phần mở đầu và kết luận, bài luận văn được chia làm 3 chương: Chƣơng 1: Tổng quan về lý thuyết Lidar Chƣơng 2: Các hệ đo Lidar cơ bản và hệ đo lidar trong phương pháp hai chùm tia Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo Lidar trong phương pháp hai chùm tia 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYÊT LIDAR 1.1 Lịch sử phát triển của Lidar Lidar đầu tiên đo lường sự tán xạ thông qua ánh sáng thường chứ không phải laser đối với sol khí và hạt bụi trong môi trường khí quyển. Trong những năm 1930 những nghiên cứu đầu tiên đã được thực hiện để đo thông tin về mật độ không khí trong bầu khí quyển phía trên bằng cách xác định cường độ tán xạ từ chùm tia ánh sáng khảo sát [2]. Năm 1938, các xung ánh sáng được sử dụng cho lần đầu tiên để đo lường các tính chất của đám mây trên cao. Việc cài đặt hợp lí hệ thống máy phát và hệ thống máy thu được sắp đặt hợp lý đã mang lại thông tin có chất lượng từ việc đo thời gian đi về của vòng di chuyển của tia sáng từ máy phát tới đối tượng về máy thu.
Loại Lidar này lần đầu tiên được giới thiệu bởi Middleton và Spilhaus năm 1953. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ LiDAR hiện đại bắt đầu với phát minh ra công nghệ laser năm 1960 và laser Q-switched vào năm 1962. Fiocco và Smullin công bố các quan sát khí quyển với một laser ruby năm 1963. Khoảng một thập kỷ sau đó tất cả các kỹ thuật LiDAR cơ bản đã được đề xuất và đã chứng minh.
Do đó, giáo trình đầu tiên viết về LiDAR được viết bởi E. Hinkley đã xuất hiện trong năm 1976. Kể từ đó, sự thành công trong phát triển LiDAR là rất mạnh mẽ, kết nối với sự tiến bộ trong công nghệ quang học và điện tử, đặc biệt trong công nghệ laser. Nghiên cứu Lidar luôn luôn gắn liền với việc nghiên cứu về laser.
Nhiều thiết bị sử dụng tia laser thiết kế đặc biệt cho LiDAR đáp ứng yêu cầu cao về kỹ thuật LiDAR trên tia laser như năng lượng , bước sóng, độ rộng xung, hình dạng chùm tia, và độ tinh khiết quang phổ thường không thấy ở sản phẩm thương mại mà chỉ dùng riêng cho Lidar[2]. Ngoài laser ra, bộ lọc quang học với độ truyền qua cao, độ rộng phổ, sườn dốc phổ hay độ khử nhiễu cao, sự phát hiện hiệu quả cho các vùng bước sóng rộng, các hệ thống thu thập dữ liệu với phạm vi chức năng của phần mềm máy tính có thể 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com xử lý lượng lớn dữ liệu với tốc độ lặp lại cao thuộc về các thiết bị cần thiết để nâng cao hệ thống LiDAR. Lidar do đó luôn luôn được thừa hưởng cả sự phát triển về nguồn sáng và đổi mới công nghệ. Ngày nay công nghệ Lidar đã rất phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ngành nghề, mang lại nhiều hiệu quả thiết thực như khí tượng thủy văn, trắc địa, giao thông, quân sự, khảo cổ… 1.2 Sự lan truyền của tia laser trong môi trƣờng khí quyển Khi chùm tia laser vào môi trường khí quyển một phần năng lượng của chùm tia sẽ bị tán xạ, đồng thời một phần năng lượng của chùm tia laser bị môi trường hấp thụ.
Dẫn tới hiện tượng năng lượng của chùm tia sau khi đi qua một môi trường sẽ bị suy giảm[1]. -Absorption - Scattering z Hình 1.2 Hiện tượng hấp thụ(absorption) và tán xạ(scattering) của chùm laser trong khí quyển 1.1 Tán xạ ánh sáng Khi chùm tia laser vào môi trường khí quyển nơi có nhiều hạt nhỏ lơ lửng, các vùng bất thuần nhất hoặc các mấp mô nhỏ làm chùm sáng bị đổi hướng và làm thay đổi một số tính chất của nó, như phân bố lại cường độ ánh sáng trong không gian, thay đổi tần số và sự phân cực của ánh sáng…gọi là hiện tượng tán xạ ánh sáng. Có hai loại tán xạ: tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Tán xạ đàn hồi và không đàn hồi Tán xạ đàn hồi là tán xạ không làm thay đổi bước sóng của bức xạ.
Hai loại thuộc tán xạ đàn hồi đó là tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie. Tán xạ Rayleigh xảy ra khi kích thước của hạt nhỏ hơn bước sóng của bức xạ chiếu vào, còn tán xạ Mie xảy ra đối với các hạt có kích thước tương đương với bước sóng chiếu vào[3]. Tán xạ không đàn hồi là tán xạ mà trong đó bước sóng của bức xạ sau khi tán xạ bị thay đổi. Tán xạ này thường thấy là tán xạ Raman.2 Tán xạ ngƣợc Trong hiện tượng tán xạ, bức xạ bị lệch theo nhiều hướng khác nhau.
Nếu bức xạ có hướng trở lại đúng phương truyền cũ ( = 1800 ) thì gọi là hiện tượng tán xạ ngược. Như vậy xét với các loại tán xạ chúng ta đang nghiên cứu chúng ta cũng có tán xạ ngược đàn hồi và tán xạ ngược không đàn hồi. - Tán xạ Rayleigh luôn được định nghĩa như là tán xạ đàn hồi từ nhiều hạt hình cầu rất nhỏ so với bước sóng của bức xạ. Tán xạ Rayleigh trong khí quyển thường là tán xạ phân tử.
Oxi và Nitơ chiếm 99% phân tử khí quyển Trái Đất, hai khí này cũng là nguồn của bức xạ tán xạ Rayleigh. Cường độ tán xạ Rayleigh tỉ lệ thuận với 4 và chi phối ánh sáng tán xạ ngược tại bước sóng ánh sáng laser ngắn. - Tán xạ Mie là tán xạ đàn hồi với những hạt có kích thước lớn hơn 1/10 và nhỏ hơn 10 lần kích thước bước sóng. Thuyết tán xạ đã phát triển nhờ Gastav Mie, phân tích lời giải đối với bức xạ tán xạ ở bước sóng bất kỳ bằng một hạt có dạng cầu có bán kính bất kỳ.
Như vậy thuyết tán xạ Mie không có giới hạn về kích thước của hạt một cách chắc chắn, thậm chí nó bao gồm cả lời giải cho cả tán xạ Rayleigh. Do đó, việc thu nhận tín hiệu tán xạ cho phép nhận biết được các thông tin về kích cỡ và các thông số khác của các phân tử sol khí khí quyển trong phạm vi bán kính từ 50 nm đến vài micromet. Ứng dụng công nghệ này đòi hỏi sự phát xạ của một vài bước sóng laser và sự xác định độc lập của hệ số tán xạ ngược và hệ số suy giảm. Các hạt trong khí quyển có nhiều hình dạng khác nhau.
Do đó thuyết Mie chỉ là gần đúng, vì thuyết chỉ được áp dụng trong trường hợp hạt nhỏ có kích thước xấp xỉ 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com bước sóng và phải có dạng hình cầu. Nếu kích thước các hạt lớn và không có dạng hình cầu thì phải áp dụng thuyết tán xạ không phải dạng hình cầu một cách kĩ lưỡng hơn. Các hạt có dạng hình cầu khi tán xạ thì không thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng laser phân cực thẳng nếu tán xạ ở 1800, trong khi đó các hạt không phải dạng hình cầu dãn đến sự khử phân cực của bức xạ tán xạ ngược. Sự phát hiện của ánh sáng phân cực nhạy đặc biệt có ích trong việc điều tra nghiên cứu các đám mây và các lớp bụi trong khí quyển.
- Tán xạ Raman là các quá trình tán xạ không đàn hồi do có sự thay đổi mức năng lượng dao động và sự quay của phân tử. Sự thay đổi tần số của các bức xạ tán xạ tương ứng với sự sai khác giữa các mức năng lượng ở các trạng thái khác nhau, do vậy tán xạ Raman là điển hình cho tương tác phân tử. Sự thay đổi trạng thái năng lượng quay sẽ tương ứng với các dải Raman quay. Công nghệ Lidar Raman được ứng dụng rộng rãi để đo mật độ hơi nước và nhiệt độ vùng khí quyển trên cao.2 Hấp thụ ánh sáng Khi một chùm sáng truyền qua một môi trường vật chất, nó bị ảnh L hưởng theo hai cách chính: Một là, dx cường độ của nó bị giảm trong quá trình đi qua môi trường vật chất.
Hai là, vận tốc truyền trong môi trường nhỏ hơn I0 I trong chân không. Cường độ ánh sáng laser suy giảm chủ yếu do ánh sáng bị Hình 1.1 Sự hấp thụ ánh sáng hấp thụ và do hiện tượng tán xạ. Hướng chùm bức xạ laser có cường độ I0 vuông góc với một lớp môi trường có độ dày L. Nếu bỏ qua hiện tượng mất mát do tán xạ và phản xạ thì ánh sáng mất mát chủ yếu do môi trường hấp thụ.
Cường độ ánh sáng ra khỏi môi trường I sẽ nhỏ hơn cường độ ánh sáng trước khi đi vào môi trường vật chất. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Độ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất hấp thụ có độ giảm tỉ lệ với độ dày dx và cường độ của chùm sáng tới. Ta có dI = -αIdx Dấu trừ chỉ cường độ suy giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, α là hệ số tỉ lệ. Để tìm được cường độ I người ta tích phân hai vế phương trình (1.1) và lấy cận từ 0 đến L: I L dI I I 0 dx 0 Vì α không phụ thuộc vào x cho nên : lnI – lnI0 = -αL L Từ đó I=I0.
Ðịnh luật này do Bouguer thiết lập năm 1729 nên được gọi là định luật Bouguer. Ở đây α là hệ số, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường. Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng. Như vậy, cường độ ánh sáng truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ.
Hệ số hấp thụ: Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng tới, vì thế cho thấy hấp thụ mang tính chọn lọc. Nếu phụ thuộc rất ít vào bước sóng thì chất đó hấp thụ không mang tính lọc lựa. Tuy nhiên trong thực tể các môi trường đều có tính hấp thụ lọc lựa. Riêng đối với chất khí loãng hệ số hấp thụ đối với hầu hết các bước sóng gần như bằng 0 chỉ trừ một vài miền quang phổ rất hẹp.2 ta thấy có các vạch hấp thụ rất mạnh.
Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng của electron trong nguyên tử. Ðối với các khí đa nguyên tử, ta quan sát được các vạch hấp thụ nằm sát nhau tạo thành dãy hấp thụ. Cấu trúc của những dãy hấp thụ phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của các phân tử. Vì thế nghiên cứu quang phổ hấp thụ ta có thể biết cấu tạo phân tử.