatsu R7400U và H6780-20) đo ở cả chế độ tương tự và đếm photon, tích hợp các kênh phân cực ($\parallel, \perp$) và kênh tán xạ Raman $N_2$, khảo sát tới độ cao trên 20 km.
  • Hệ lidar laser diode nhỏ gọn: Sử dụng chip mảng laser bán dẫn Osram SPL PL90_3 (905 nm), đầu thu Si APD Hamamatsu S9251-15 làm lạnh tới -20°C ở chế độ Geiger dập tắt thụ động, thu nhận tín hiệu qua module đếm photon giao tiếp LabVIEW chuyên dùng quan trắc son khí trường gần.

2. Các thông số đặc trưng vĩ mô của mây Ti trên bầu trời Hà Nội được xác định bằng bao nhiêu trong năm 2011?

Theo số liệu quan trắc thực nghiệm năm 2011 trình bày tại Chương IV:

  • Độ cao phân bố trung bình của đỉnh mây Ti: 13,4 km (biến đổi trong dải từ 11,2 km đến 15,0 km).
  • Độ dày hình học trung bình của lớp mây Ti: 1,75 km (biến đổi trong dải từ 0,3 km đến 3,8 km).
  • Mây Ti phân bố chủ yếu ở khu vực lân cận lớp đối lưu hạn (tropopause) với nhiệt độ âm sâu.

3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt (ABL)?

Luận án áp dụng phương pháp toán học xử lý tín hiệu lidar chuẩn hóa khoảng cách $P(z)z^2$:

  • Sử dụng phương pháp đạo hàm gradient theo độ cao để tìm vị trí có tốc độ sụt giảm tín hiệu tán xạ mạnh nhất giữa lớp biên đối lưu (CBL) và lớp khí quyển tự do.
  • Sử dụng hàm giải tích $H(z)$, trong đó vị trí độ cao tương ứng với giá trị cực tiểu của $H(z)$ được xác định chính xác là đỉnh của lớp son khí bề mặt.

4. Giải pháp kỹ thuật nào giúp hệ lidar diode 905 nm đo được tín hiệu quang yếu ở trường gần?

Tác giả áp dụng đồng bộ các giải pháp:

  • Sử dụng đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251-15 kết hợp mạch dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger (đếm từng photon đơn lẻ).
  • Thiết kế module đầu thu khép kín, chống ẩm và làm lạnh sâu cảm biến xuống -20°C để giảm thiểu dòng tối nhiệt và xung nhiễu giả.
  • Sử dụng kỹ thuật tích lũy trung bình hàng nghìn xung laser qua bộ đếm photon đa kênh để nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

5. Tỉ số khử phân cực ($\delta$) trong hệ lidar mang lại thông tin vật lý gì về mây Ti?

Tỉ số khử phân cực ($\delta = P_{\perp}/P_{\parallel}$) là tỉ số giữa cường độ tín hiệu tán xạ ngược trên kênh phân cực vuông góc và kênh phân cực song song so với phương phân cực của chùm laser phát. Đối với các hạt nước dạng cầu, tính phân cực ban đầu được bảo toàn ($\delta \approx 0$). Đối với mây Ti ở độ cao lớn và nhiệt độ thấp, mây cấu thành từ các tinh thể băng có dạng hình học phi cầu và bất đối xứng, làm biến đổi mạnh trạng thái phân cực của ánh sáng tán xạ ngược, dẫn đến tỉ số khử phân cực tăng cao, cho phép nhận diện và phân tích trạng thái vi mô của tinh thể băng trong mây.

Kết luận

Luận án của tác giả Bùi Văn Hải là công trình nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu trong lĩnh vực quang học viễn thám khí quyển, hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và làm chủ kỹ thuật vận hành 02 hệ đo lidar Raman nhiều bước sóng và lidar diode tại Việt Nam. Bằng việc xây dựng các thuật toán giải tích số trên Matlab và LabVIEW, tác giả đã trích xuất chính xác các tham số vật lý, quang học của son khí tầng thấp và mây Ti tầng cao trên bầu trời Hà Nội từ nguồn dữ liệu đo đạc giai đoạn 2009–2012. Các kết quả định lượng về độ cao đỉnh lớp biên, hệ số quang học son khí và đặc trưng mây Ti (độ cao trung bình 13,4 km, độ dày trung bình 1,75 km) cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm có giá trị khoa học và ứng dụng cao cho nghiên cứu vật lý khí quyển và môi trường trong nước.