Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận án tiến sĩ ngành quang học với đề tài: Nghiên cứu phân bố khí ozone trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp lidar hấp thụ vi sai

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------
Phạm Minh Tiến
NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC
Hà Nội – 2017

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
------------------------
Phạm Minh Tiến
NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ KHÍ OZONE TRONG
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
TRÊN CƠ SỞ PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LIDAR HẤP THỤ VI SAI
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 9 44 01 09
LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH QUANG HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Đinh Văn Trung
Hà Nội – 2017

3. Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận án này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Đinh Văn Trung. Các dẫn giải, phân tích, số liệu, nội dung nghiên cứu đã có của các
tác giả có liên quan đến luận án đều có nguồn gốc rõ ràng, được chỉ rõ trong phần
Tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, chưa được
công bố trong các công trình khác.
Nghiên cứu sinh
Phạm Minh Tiến

4. Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện luận án “Nghiên cứu phân bố ozone trong khí quyển
tầng thấp với độ phân giải cao trên cơ sở phát triển và ứng dụng phương pháp LIDAR
hấp thụ vi sai”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và truyền đạt kiến thức rất tận tình
của các thầy, cô, giảng viên của Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KHCNVN). Tôi cũng đã
nhận được sự hỗ trợ, tạo điều kiện, sự giúp đỡ quý báu từ Ban Lãnh đạo viện Hàn
lâm KHCNVN, Ban Lãnh đạo Viện Vật lý, Phòng Đào tạo Sau Đại học (Viện Vật
lý), Ban Lãnh đạo và đồng nghiệp Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin bày
tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đinh Văn Trung, thầy giáo
hướng dẫn khoa học trực tiếp cho tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS. Đỗ Quang Hòa, TS. Bùi Văn
Hải, TS. Nguyễn Xuân Tuấn, ThS. Dương Tiến Thọ, NCS. Trần Ngọc Hưng và rất
nhiều đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, giúp đỡ, chia sẻ trong công
việc nghiên cứu.
Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu, các ý kiến phản biện
của các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biện kín để
bản luận án được hoàn thiện hơn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình và đặc biệt là GS.TS. Nguyễn
Đại Hưng đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
thực hiện và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
NCS. Phạm Minh Tiến

5. MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục chữ cái viết tắt........................................................................................... i
Danh mục ký hiệu...................................................................................................... ii
Danh mục bảng......................................................................................................... vi
Danh mục hình, đồ thị ............................................................................................. vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .......................................................... 6
1.1. Ozone trong khí quyền tầng thấp.............................................................. 6
1.1.1. Nguồn gốc và phân bố......................................................................... 6
1.1.2. Tiết diện hấp thụ của ozone .............................................................. 11
1.1.3. Vai trò và tác động của ozone .......................................................... 12
1.2 Đo đạc, quan trắc ozone trong khí quyển................................................ 13
1.2.1 Khái quát chung ................................................................................. 13
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyền .......................... 15
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone ............................................................ 16
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng .................. 19
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ
thuật LIDAR hấp thụ vi sai .................................................................................. 24
1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai.............. 24
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR.................................................. 27
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai .......................................................... 34
1.3.4 Lựa chọn bước sóng cho LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone................ 37
1.3.5 Đo phân bố ozone dùng kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai trong khí
quyển tầng thấp.................................................................................. 39
1.3.6 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ................................. 45
1.3.7 Độ chính xác của phép đo ozone dùng LIDAR hấp thụ vi sai ......... 49
Kết luận Chương 1 ...................................................................................... 51
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐO
PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP............................... 53

6. 2.1 Thiết kế hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone.............................. 53
2.1.1 Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ................................................... 53
2.1.2 Khối phát quang học............................................................................ 54
2.1.3 Khối thu quang học.............................................................................. 55
2.1.4 Khối thu quang điện tử........................................................................ 56
2.1.5 Phần mềm xử lý, tính toán .................................................................. 56
2.2 Lựa chọn cặp bước sóng phát ................................................................... 56
2.3 Mô phỏng tín hiệu LIDAR hấp thụ vi sai đo phân bố ozone ................. 58
2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận................................................................ 61
Kết luận Chương 2........................................................................................... 67
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN MỘT HỆ LIDAR HẤP THỤ VI SAI ĐỂ ĐO
ĐẠC PHÂN BỐ OZONE TRONG KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP ..................... 68
3.1 Cấu hình hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone........................................... 68
3.2 Xây dựng hệ laser màu phản hồi phân bố ............................................... 69
3.2.1 Bộ dao động phát................................................................................ 71
3.2.2 Hệ quang học bơm.............................................................................. 72
3.2.3 Bộ khuếch đại quang.......................................................................... 73
3.2.4 Môi trường hoạt chất.......................................................................... 73
3.2.5 Bơm luân chuyển chất màu ............................................................... 73
3.3 Xây dựng bộ phát hệ LIDAR hấp thụ vi sai và đo đạc đánh giá........... 74
3.4 Chế tạo hệ telescope tử ngoại và khối quang học thu............................. 79
3.4.1 Chế tạo telescope................................................................................. 79
3.4.2 Chế tạo hệ mài phôi kính quang học ................................................ 79
3.4.3 Khối quang học thu ............................................................................ 82
3.5 Phát triển khối điện tử thu........................................................................ 84
3.6 Xây dựng phần mềm thu ghi, xử lý tín hiệu............................................ 85
3.7 Đo đạc đánh giá hệ LIDAR hấp thụ vi sai............................................... 86
Kết luận Chương 3........................................................................................... 90
CHƯƠNG 4. ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM PHÂN BỐ OZONE TRONG LỚP
KHÍ QUYỂN TẦNG THẤP ................................................................................ 92
4.1 Xử lý số liệu................................................................................................. 92
4.2 Tính toán phân bố nồng độ ozone theo độ cao ........................................ 92

7. 4.3 Kết quả đo đạc phân bố nồng độ ozone theo độ cao............................... 95
4.4 Phân tích sai số, đánh giá kết quả đo đạc ................................................ 96
Kết luận Chương 4........................................................................................... 99
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................... 100
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 103

8. i
Danh mục chữ cái viết tắt
abs – absorption (hấp thụ)
aer – aerosols (son khí)
DFDL – Distributed Feedback Dye Laser (laser màu phản hồi phân bố)
DIAL – Differential-Absorption LIDAR (lidar hấp thụ vi sai)
FWHM – Full Width at Half Maximum (độ bán rộng)
LIDAR – Light Detection And Ranging
mol – molecular (phân tử)
OMI – Ozone Monitoring Instrument (thiết bị quan trắc ozone)
PMT – PhotoMultiplier Tube (ống nhân quang điện)
RMS – Root Mean Square (bình phương trung bình)
RS – Remote Sensing (viễn thám)
STP – Standard Temperature and Pressure (nhiệt độ và áp suất chuẩn)

9. ii
Danh mục ký hiệu
A – diện tích của bộ thu quang học
As – tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V
AL – tiết diện tia laser
A – thừa số Α
B(off,R) – thừa số 𝐵 𝜆 , 𝑅
,
,
CM – gương tam giác 12 x 12 mm
C1, C2, C3 – cuvette thạch anh
G(R) – hàm mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo
F – phin lọc bước sóng
Ic – cường độ được tán xạ được telescope thu nhận
Is – tổng cường độ được tán xạ vào góc khối 4
Io – cường độ bức xạ phát
I0λ – cường độ bức xạ mặt trời ở ngoài khí quyển tại bước sóng λ
Iλ – cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất tại bước sóng λ
K – hằng số hệ thống
L – độ dài quang học của Quang kế UV
L1, L2, L3 – thấu kính
M1, … M12 – gương, đường kính 1 inch
N – số phân tử ozone trong buồng phản ứng của đầu dò ozone
N(R) – mật độ khí khảo sát ở độ cao R
Nb – số đếm photon nền
Nd – số đếm dòng tối của PMT
NIG(R) – mật độ khí nhiễu theo độ cao
Nj – nồng độ của phần tử tán xạ loại j
𝑁 𝑅 – mật độ trung bình của ozone trong khoảng không gian có độ cao R
Nph – số đếm photon tín hiệu
NS
(R) – mật độ ozone tính trực tiếp từ tỷ số cường độ tín hiệu ở on và off

10. iii
Nλ – số xung laser (laser shots) ở bước sóng λ
O(R) – hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu
P(R,) – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R
Pb(λ,R) – cường độ tín hiệu bức xạ nền
𝑃 – công suất laser trung bình
Pon(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on
Poff(R) – cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng off
P0 – cường độ trung bình của đơn xung laser
P1, P2, P3 – lăng kính
R – độ cao tán xạ ngược của bức xạ laser
RS – độ cao khởi đầu trong tính toán vòng lặp son khí
Rm1, Rm2 – bản chia chùm
Q – điện tích
S – tỷ số LIDAR
S/N – tỷ số tín hiệu trên nhiễu
T – nhiệt độ tuyệt đối
T(R,λ) – hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR tới độ cao
R và quay trở ngược lại
Ta – thời gian thu ghi
Vrc – thể tích của buồng phản ứng
V – thể tích được tia laser chiếu rọi cho ánh sáng tán xạ
Xi – tổng lượng cột của thành phần khí quyển thứ i
X – tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);
X’ – tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP)
frep – tần số lặp lại của xung laser
fSample – tần số lấy mẫu
i – dòng điện đo được qua buồng phản ứng của đầu dò ozone
j – thứ tự bước lặp ozone
k – hằng số Boltzman
l – thứ tự bước lặp son khí
m – bậc nhiễu xạ Bragg

11. iv
m1, …, m14 – gương 9 x 9 mm
n – chiết suất môi trường hoạt chất,
nP – chiết suất của vật liệu lăng kính
𝑛 – số đếm tổng cộng
p – áp suất riêng phần cho ozone trong buồng phản ứng
t – thời gian
α – góc chùm bơm tới bề mặt lăng kính P1
α(R,λ) – hệ số suy hao ánh sáng
λ – hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ
’λ – hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ
𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí tán xạ
𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do phân tử khí hấp thụ
𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí tán xạ
𝛼 , 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do son khí hấp thụ
𝛼 𝑅, 𝜆 – hệ số suy hao do khí nhiễu
λi – các hệ số suy hao của các thành phần khí quyển làm suy giảm bức xạ
β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho tán xạ
ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới
βR(R) – hệ số tán xạ ngược Raman
𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi các phân tử không khí
𝛽 𝑅, 𝜆 – hệ số tán xạ ngược bởi son khí
λ – hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ
𝛾 – hệ số thực nghiệm giữa hệ số tán xạ ngược do son khí và do phân tử khí
δλ – hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ
𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do tán xạ ngược
𝛿𝑁 𝑅 – số hạng hiệu chỉnh do suy hao
𝜀 𝑅 – sai số thống kê của nồng độ ozone
1 – sai số thống kê do nhiễu nền và nhiễu tín hiệu
2 – sai số do suy hao và tán xạ ngược của các thành phần khác (như NO2, SO2, son
khí)
3 – sai số do độ bất định của tiết diện hấp thụ của ozone

12. v
4 – sai số có nguồn gốc từ thiết bị và hệ điện tử
𝜁 – hiệu suất của hệ LIDAR
 – số mũ Angstrom
θ – góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng
on – bước sóng on
off – bước sóng off
λL là bước sóng laser,
λP – bước sóng laser bơm
λR – bước sóng dịch chuyển Raman
 – tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;
’ – tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp
dioxít sunphua
µa – tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của
toàn bộ khí quyển
i – tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp khí quyển có thành phần Xi
với độ dày của lớp này
𝜉 – số điều kiện vòng lặp son khí
𝜉 – số điều kiện vòng lặp ozone
𝜎 , 𝜋, 𝜆 – tiết diện tán xạ của phần tử j theo phương ngược lại ở bước sóng λ
𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ đẳng hướng
𝜎 𝜆 – tiết diện hấp thụ
𝜎 , 𝜆 – tiết diện suy hao cho mỗi loại phần tử tán xạ j tại bước sóng 
𝜎 𝜆 – tiết diện suy hao bởi khí nhiễu tại bước sóng 
𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ ngược Rayleigh phân tử cho các khí trong khí quyển
𝜎 𝜆 – tiết diện tán xạ Rayleigh toàn phần
τ – độ dài thời gian của xung laser
φ – góc chùm bơm tới bề mặt môi trường hoạt chất

13. vi
Danh mục bảng
Bảng 1.1. Tóm lược các đơn vị đo ozone............................................................... 15
Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser...................... 25
Bảng 1.3. Các cặp bước sóng thường dùng cho đo đạc LIDAR hấp thụ vi sai
loại bỏ ảnh hưởng của SO2 .................................................................... 39
Bảng 1.4. Các sai số chưa tính của phép đo phân bố ozone sau hiệu chỉnh .......... 50
Bảng 2.1. Các thông số sử dụng trong tính toán mô phỏng ................................... 60
Bảng 3.1. Cấu hình và đặc trưng kỹ thuật linh kiện hệ DFDL............................... 70
Bảng 3.2. Năng lượng bức xạ laser phát ................................................................ 78
Bảng 3.3. Các thông số đặc trưng hệ LIDAR hấp thụ vi sai.................................. 88
Bảng 4.1. Tổng hợp các sai số trong đo đạc ozone................................................ 98

14. vii
Danh mục hình
Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone ........................................................................... 6
Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển................................................................ 7
Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu .............. 9
Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi trong
ngày tại Trung Quốc ................................................................................ 9
Hình 1.5. Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx
(Chesapeake Bay – Mỹ)......................................................................... 10
Hình 1.6. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi theo
tháng trong năm tại Trung Quốc........................................................... 10
Hình 1.7. Tiết diện hấp thụ và các dải hấp thụ của ozone ..................................... 12
Hình 1.8. Đo ozone trong khí quyển...................................................................... 14
Hình 1.9. Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone .......................... 14
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý Quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt....................... 16
Hình 1.11. Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson............................. 16
Hình 1.12. Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế............................................... 17
Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm..... 22
Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong
khí quyển và tán xạ đến thiết bị đo ........................................................ 22
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR.......................................................... 24
Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser ...................................... 26
Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar ..................................... 28
Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian,
(c) Cassegrainian.................................................................................... 29
Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR.................................................................... 30
Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu......................... 31
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm .......................... 35
Hình 1.22. Tiết diện hấp thụ tử ngoại của SO2 và ozone ........................................ 38
Hình 1.23. Hệ DIAL đo phân bố ozone tại Bucharest – Rumani............................ 40
Hình 1.24. Hệ DIAL đo ozone tại Viện KH và CN Gwangju................................. 41
Hình 1.25. Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng phổ UV. Bước sóng on

15. viii
và bước sóng off được xác định ở 266 nm và 299,5 nm ....................... 41
Hình 1.26. Sơ đồ khối bộ phát (a) và bộ thu (b) của hệ DIAL dùng laser màu
phát ở hai bước sóng λon=285 nm và λoff=291 nm.................................. 43
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai ....................................................... 53
Hình 2.2. Cặp bước sóng được lựa chọn cho hệ LIDAR hấp thụ vi sai.................. 58
Hình 2.3. Mô phỏng tín hiệu LIDAR thu ghi ở bước sóng on 282,9 nm,
bước sóng off 286,4 nm và mật độ phân tử khí quyển theo độ cao......... 62
Hình 2.4. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
cường độ laser phát ................................................................................. 63
Hình 2.5. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
cường độ laser phát ................................................................................. 63
Hình 2.6. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
thời gian đếm photon................................................................................ 64
Hình 2.7. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở bước sóng on 282,9 nm khi thay đổi
thời gian đếm photon .............................................................................. 64
Hình 2.8. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 50 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 30 J/xung......... 65
Hình 2.9. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm với năng lượng
xung phát 30 J/xung và ở bước sóng off 286,4 nm – 50 J/xung......... 65
Hình 2.10. Cường độ tín hiệu LIDAR ở bước sóng on 282,9 nm trong 2
trường hợp đường kính telescope 40 và 60 cm....................................... 66
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ DIAL đo phân bố ozone khí quyển tầng thấp
dùng nguồn phát là các laser màu phản hồi phân bố................................ 69
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ laser màu phản hồi phân bố..................................... 70
Hình 3.3. Sơ đồ bộ dao động phát của laser màu phản hồi phân bố ....................... 71
Hình 3.4. Các bơm lưu thông bơm chất màu.......................................................... 74
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ phát của hệ DIAL .................................................... 75
Hình 3.6. Khối phát của hệ DIAL dùng nguồn phát là laser DFDL........................ 75
Hình 3.7. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ on 282,9 nm............................. 76
Hình 3.8. Phổ Bức xạ laser màu DFDL và bức xạ off 286,4 nm............................ 76
Hình 3.9. Vết hai laser tử ngoại cách nguồn phát 2m.......................................... 77

16. ix
Hình 3.10. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 282,9 nm ................ 78
Hình 3.11. Thăng giáng cường độ bức xạ laser ở bước sóng 286,4 nm ................ 79
Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý hệ Telescope đường kính 40 cm ............................... 80
Hình 3.13. Hệ Telescope đường kính 40 cm.......................................................... 80
Hình 3.14. Gương cầu và giá đỡ tinh chỉnh ........................................................... 80
Hình 3.15. Gương phẳng và giá treo...................................................................... 80
Hình 3.16. Mặt cắt ngang hệ mài phôi kính tự động.............................................. 81
Hình 3.17. Mặt cắt đứng hệ mài phôi kính tự động ............................................... 81
Hình 3.18. Mài gương cầu cho hệ DIAL hoạt động trong vùng tử ngoại.............. 82
Hình 3.19. Gương cầu đường kính 40 cm mạ nhôm được lắp trong hệ
Telescope.............................................................................................. 82
Hình 3.20. Đặc trưng phổ truyền qua của phin lọc FF01-292/27 .......................... 83
Hình 3.21. Khối thu của hệ DIAL đo ozone gồm Telescope, PMT, bộ
khuếch đại tín hiệu, dao động ký số Picoscope và máy tính................ 83
Hình 3.22. Sơ đồ khối điện tử thu trong chế độ đếm photon................................. 84
Hình 3.23. Mạch khuếch đại băng rộng ................................................................. 85
Hình 3.24. Giao diện phần mềm thu nhận tín hiệu hệ LIDAR DIAL
hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại............................................ 86
Hình 3.25. Bố trí hệ DIAL để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone ......................... 87
Hình 3.26. Sơ đồ khối hệ LIDAR hấp thụ vi sai đo ozone .................................... 87
Hình 3.27. Tín hiệu LIDAR tử ngoại được ghi nhận đến độ cao trên 4 km ở
bước sóng on 282,9 nm và off 286,4 nm (ngày đo đạc 22/01/2017).... 90
Hình 4.1. Giản đồ thuật toán tính phân bố nồng độ ozone................................... 94
Hình 4.2. Phân bố mật độ ozone đo đạc vào tháng 01/2017 tại Hà Nội.............. 95
Hình 4.3. Đánh giá sai số thống kê của hệ DIAL với thời gian đo tích hợp
10 phút và độ phân giải không gian 480 m......................................... 96
Hình 4.4. Mật độ ozone trung bình / tháng tại khu vực Hà Nội trong tháng 1 của
các năm 2013, 2014, 2015 và 2016 (số liệu vệ tinh Aura – NASA) và số
liệu đo từ hệ LIDAR hấp thụ vi sai vào các ngày trong tháng 1/2017 tại
Hà Nội .................................................................................................. 99

17.
1
MỞ ĐẦU
Thời tiết và chất lượng không khí có tác động hết sức lớn đến kinh tế, hệ sinh
thái và sự sống. Do sự nóng lên toàn cầu hiện nay, thời tiết có nhiều biến đổi bất
thường theo hướng không có lợi ở nhiều nơi trên Trái đất. Chất lượng không khí
cũng suy giảm do không khí bị ô nhiễm bởi khí thải mà chúng có nguồn gốc từ những
hoạt động của con người. Để có những hiểu biết tốt hơn sự gia tăng nhiệt độ trên toàn
cầu, thời tiết, cũng như chất lượng không khí, chúng ta phải hướng mối quan tâm của
mình đến bầu khí quyển bao quanh trái đất.
Khí quyển của Trái đất là một hỗn hợp gồm nitơ (N2), oxy (O2) và son khí.
Nhiều loại khí khác cũng có trong khí quyển như argon, carbon dioxit (CO2), ozone
(O3) [1]. Một sự cân bằng hết sức tinh tế giữa các thành phần khí trong khí quyển là
cần thiết để bầu không khí bao quanh Trái đất tiếp tục hỗ trợ cho cuộc sống. Ozone
là khí được quan tâm đặc biệt trong thành phần khí quyển vì sự có mặt, phân bố, tính
chất của nó tác động lớn đến cuộc sống ở hành tinh chúng ta.
Ozone thường được thấy trong bầu khí quyển Trái đất ở tầng đối lưu
(troposphere) và tầng bình lưu (stratosphere). Với nồng độ cao hơn ở tầng bình lưu
(có độ cao trải từ 10 tới 50 km), các phân tử ozone được hình thành và phá hủy qua
các quá trình quang hóa tự nhiên, góp phần vô cùng quan trọng vào việc bảo vệ trái
đất bằng cách hấp thụ hầu hết các bức xạ tử ngoại nguy hiểm từ Mặt trời trong dải
bước sóng từ 200 đến 300 nm. Tầng đối lưu nằm trong vùng từ mặt đất lên độ cao
khoảng 10 km, ozone được tạo ra qua các phản ứng quang hóa của các chất có nguồn
gốc từ khí thải là oxide nitơ (NOx) và các chất hữu cơ dễ bay hơi. Trong điều kiện
bức xạ mặt trời mạnh (buổi trưa hay đầu giờ chiều) lượng khí ozone sẽ được tạo ra
nhiều, làm tăng mật độ khí ozone ở lớp khí quyển gần mặt đất lên mức có thể gây
ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần
tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm
(photochemical smog) làm giảm chất lượng không khí, đặc biệt là trong các đô thị
lớn, các khu công nghiệp, là một trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe
con người, sự sống của các sinh vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính, gây nên sự
nóng lên toàn cầu. Sự có mặt vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh
lý như đau ngực, ho, nôn ói, viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim,

18.
2
hen suyễn, v.v… Do vậy, thông tin về nồng độ, sự phân bố của ozone trong khí quyển
là hết sức cần thiết, nhất là lớp khí quyển bao quanh mặt đất [2].
Nồng độ ozone trong khí quyển đã được nghiên cứu từ năm 1920 [2]. Các kỹ
thuật và phương pháp đang được sử dụng hiện nay để xác định nồng độ và phân bố
ozone theo độ cao là bóng thám không với đầu dò ozone là tế bào điện hóa
(electrochemical concentration cell), máy bay, quang phổ kế đặt trên mặt đất hay vệ
tinh và LIDAR (Light Detection And Ranging). Mỗi kỹ thuật và phương pháp triển
khai đo phân bố nồng độ ozone đều có những điểm mạnh, điểm yếu riêng, bổ sung
cho nhau và đáp ứng các nhu cầu đo đạc khác nhau.
LIDAR là kỹ thuật đo đạc từ xa sử dụng bức xạ laser để quan trắc các đặc
trưng vật lý của khí quyển theo không gian và thời gian. Hiện nay LIDAR đã trở
thành một công cụ không thể thiếu để nghiên cứu vật lý và hóa học của khí quyển
(đến độ cao 100 km), hay quan trắc môi trường như xác định mật độ của bụi, son khí
(aerosol), ozone hay các loại khí thải độc hại gây ô nhiễm như thuỷ ngân, SO2, NO2,
benzene… . LIDAR là kỹ thuật có khả năng bổ sung yêu cầu khảo sát nồng độ ozone
với độ phân giải cao hơn về thời gian (từ 1 phút tới vài giờ) và không gian (tới vài
mét), theo dõi biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn, quan sát
phân bố ozone trong khoảng thời gian dài hơn, đồng thời cho phép đo đạc ozone
trong điều kiện cả ban ngày và lẫn ban đêm [3]. Để xác định phân bố của ozone, kỹ
thuật thông thường được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption
Lidar – DIAL) [3].
Về tình hình quan trắc ozone ở nước ta, trong báo cáo của Trung tâm Quan
trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường (5/2012), trên lãnh thổ Việt Nam có
khoảng 20 trạm khí tượng cao không dùng bóng thám không để quan trắc các số liệu
khí quyển nhưng không có số liệu ozone trong bảng thống kê hàng năm. KS. Hoàng
Thị Thúy Hà – Trưởng phòng Quản lý Mạng lưới Đài Khí tượng Cao không cho biết,
các số liệu ozone khí quyển chỉ được quan trắc tại 1 địa điểm là Đài Khí tượng Cao
Không (Láng - Hà Nội), dùng đầu dò ozone trên các bóng thám không từ năm 2004
trong hai dự án hợp tác với Nhật và NASA, đến nay đều đã kết thúc. Phương pháp
đo này cho phép đo nồng độ ozone đến độ cao 30 km, độ phân giải tối đa khoảng 15
m [4]. Tuy nhiên, các số liệu đo đạc không thể thực hiện thường xuyên theo thời gian

19.
3
mà chỉ thực hiện 1 lần (hoặc tối đa là 2 lần) trong một tháng do chi phí thực hiện khá
cao, trên 1000 đô la Mỹ cho một lần đo đạc ozone.
Tại Việt Nam, vật lý, công nghệ và ứng dụng của LIDAR bắt đầu được quan
tâm và có yêu cầu lớn để phát triển. Kỹ thuật LIDAR bước đầu được triển khai ứng
dụng qua các thiết bị của nước ngoài như thiết bị LIDAR dùng để bay quét độ cao
trong dự án “Xây dựng mô hình số độ cao để giám sát biến đổi khí hậu, nước biển
dâng” của Cục Đo đạc và Bản đồ - Bộ Tài nguyên và Môi trường; Chương trình
AERONET hợp tác giữa NASA và Viện Vật lý Địa cầu – Viện HLKHCNVN dùng
LIDAR để thu thập các dữ liệu khói bụi, khí thải vào môi trường không khí cũng
nhằm để tăng cường hiểu biết về khí hậu và biến đổi khí hậu. Một số trường Đại học,
Viện nghiên cứu cũng hết sức quan tâm đến phát triển hệ thống LIDAR như Viện
Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Điện tử - Trung tâm
KHKT & CNQS, Bộ Quốc Phòng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội. Trong số đó, Viện Vật lý là đơn vị đi đầu và hỗ trợ các đơn vị
khác trong nghiên cứu triển khai các hệ thống LIDAR. Viện Vật lý đã có nhiều công
nghệ nền thuận lợi để phát triển các hệ LIDAR và Viện cũng đã xây dựng và phát
triển thành công nhiều hệ thống LIDAR hoạt động trong vùng khả kiến và hồng ngoại
có khả năng xác định được các thông số đặc trưng của son khí khí quyển tới độ cao
10 km (trong chế độ đo tương tự) và 30 km (trong chế độ đếm photon), phân bố N2
trong khí quyển tới độ cao 5km [73,81]. Trước nhu cầu phải ứng phó với biến đổi
khí hậu, tình trạng ô nhiễm khói bụi làm giảm chất lượng không khí đặc biệt tại các
thành phố lớn, nơi tập trung các khu công nghiệp, việc xây dựng hệ đo phân bố ozone
trong khí quyển dùng kỹ thuật DIAL trở nên một thách thức mới do hệ LIDAR hấp
thụ vi sai đo đạc ozone hoạt động trong miền tử ngoại của dải bức xạ điện từ và đòi
hỏi độ chính xác cao phục vụ phép đo vi sai nên các linh kiện quang học và quang
điện tử sẽ phức tạp và đòi hỏi có độ bền, độ chính xác cao hơn rất nhiều so với các
linh kiện sử dụng trong các hệ LIDAR thông thường. Ngoài ra phần mềm phân tích
và xử lý tín hiệu cũng phải sử dụng những thuật toán riêng và phức tạp phục vụ phép
đo hấp thụ vi sai.
Xuất phát từ những lý do, tính cấp thiết, nhu cầu thực tế và tính khả thi được
trình bày ở trên, mục tiêu của luận án được đặt ra là phát triển kỹ thuật LIDAR hấp

20.
4
thụ vi sai hoạt động trong vùng bước sóng tử ngoại để nghiên cứu phân bố khí ozone
trong khí quyển tầng thấp với độ phân giải cao. Việc phát triển một hệ thống DIAL
đo đạc nồng độ, phân bố ozone như vậy rất có ý nghĩa về mặt khoa học vì đây sẽ là
đóng góp mới của ngành vật lý trong nước, góp phần chủ động trong các nghiên cứu,
khảo sát mà nhiều đơn vị trong nước đang rất quan tâm như Trung tâm Khí tượng
Thủy văn, Viện Vật lý Địa cầu, Viện Công nghệ Vũ trụ, Viện Công nghệ Môi trường,
…, đóng góp tích cực trong công tác dự báo khí tượng, đối phó với biến đổi khí hậu,
bảo vệ sức khỏe con người và xây dựng quy hoạch phát triển trong tương lai.
Nội dung chính của luận án là phát triển 01 hệ thống LIDAR hấp thụ vi sai đo
đạc ở hai bước sóng tử ngoại ở 282,9 nm và 286,4 nm. Hệ sẽ thu ghi và xử lý các tín
hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi, qua đó tính toán xác định phân bố mật độ của
ozone theo độ cao trong lớp khí quyển tầng thấp. Hệ bao gồm các cấu phần chính
sau:
+ Phần phát tín hiệu laser quang học vào khí quyển
+ Phần thu tín hiệu LIDAR tán xạ ngược đàn hồi ở hai bước sóng trên
+ Phần điện tử đếm đơn photon, chương trình xử lý tín hiệu và tính toán phân
bố ozone.
Điểm mới của luận án:
 Lần đầu tiên phát triển nguồn phát UV cho một hệ DIAL là các bức xạ nhân
tần của hai laser màu phản hồi phân bố.
 Phát triển hệ thu DIAL với một hệ Telescope tự nghiên cứu chế tạo trong
nước đường kính lớn tới 40 cm
 Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu vi sai và tính toán phân bố ozone khí
quyển cho hệ DIAL tử ngoại được phát triển lần đầu trong nước.
Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết, sự phát triển của kỹ thuật LIDAR trên
thế giới cũng như trong nước và kết quả luận án thực hiện được, kết cấu của luận án
sẽ được trình bày trong 4 chương như sau:
Chương 1: giới thiệu tổng quan về ozone trong lớp khí quyển tầng thấp bao
quanh bề mặt trái đất, các kỹ thuật quan trắc ozone khí quyển trong đó có kỹ thuật
LIDAR hấp thụ vi sai và sự phát triển kỹ thuật này trong đo đạc phân bố ozone khí
quyển.

21.
5
Chương 2: trình bày các nghiên cứu thiết kế, lựa chọn bước sóng, lựa chọn
nguồn phát và tính toán mô phỏng hệ LIDAR hấp thụ vi sai hoạt động trong vùng
bước sóng tử ngoại.
Chương 3: trình bày các nghiên cứu phát triển hệ LIDAR hấp thụ vi sai. Sau
khi cân chỉnh và vận hành, hệ đã thu ghi thành công tín hiệu LIDAR tử ngoại.
Chương 4: trình bày các kết quả hoạt động và đo đạc của hệ LIDAR hấp thụ
vi sai tử ngoại để đo đạc thử nghiệm phân bố ozone tại Hà Nội và đánh giá sai số của
kết quả.
Nội dung của bản luận án được hỗ trợ phần lớn tài chính từ đề tài nghiên cứu
khoa học mã số VAST01.08/13-14 thuộc Hướng KHCN ưu tiên: Công nghệ thông
tin, điện tử, tự động hóa và công nghệ vũ trụ (Mã số hướng: VAST01) của Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

22.
6
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Chương 1 của luận án bao gồm 3 phần. Nội dung phần một trình bày khái quát
về khí ozone, sự hình thành cũng như vai trò của ozone trong khí quyển của Trái đất,
nhất là trong lớp khí quyển tầng thấp. Lớp khí quyển tầng thấp được hiểu là lớp
không khí bao quanh bề mặt hành tinh, có độ cao từ bề mặt quả đất tới độ cao khoảng
3 km. Trong lớp khí quyển này, hàm lượng ozone biến động mạnh theo nồng độ khí
ô nhiễm và cường độ bức xạ của Mặt trời. Phần hai giới thiệu chung các kỹ thuật
được sử dụng chủ yếu hiện nay để đo đạc phân bố ozone theo độ cao là đầu dò điện
hóa, kỹ thuật Umkehr và kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai. Phần 3 sẽ đi sâu trình bày
nguyên lý vật lý phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, là phương pháp được phát triển
trong khuôn khổ của luận án. Cùng với các phương pháp đo phân bố ozone thông
dụng khác từ mạng lưới quan trắc ozone toàn cầu, phương pháp LIDAR hấp thụ vi
sai sẽ giúp cung cấp một bức tranh toàn cảnh về phân bố ozone trong khí quyển.
1.1 Ozone trong khí quyển tầng thấp
Ozone được phát hiện bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich
Schöbein vào năm 1839 và có ký hiệu hóa học là O3 (Hình 1.1). Nó là khí màu xanh
dương, có mùi rất đặc trưng, hấp thụ ánh sáng UV và có hoạt tính (oxy hóa) cao[2,5].
Ozone là loại khí có rất ít trong khí quyển của trái đất, trung bình trong 10 triệu phân
tử không khí mới có 3 phân tử ozone. Mặc dù chỉ chiếm một hàm lượng nhỏ nhưng
ozone lại đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự sống [6].
Hình 1.1. Cấu hình phân tử ozone [5]
1.1.1 Nguồn gốc và phân bố
Ozone được phát hiện chủ yếu trong 2 miền của khí quyển trái đất. Hầu hết
lượng ozone (90%) nằm trong tầng ozone có độ cao từ 15 đến 35 km tính từ bề mặt
trái đất. Tầng ozone này nằm ở miền dưới tầng bình lưu của khí quyển trái đất. Phần
ozone còn lại nằm trong tầng đối lưu (Hình 1.2) [2].

23.
7
Hình 1.2. Phân bố ozone trong khí quyển [2]
Tầng ozone được các nhà vật lý người Pháp là Charles Fabry và Henri Buisson
phát hiện ra năm 1913. Các khảo sát chi tiết tầng ozone được nhà khí tượng học
người Anh là G.M.B.Dobson thực hiện. Ông đã triển khai thiết bị quang phổ kế đơn
giản (Dobsonmeter) để đo đạc, quan trắc ozone trong tầng bình lưu từ mặt đất. Trong
khoảng thời gian từ 1928 đến 1958, Dobson đã thực hiện một mạng lưới quan trắc
quốc tế đo hàm lượng ozone trên tầng bình lưu rất thuận tiện và vẫn còn tiếp tục hoạt
động cho đến ngày nay [2].
Các phản ứng cơ bản đóng góp vào quá trình hình thành ozone trong khí quyển
bao gồm [7]:
𝑂 ℎ𝜈 𝜆 242,3𝑛𝑚 → 𝑂 𝑂
𝑂 𝑂 → 𝑂
𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗
(M là một phân tử thứ ba, lấy đi năng lượng của các gốc tự do O và O2)
3𝑂 ℎ𝜈 𝑈𝑉 ↔ 2𝑂
Ozone bị phân hủy bởi quá trình quang phân và phản ứng với các nguyên tử
oxy [7]:
𝑂 ℎ𝜈 𝜆 1100𝑛𝑚 → 𝑂 𝑂
𝑂 𝑂 → 2𝑂
𝑂 𝑋 → 𝑋𝑂 𝑂 (X có thể là O, NO, OH, Br hoặc Cl)

24.
8
Các nguyên tử oxy cũng có thể trải qua va chạm trước khi tạo thành ozone
[7]:
𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗
Những phản ứng nêu trên mô tả các phản ứng hóa học khống chế nồng độ
ozone trong tầng bình lưu. Những phản ứng này xảy ra một các đồng thời, tạo ra và
phân hủy ozone trong tầng bình lưu một cách cân bằng. Nồng độ ozone tổng thể chỉ
có thể thay đổi khi có sự xuất hiện các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ con người,
chẳng hạn như chlorofluorocarbons (CFCs). CFCs được dùng trong các sản phẩm
như tủ lạnh, máy điều hòa không khí, các dung môi tẩy rửa, bình chữa cháy, bình xịt
son khí, bình khí gas xủi bọt dùng một lần trong sản xuất,… CFCs có thời gian sống
khá lâu trong khí quyển từ 75 tới 100 năm và là một trong những nguyên nhân chính
gây ra sự suy giảm ozone trong tầng bình lưu. Một phân tử CFC có thể phá vỡ liên
kết đến 100.000 phân tử ozone [7].
Không như sự hình thành của ozone trong tầng bình lưu, ozone tầng đối lưu
được sinh ra trong khoảng 50 m tính từ mặt đất thông qua các phản ứng quang hóa
với các oxít nitơ NOx và các phân tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic
Compound – VOC) dưới tác dụng của bức xạ mặt trời. VOC có thể được thải ra từ
các nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc và tinh chế dầu, các trạm khí gaz và xe cộ.
Bên cạnh các nguồn nhân tạo, VOC có thể phát sinh trong tự nhiên từ dầu trong thực
vật sống, được bốc hơi trong những điều kiện khắc nghiệt, nhất là vào những ngày
hè nóng nực. Oxít nitơ (NOx) thường được phát ra từ sự đốt cháy của các nhiên liệu
hóa thạch như dầu, khí gaz và than đá. Trong khí quyển, ozone được tạo ra bởi sự
quang phân NO2, giải phóng một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy này tự do kết hợp
với phân tử oxy để tạo thành ozone cùng với NO [7,8,9]:
𝑁𝑂 ℎ𝜈 𝜆 380𝑛𝑚 → 𝑁𝑂 𝑂
𝑂 𝑂 𝑀 → 𝑂 𝑀∗
NO có thể phản ứng trở lại với phân tử ozone để tạo sự cân bằng. Tuy nhiên,
NO lại phản ứng với HO2 hoặc các gốc hữu cơ của VOC khác, nên số NO có thể phá
hủy phân tử ozone sẽ giảm đi. Sự có mặt của các sản phẩm hóa học có nguồn gốc từ
tự nhiên và từ con người đã thúc đẩy quá trình hình thành ozone vượt ngưỡng cho
phép. Mặt khác, phản ứng tự quang phân của ozone diễn biến một cách chậm sẽ giúp
cho ozone hình thành trong tầng đối lưu (Hình 1.3). Ozone trong tầng đối lưu là thành

25.
9
phần chủ yếu tạo nên sương khói quang hóa trong môi trường đô thị, chỉ một phần
ozone không đáng kể trong tầng đối lưu sẽ khuếch tán lên tầng bình lưu [7,8,9].
Hình 1.3. Minh họa sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu [15]
Nồng độ ozone cao nhất có xu hướng tập trung ở trong và xung quanh đô thị,
nơi phát sinh ra những tiền chất cần thiết cho quá trình tạo ra ozone, và thường có
đỉnh vào giữa trưa và xuống thấp nhất vào ban đêm. Tuy nhiên, khu vực nông thôn
cũng có thể có nồng độ ozone cao do sự lan truyền trong khí quyển (Hình 1.4).
Hình 1.4. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi
trong ngày tại Trung Quốc[10]

26.
10
Hình 1.5. Nồng độ ozone thay đổi theo ngày trong tháng đo tại trạm SRVx
(Chesapeake Bay – Mỹ) [11]
Hình 1.6. Nồng độ ozone bề mặt trung bình các năm 2013-2015 thay đổi
theo tháng trong năm tại Trung Quốc [10]
Nồng độ ozone cũng thay đổi từ ngày này sang ngày khác tùy thuộc vào tình
trạng thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, … (Hình 1.5). Do nồng độ ozone phụ
thuộc vào nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời nên nồng độ cao của ozone thường xảy
ra vào những tháng hè nóng nực (Hình 1.6).

27.
11
1.1.2 Tiết diện hấp thụ của ozone
Tiết diện hấp thụ của ozone trong vùng bước sóng từ 200 đến 1100 nm bao
gồm bốn băng hấp thụ : Hartley, Huggins, Chappuis và Wulf (Hình 1.7). Các băng
hấp thụ được đặt tên theo tên các nhà khoa học đi tiên phong trong nghiên cứu sự
hấp thụ của ozone. Năm 1880, một năm sau khi Marie A. Cornu nhận thấy bức xạ
của Mặt trời đến bề mặt của Trái đất bị giới hạn ở vùng bước sóng ngắn phải do sự
có mặt của một chất hấp thụ trong khí quyển, Walther N. Hartley đã mô tả sự phù
hợp giữa tính chất hấp thụ mạnh của ozone trong vùng phổ từ 200 đến 300 nm với
yêu cầu của một chất hấp thụ như vậy. Cũng trong năm này, J. Chappuis đã nghiên
cứu sự hấp thụ yếu hơn trong vùng khả kiến (400-750 nm) trong ozone lỏng. Năm
1890, William Huggins phát hiện ra sự hấp thụ ozone giữa vùng bước sóng 300 –
360 nm khi nghiên cứu quang phổ sao Thiên Lang (Sirius). Trong hai năm 1926-
1927, Oliver R. Wulf có các nghiên cứu đầu tiên về sự hấp thụ của ozone trong vùng
hồng ngoại gần (750-950 nm). Hiện nay, bộ số liệu hấp thụ ozone với độ phân giải
bước sóng khác nhau (0,05 nm, 0,015 nm và 0,01 nm) và nhiệt độ đã được công bố
trong nhiều công trình [12]. Tuy nhiên, cấu trúc mức năng lượng, tính toán mô phỏng
và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phổ hấp thụ của ozone vẫn đang được quan tâm bởi
nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới để có thể tăng độ chính xác của mô hình lý
thuyết với dữ liệu thực nghiệm [13]. Các băng phổ hấp thụ mạnh Hartley và Huggins
đặc biệt quan trọng trong quan trắc khí quyển bằng kỹ thuật viễn thám và được sử
dụng trong các quang phổ kế hay thiết bị LIDAR đặt cả trên vệ tinh và dưới mặt đất.
Một số vệ tinh sử dụng băng phổ hấp thụ Chappuis và Wulf trong việc quan trắc phân
bố ozone. Hai băng Chappuis và Wulf cũng rất cần thiết để quan trắc các thành phần
hàm lượng nhỏ khác, son khí và đám mây trong khí quyển [13,14].

28.
12
Hình 1.7. Tiết diện hấp thụ và các băng hấp thụ của ozone [6,13,14].
1.1.3 Vai trò và tác động của ozone
Trong phổ bức xạ điện từ, vùng tử ngoại (ultraviolet-UV) được chia ra làm ba
miền: UV-A có bước sóng 400-320 nm; UV-B có bước sóng 320-280 nm và UV-C
có bước sóng <280 nm. Bức xạ UV-A cần thiết cho con người để giúp tổng hợp
vitamin D. Tuy nhiên, các bước sóng UV, thậm chí cả UV-A nếu phơi quá nhiều,
đều gây nên sự cháy da, ung thư da, tiêu diệt hệ thống miễn dịch và làm đục thủy
tinh thể [16].
Thành phần chủ yếu trong khí quyển là oxy đã lọc UV trong bức xạ mặt trời
ở các bước sóng < 230 nm. Ở bước sóng 230 nm, chỉ 1 phần 1016
cường độ bức xạ
Mặt trời bên ngoài khí quyển đi tới mặt đất. Với những bước sóng lớn hơn 230 nm,
chỉ duy nhất có một thành phần của khí quyển có khả năng ngăn chặn một cách có ý
nghĩa các bức xạ Mặt trời là ozone. Mặc dù không nhiều như oxy nhưng ozone có
khả năng hấp thụ mạnh các bước sóng trong khoảng 240-300 nm (dải hấp thụ
Hartley) (Hình 1.7). Ở bước sóng 250 nm, ozone trong tầng bình lưu chỉ cho xuyên
tới mặt đất một lượng bé hơn 1 phần 1030
của bức xạ mặt trời. Vì vậy, ozone trong
tầng bình lưu có một vai trò hết sức quan trọng đối với trái đất, nó là lá chắn che chở
các tia bức xạ UV của mặt trời, duy trì sự sống trên hành tinh. Ngoài ra, do hấp thụ
ánh sáng tử ngoại nên ozone trở thành nguồn nhiệt cho tầng bình lưu, góp phần gia
tăng nhiệt độ và tạo ra cấu trúc nhiệt độ của tầng bình lưu [16].

29.
13
Ngược lại với tác dụng tốt của ozone trong tầng bình lưu, ozone với hoạt tính
oxy hóa mạnh, hiện diện trong tầng đối lưu, nhất là lớp khí quyển ngay bên trên mặt
đất lại có tác động xấu đến sự sống. Dù chỉ chiếm thành phần nhỏ (cỡ vài chục phần
tỷ - ppb), nhưng khí ozone là thành phần đóng góp quan trọng vào khói bụi ô nhiễm
(photochemical smog), đặc biệt là trong các đô thị lớn, các khu công nghiệp, là một
trong những tác nhân chính ảnh hưởng đến sức khỏe con người, sự sống của các sinh
vật, và đóng góp vào hiệu ứng nhà kính, gây nên sự nóng lên toàn cầu. Sự có mặt
vượt ngưỡng cho phép của ozone sẽ gây nên các bệnh lý như đău ngực, ho, nôn ói,
viêm họng, sung huyết, viêm cuống phổi, rối loạn tim, hen suyễn, v.v…. Ozone gây
hại cho các vật liệu nylon, cao su và một số loại gạch trong công trình kiến trúc.
Ozone cũng tác động tới nền kinh tế khi làm thiệt hại tới mùa màng và cây rừng [17].
Để phát triển bền vững, bảo vệ môi trường sống, ngoài việc ký kết các công
ước quốc tế nhằm thức đẩy việc hạn chế khí thải vào khí quyển hàng năm, việc quan
trắc, theo dõi nồng độ và phân bố ozone trong các lớp khí quyển tầng thấp cũng như
tầng cao là công việc rất cần thiết nhằm phục vụ tốt công tác dự báo, phòng chống ô
nhiễm không khí, nghiên cứu động học ozone khí quyển và sự xuất hiện các lỗ hổng
trên tầng ozone.
1.2 Đo đạc quan trắc ozone trong khí quyển
1.2.1 Khái quát chung
Ozone trong khí quyển được đo đạc từ các thiết bị đặt trên mặt đất, trên các vật
thể bay như bóng thám không, tên lửa, máy bay và trên vệ tinh (Hình 1.8). Sự phát
triển của việc đo đạc và quan trắc ozone được minh họa trong Hình 1.9. Ozone khí
quyển được đo cả bằng kỹ thuật đo trực tiếp (in situ) và kỹ thuật viễn thám (remote
sensing). Đo đạc nồng độ ozone trực tiếp được thực hiện bằng cách lấy và phân tích
mẫu của không khí để xác định hàm lượng ozone thông qua kỹ thuật quang học, hóa
học hoặc điện hóa. Đo đạc viễn thám được thực hiện bằng các kỹ thuật hấp thụ vi
sai. Do ozone có phổ hấp thụ rộng và mạnh trong vùng bước sóng tử ngoại từ 100 -
340 nm, các băng phổ hấp thụ yếu hơn xung quanh 600 nm trong vùng khả kiến và
hồng ngoại gần (Hình 1.7) nên nhờ việc đo phổ phát xạ của mặt trời hoặc các nguồn
sáng nhân tạo sau khi chiếu rọi qua ozone khí quyển, chúng ta có thể xác định lượng
ozone theo quãng đường quang học.

30.
14
Hình 1.8. Đo ozone trong khí quyển [2]
Hình 1.9. Minh họa tiến trình phát triển đo đạc quan trắc ozone [12,18].
(BUV: Backscatter UltraViolet spectrometer; LIDAR: LIght Detection And
Ranging; TOMS: Total Ozone Mapping Spectrometer; DOAS: Differential Optical
Absorption Spectroscopy; SCIAMACHY: SCanning Imaging Absorption
spectroMeter for Atmospheric CHartographY; OMI: Ozone Monitoring Instruments;
OMPS: Ozone Mapping and Profiler Suite).

31.
15
Bảng 1.1: Tóm lược các đơn vị đo ozone [19]
Ozone cục bộ Đơn vị Cột ozone Đơn vị
Áp suất riêng phần millipascal Tổng lượng ozone m-atm-cm
10-3
cm ozone ở
STP DU
Tỷ số hỗn hợp khối g g-1
Tỷ số hỗn hợp thể tích ppmv
Nồng độ cục bộ phân tử cm-3
Mật độ cột m-atm-cm km-1
phân tử m-3
Mật độ cục bộ g m-3
g cm-3
Các đơn vị đo ozone thông dụng được trình bày tóm lược trong Bảng 1.1.
Trong bảng có sử dụng đơn vị Dobson, đơn vị này được sử dụng để bày tỏ lòng trân
trọng với những đóng góp ban đầu của G.M.B. Dobson trong lĩnh vực đo đạc ozone
khí quyển. Đơn vị Dobson (Dobson unit – DU): số đo tổng lượng ozone trong một
cột thẳng đứng bằng với bề dày 10-5
m của ozone tinh khiết ở STP. Milliatmosphere
centimetre (m-atm-cm): số đo tổng lượng ozone bằng với bề dày 10-3
cm của ozone
tinh khiết ở STP (1 m-atm-cm tương đương với 1DU).
1.2.2 Nguyên lý phương pháp đo ozone trong khí quyển
Có hai đặc trưng của ozone khí quyển thường xuyên được đo đạc và báo cáo
bởi các hệ thống quan trắc mặt đất và vệ tinh là tổng lượng cột ozone và phân bố mật
độ ozone theo phương thẳng đứng [19]. Ngoài ra, một thông số khác thường xuyên
được quan trắc là mật độ ozone bề mặt hay mật độ ozone trong môi trường không
khí xung quanh, biểu thị nồng độ cục bộ của ozone trong lớp không khí khoảng vài
mét tại một địa điểm cụ thể trên bề mặt trái đất [20]. Thiết bị thường được sử dụng
để đo mật độ ozone bề mặt là thiết bị đo ánh sáng Quang kế UV (Hình 1.10). Quang
kế UV đo nồng độ ozone bằng cách so sánh cường độ tín hiệu ở bước sóng 253,7 nm
khi có và không có sự hiện diện của ozone trong buồng lấy mẫu. Thiết bị này đo trực
tiếp mật độ ozone với độ tin cậy cao, ổn định, nhưng chỉ phù hợp cho đo đạc ozone
trong phòng thí nghiệm, khó triển khai ứng dụng đo ozone trong khí quyển.

32.
16
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý quang kế UV đo mật độ ozone bề mặt [21]
1.2.2.1 Đo tổng lượng cột ozone
Tổng lượng cột ozone chỉ ra lượng ozone toàn phần trong một cột khí quyển
thẳng đứng trải từ mặt đất tới bờ trên của lớp khí quyển. Đơn vị thường dùng cho
tổng lượng ozone là độ dày của lớp ozone tinh khiết trong điều kiện nhiệt độ và áp
suất chuẩn (Standard Temperature and Pressure – STP, 0o
C và 101325 Pa) và mật
độ cột thẳng đứng (số phân tử trên đơn vị diện tích).
Tổng lượng cột ozone được đo bằng kỹ thuật viễn thám với các thiết bị có thể
đặt trên mặt đất hoặc trên vệ tinh để đo bức xạ ánh sáng trong dải phổ hấp thụ UV
của ozone giữa 300 và 340 nm [19]. Tổng lượng ozone đo từ mặt đất dùng bức xạ
mặt trời trực tiếp, bức xạ mặt trăng trực tiếp và bức xạ từ bầu trời. Nếu thực hiện đo
từ không gian, phép đo sẽ là đo bức xạ UV của mặt trời tán xạ ngược vào không gian
bởi khí quyển của trái đất.
Hình 1.11. Sơ đồ các bộ phận chính của Quang phổ kế Dobson [23]

33.
17
Các thiết bị viễn thám đặt trên mặt đất đo cường độ ánh sáng UV ở các bước
sóng trong vùng phổ hấp thụ của ozone có thể được sử dụng để xác định tổng lượng
ozone bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ vi sai (Differential Optical Absorption
Spectroscopy – DOAS). Hiện nay, hầu hết các thiết bị quan trắc ozone từ mặt đất đều
thuộc Chương trình Quan sát Khí quyển toàn cầu của Tổ chức khí tượng thế giới
(WMO GAW Programme): quang phổ kế ozone Dobson [22,23] (Hình 1.11), quang
phổ kế ozone Brewer [24,25], và ozone kế bộ lọc (filter ozonemeter) M-124 [26].
Phương pháp có độ chính xác cao để xác định tổng lượng ozone là đo trực
tiếp bức xạ mặt trời ở dải bước sóng UV giữa 305 và 340 nm từ thiết bị đặt trên mặt
đất. Phương pháp này dựa trên định luật Lambert-Beer xác định cường độ bức xạ
trực tiếp đến bề mặt của trái đất của bức xạ I0λ ở bước sóng λ sau khi đã bị suy giảm
bởi các thành phần khí quyển có tổng lượng cột là Xi [19]:
𝐼 𝐼 𝑒 ∑
(1.1)
Trong đó:
I0λ là một hằng số bằng Iλ đo bởi thiết bị nếu thiết bị đặt ngoài khí quyển
λi là các hệ số suy hao được đo trong phòng thí nghiệm của các thành phần
làm suy giảm bức xạ
i là tỉ số giữa quãng đường tia sáng chiếu xiên qua lớp có thành phần Xi với
độ dày của lớp này (relative optical air masses).
Nếu quang phổ kế đo cường độ Iλ ở một vài bước sóng λi với sự hấp thụ ozone
khác nhau, ảnh hưởng của các thành phần gây ra sự suy hao (chủ yếu là son khí) có
thể được loại trừ bởi các tổ hợp tuyến tính của công thức (1.2).
Hình 1.12. Đường đi của ánh sáng tới quang phổ kế [19].

34.
18
Để đo tổng lượng ozone, đường đi của ánh sáng mặt trời tới quang phổ kế có
thể được minh họa như trong Hình 1.12. Hình vẽ cho đường đi ánh sáng mặt trời
ngang qua lớp ozone trong lớp khí quyển của trái đất.
Cường độ tia mặt trời Iλ ở bước sóng λ được đo trên mặt đất tính theo công
thức sau [19]:
𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝛼 𝑋𝜇 𝛼 𝑋 𝜇 𝛽 𝜇 𝛿 𝑠𝑒𝑐 𝜃 (1.2)
Trong đó:
I0λ là cường độ bức xạ bên ngoài khí quyển trái đất ở bước sóng λ;
λ hệ số hấp thụ ozone ở bước sóng λ (nm);
X là tổng lượng cột ozone trong khí quyển (ở STP);
 là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp ozone với độ dày của lớp ozone;
’λ là hệ số hấp thụ của dioxít sunphua ở bước sóng λ (nm);
X’ là tổng lượng cột dioxít sunphua trong khí quyển (ở STP);
’ là tỉ số giữa đường đi của tia sáng xiên qua lớp dioxít sunphua với độ dày của lớp
dioxít sunphua;
λ là hệ số tán xạ phân tử Rayleigh của không khí ở bước sóng λ;
µa là tỉ số giữa đường đi của tia sáng đi xiên qua toàn bộ khí quyển với bề dày của
toàn bộ khí quyển;
δλ là hệ số tán xạ của các hạt son khí ở bước sóng λ (nm);
θ là góc giữa tia sáng và phương thẳng đứng.
Để tăng độ chính xác của phép đo ozone, việc đo đạc được thực hiện với một
số bước sóng. Nếu ảnh hưởng của dioxít sunphua và sương mù được bỏ qua, dạng
công thức (1.2) có thể viết lại như sau [19]:
𝐹 𝛽𝜇 𝐹 𝛼𝑋𝜇 (1.3)
Với: 𝐹 ∑ 𝑤 log 𝐼 ; 𝐹 ∑ 𝑤 log 𝐼 ; 𝛽 ∑ 𝑤 𝛽 và 𝛼 ∑ 𝑤 𝛼 .
Giá trị trọng số wλ được lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng của các thành phần khác
trong khí quyển mà chủ yếu là son khí. Từ công thức (1.3) có thể suy ra giá trị của
tổng lượng ozone như sau [19]:
𝑋 (1.4)

35.
19
1.2.2.2 Đo phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng
Phân bố mật độ ozone theo phương thẳng đứng cho biết nồng độ ozone như là
một hàm của độ cao hay áp suất môi trường. Lượng ozone ở mỗi độ cao hay mực áp
suất trong khí quyển thường được biểu diễn như là áp suất riêng phần, tỷ số hỗn hợp
hoặc nồng độ cục bộ. Tổng của phân bố ozone thẳng đứng từ mặt đất tới bờ trên của
khí quyển là tổng lượng cột ozone.
Phân bố ozone thẳng đứng được đo bởi đầu dò ozone (ozonesonde), kỹ thuật
Umkehr sử dụng thiết bị viễn thám là các quang phổ kế đặt trên mặt đất hoặc gắn
trên vệ tinh và thiết bị LIDAR (LIght Detection And Ranging) [19].
 Đầu dò ozone:
Các đầu dò ozone được thả bay theo các bóng thám không quan trắc thời tiết
để đo phân bố phân giải theo độ cao của ozone khí quyển. Kỹ thuật đo đạc dùng đầu
dò ozone là kỹ thuật đo trực tiếp, dựa trên nguyên lý oxi hóa điện hóa của potassium
iodine (KI) bởi ozone trong một dung dịch ngậm nước. Thành phần chính của đầu
dò ozone bao gồm buồng phản ứng chứa dung dịch KI đóng vai trò là bộ phận cảm
biến ozone, một bơm không khí, một nguồn điện và một mạch điện tử giao tiếp và
chuyển đổi dòng điện thành tín hiệu radio truyền về trạm thu mặt đất. tất cả được đặt
trong hộp bảo vệ chống va đập và nhiệt độ thấp.
Có hai loại kết cấu đầu dò ozone: ECC (electrochemical cell) và Brewer-Mast
[27]. Đầu dò ECC có 2 buồng nhỏ chứa KI và ngăn cách nhau bởi màng ngăn. Mỗi
buồng có một điện cực platin. Không khí được bơm vào một buồng và ozone sẽ phản
ứng với KI tạo iodine I2 qua phương trình phản ứng [27]:
2KI + O3 + H2O --> 2KOH +I2 +O2
Khi muối KI chuyển thành I2 thì 2 buồng sẽ mất cân bằng điện tích và sẽ có
dòng electron giữa 2 buồng. Dòng điện sẽ được đo để tính toán ra áp suất riêng phần
của ozone khí quyển.
Khác với đầu dò trong ECC, đầu dò Brewer-Mast chỉ có một buồng phản ứng,
có một điện cực cathode platin và một điện cực anode bạc. Ở cathode platin, I2 bị
oxy hóa theo phản ứng:
I + 2 e-
 2I-
Ở điện cực anode (dây) bạc, bạc bị oxy hóa bởi muối iode:

36.
20
2I-
+ 2Ag  AgI + 2e-
Vì AgI bền vững, nó bám ở điện cực và không tham gia các phản ứng nào
khác. Nếu một điện thế 410 mV được áp giữa lưới platin và dây bạc, thế phân cực
giữa anode và cathode được bù trừ và không có dòng electron nào giữa chúng. Nồng
độ của KI và I2 trong buồng phản ứng ở trạng thái cân bằng điện hóa. Nếu một phân
tử ozone đi vào dung dịch muối, nó phản ứng với muối iode theo phương trình:
O3 + 2 H+
+ 2I-
=> I2 + H20 +O2
Kết quả là sự cân bằng bị phá vỡ và 2 electron sẽ chạy về anode để sự cân
bằng được tái lập. Dòng điện sẽ cho một số đo tuyệt đối về lượng ozone tham gia
phản ứng trong một đơn vị thời gian.
N phân tử ozone cho một điện tích Q=N.2.e. Theo định luật khí lý tưởng thì:
p.Vrc=N.k.T (1.5)
với p là áp suất riêng phần cho ozone; Vrc là thể tích; N là số phân tử ozone;
k là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ tuyệt đối, chúng ta sẽ có:
p.Vrc = Q.k.T/(2.e) (1.6)
Khi Q = i.t, với i là dòng điện được đo và t là thời gian:
p = i.k.T/(2.e) . t/Vrc (1.7)
hay:
p = 4,31.10-3
.i.T.t/Vrc (1.8)
trong đó:
p là áp suất riêng phần của ozone (milipascal)
i là dòng điện được đo (A)
T là nhiệt độ của bơm (o
K)
Vrc/t là thể tích không khí Vrc được bơm qua buồng trong thời gian t (100ml.s-1
).
Kỹ thuật bóng thám không dùng các đầu dò ozone là thông dụng nhất, là cột
trụ cho việc đo đạc phân bố ozone thẳng đứng từ những năm 60 của thế kỷ trước.
Dùng bóng thám không, phân bố ozone theo phương thẳng đứng đã được xác định
với độ phân giải từ vài chục mét tới trên 1 km, từ bề mặt trái đất đến độ cao 35km,
với độ chính xác 5%-10% [19]. Các đầu dò ozone điện hóa rất được ưa chuộng vì
giá thành không quá cao, hoạt động ở mọi miền khí hậu và trong cả những điều kiện
thời tiết khắc nghiệt. Tuy nhiên, có nhiều hạn chế do các thiết bị phục vụ đo đạc

37.
21
không phù hợp với việc đo đạc liên tục theo không gian và thời gian. Sự phân bố
ozone trong khí quyển thay đổi nhanh trong ngày nên khó có thể giám sát nồng độ
ozone bằng các bóng thám không. Hơn nữa, các bóng thám không được thả tự do,
không thể điều khiển và cũng không thể thu hồi. Mặc dầu được kiểm tra trước khi
thả cùng bóng thám không nhưng không thể tránh được những hư hỏng trong khi bay
và sự ổn định giữa các đầu dò cũng khó duy trì.
 Kỹ thuật Umkehr:
Phân bố ozone thẳng đứng được đo từ mặt đất với kỹ thuật Umkehr. Cơ sở của
phương pháp viễn thám này dựa trên hiệu ứng Umkehr được quan sát khi sử dụng
quang phổ kế tử ngoại để đo cường độ I và I’ ở hai bước sóng  và ’. Ở bước sóng
, sự hấp thụ của ozone mạnh hơn so với ở bước sóng ’ và thông thường các cặp
bước sóng được lựa chọn trong băng phổ Huggin. Giá trị log(I/I’) biến đổi như là
một hàm của góc  hợp bởi phương của tia sáng mặt trời và phương thẳng đứng (góc
zenith). Sự phụ thuộc của log(I/I’) vào  đã được Götz, Meetham và Dobson giải
thích là do sự phân bố của ozone theo phương thẳng đứng [28]. Sự phụ thuộc này
càng rõ rệt khi Mặt trời ở gần với đường chân trời (bình minh hoặc hoàng hôn), khi
đó tia sáng Mặt trời phải đi một quãng đường dài hơn xuyên qua lớp ozone trong khí
quyển. Đường cong biểu diễn giá trị log(I/I’) theo góc  được gọi là đường Umkehr
(Hình 1.13) [29].
Kỹ thuật Umkehr đã được triển khai từ năm 1934 [28], cho phép đo đạc phân
bố ozone với độ phân giải thấp. Trong kỹ thuật này, tỷ số cường độ ánh sáng tán xạ
theo phương thẳng đứng từ bầu trời khi góc tới của tia Mặt trời giữa 60o
và 90o
(Hình
1.14) được đo đạc. Thiết bị thường được sử dụng để đo đạc với kỹ thuật Umkehr là
quang phổ kế Dobson và quang phổ kế Brewer.
Trong kỹ thuật Umkehr, khí quyển được phân chia thành các lớp và mật độ
ozone cho mỗi lớp được giả sử. Bằng việc tính toán sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng
cho các độ cao khác nhau, đường Umkehr lý thuyết sẽ được suy ra. Sau đó, mật độ
ozone sẽ được hiệu chỉnh cho đến khi trùng khớp giữa đường Umkehr lý thuyết và
đường Umkehr thực nghiệm.

38.
22
Hình 1.13. Đường Umkehr quan trắc tại hai bước sóng 311,4 nm và 332,4 nm [29]
Hình 1.14. Sơ đồ tia bức xạ mặt trời đi qua lớp ozone ở độ cao h trong khí quyển
và tán xạ đến thiết bị đo [29 ]
Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu phát triển thuật toán xác định mật độ
ozone dùng kỹ thuật Umkehr [28–36]. Thuật toán cổ điển phân chia khí quyển thành
5 lớp tính từ mặt đất, độ cao mỗi lớp ~15 km. Còn hiện nay, khí quyển thường được

39.
23
chia thành 16 lớp nên độ phân giải mật độ ozone trong kỹ thuật Umkehr đạt đến ~ 5
km [36]. Tương tự như các máy quang phổ đặt ở mặt đất, các máy quang phổ đặt trên
vệ tinh dùng kỹ thuật Umkehr để đo phân bố ozone cũng sẽ đo tỷ số cường độ ánh
sáng tán xạ của Mặt trời ở các cặp bước sóng nằm trong băng phổ Huggin. Tuy nhiên,
thay vì đo tia tán xạ đến mặt đất, các máy quang phổ đặt trên vệ tinh sẽ đo tia tán xạ
của ánh sáng Mặt trời ra ngoài khí quyển của Trái đất.
Việc quan trắc phân bố ozone theo phương thẳng đứng dùng kỹ thuật Umkehr
bằng các máy quang phổ đặt trên mặt đất hay trên vệ tinh có ưu điểm lớn là cung cấp
được bản đồ ozone toàn cầu. Hiện nay, các số liệu đo bằng phương pháp này vẫn
thường xuyên được cập nhật và phân tích tại Trung tâm Số liệu UV và Ozone thế
giới (World Ozone and Ultraviolet Data Centre – WOUDC) [19]. Tuy nhiên, quan
trắc dùng kỹ thuật Umkehr cho các kết quả phân bố nồng độ ozone với độ phân giải
thô về không gian và thời gian, không cho phép chúng ta có được những thông tin về
những biến đổi của nồng độ ozone trong khoảng thời gian ngắn tại những vùng miền
hay từng địa phương, chỉ có thể đo đạc phân bố ozone vào thời điểm Mặt trời mọc
hay lặn, và cũng giống như các kỹ thuật viễn thám khác, kỹ thuật Umkehr cũng đòi
hỏi điều kiện trời trong khi thực hiện đo đạc.
Ngoài ra, một số các kỹ thuật viễn thám như phát xạ nhiệt hồng ngoại (infrared
thermal emission), phát xạ nhiệt vi sóng (microwave thermal emission), và hấp thụ
hồng ngoại (infrared absorption), cũng vừa được một số nhà nghiên cứu phát triển
để sử dụng trong đo đạc phân bố ozone [19]. Một số kỹ thuật này đã bắt đầu cung
cấp số liệu phục vụ lưu trữ điều tra cơ bản.
 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai:
LIDAR là một hệ rađa quang học. LIDAR đã có đóng góp to lớn vào sự hiểu
biết của con người đối với khí quyển của trái đất trong nhiều thập kỷ qua. Để đo đạc
phân bố ozone theo độ cao, kỹ thuật được sử dụng là LIDAR hấp thụ vi sai. Hiện
nay, kỹ thuật này rất được quan tâm phát triển để sử dụng đo phân bố ozone thẳng
đứng do có thể thực hiện việc đo đạc với độ phân giải không gian và thời gian cao,
có thể quan trắc liên tục theo thời gian, vị trí đo cơ động, và có thể đo đạc cả ngày
lẫn đêm. Các hệ LIDAR hấp thụ vi sai còn có thể hoạt động ngay khi có lượng mây
che không đáng kể. Trong phần 3 của Chương 1 tiếp theo, kỹ thuật LIDAR, LIDAR

40.
24
hấp thụ vi sai sẽ được trình bày từ nguyên lý cơ bản đến việc sử dụng kỹ thuật này
trong đo đạc phân bố ozone khí quyển.
1.3 Nguyên lý đo đạc phân bố ozone trong khí quyển tầng thấp dùng kỹ thuật
LIDAR hấp thụ vi sai
1.3.1 Cơ sở vật lý của kỹ thuật LIDAR và LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR là một kỹ thuật viễn thám, sử dụng bức xạ laser như cảm biến để đo
đạc từ xa. Trong các kỹ thuật viễn thám, chỉ có LIDAR là kỹ thuật viễn thám chủ
động do chúng ta có thể chủ động điều khiển nguồn phát năng lượng bức xạ, trong
khi các phương pháp viễn thám khác để quan trắc nồng độ ozone đều là kỹ thuật thụ
động, sự quan trắc phụ thuộc vào nguồn sáng tự nhiên (Mặt trời, Mặt trăng) hay các
nguồn bức xạ điện từ trường khác. Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật LIDAR gồm các
thành phần chính là bộ phát bức xạ laser; bộ thu bức xạ tán xạ ngược trở về từ khí
quyển; bộ điều khiển, thu ghi tín hiệu; phần mềm xử lý và phân tích số liệu (Hình
1.15).
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật LIDAR [37]
Trong kỹ thuật LIDAR, bức xạ laser sẽ tương tác với các thành phần của khí
quyển bao gồm các phân tử, nguyên tử, son khí và hơi nước. Khi đó, các quá trình
vật lý xảy ra bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman, tán xạ cộng hưởng,
huỳnh quang, hấp thụ, hấp thụ và tán xạ vi sai (differential absorption and scattering

41.
25
– DAS). Các quá trình này được mô tả tóm tắt trong Bảng 1.2 kèm theo các hình vẽ
minh họa sự dịch chuyển giữa các mức năng lượng.
Bảng 1.2. Tương tác quang học liên quan đến cảm biến dùng laser [37]
Kỹ thuật Diễn giải quá trình vật lý
Tán xạ
Rayleigh
Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ
các phân tử và nguyên tử với tần số
không đổi
Tán xạ Mie Bức xạ laser được tán xạ đàn hồi từ
các hạt nhỏ hay son khí (có kích
thước cỡ như bước sóng của bức xạ)
với tần số không đổi
Tán xạ
Raman
Bức xạ laser được tán xạ không đàn
hồi từ các phân tử với đặc trưng dịch
chuyển tần số của phân tử (ℎ𝜈
ℎ𝜈∗
𝐸)
Tán xạ cộng
hưởng
Bức xạ laser có tần số phù hợp với
dịch chuyển riêng của nguyên tử
được tán xạ với tiết diện lớn và với
tần số không thay đổi
Huỳnh quang Bức xạ laser có tần số phù hợp với
dịch chuyển điện tử của nguyên tử
hay phân tử được hấp thụ và phát xạ
ra tần số thấp hơn. Sự va chạm dập
tắt có thể làm giảm tiết diện hiệu
dụng của quá trình này. Phát xạ băng
rộng có thể được quan sát với các
phân tử
Hấp thụ Sự suy giảm của tia laser khi tần số
phù hợp với dải hấp thụ của phân tử
Hấp thụ và
tán xạ vi sai
(DAS)
Sự suy giảm vi sai từ các tín hiệu tán
xạ ngược của 2 tia laser khi tần số của
một tia laser hầu như phù hợp với
dịch chuyển của phân tử còn tia thứ
hai thì không

42.
26
Hình 1.16. Tương tác quang học khi dùng cảm biến laser (l
, d
, a
và s
tương
ứng là ký hiệu bước sóng laser, bước sóng đo, bước sóng hấp thụ và dịch chuyển
Raman) [37]
Khoảng tiết diện cho mỗi quá trình được minh họa theo sơ đồ trong Hình 1.16.
Các quá trình này là nguyên nhân gây nên sự suy hao của chùm tia bức xạ laser được
phát bởi hệ LIDAR. Từ Hình 1.16 này có thể nhận thấy tiết diện tán xạ Mie của phân

43.
27
tử, nguyên tử với kích thước thích hợp có thể làm tăng nhiều bậc tín hiệu tán xạ. Điều
này dẫn đến những nồng độ rất thấp (hay một thay đổi nhỏ của nồng độ) của thành
phần được quan trắc hay son khí cũng có thể được phát hiện.Về nguyên tắc, dịch
chuyển Raman đặc trưng riêng cho các phân tử khí, nên có thể dễ dàng xác định nồng
độ tương đối của thành phần nào đó so với một số thành phần quy chiếu, như ni tơ,
từ tỉ số tín hiệu Raman tương ứng với tỉ số tiết diện đã được biết. Tuy nhiên, tiết diện
Raman của ozone nhỏ nên cũng khó phát hiện do bị giới hạn bởi độ nhạy phát hiện
của cảm biến laser. Đối với ozone, tiết diện hấp thụ trong vùng tử ngoại lớn hơn
nhiều tiết diện huỳnh quang và tiết diện tán xạ Raman. Do vậy, sự suy hao của một
chùm tia laser thích hợp gây bởi ozone sẽ là một phương pháp có độ nhạy cao để xác
định mật độ của ozone trong khí quyển cho dù tín hiệu bị suy giảm do tương tác (tán
xạ, hấp thụ) với các thành phần chiếm đa số trong khí quyển [37].
Để tách sự hấp thụ của ozone mà chúng ta quan tâm với thành phần gây suy
hao khác, kỹ thuật đo đạc vi sai được áp dụng. Trong kỹ thuật này, hai tần số được
sử dụng, một ở tâm băng hấp thụ và một ở phần rìa của băng hấp thụ. Ozone có hai
băng hấp thụ lớn là Hartley và Huggin (Hình 1.7) nên chúng thường được sử dụng
trong kỹ thuật hấp thụ vi sai. Thuật ngữ DIAL, viết tắt cho “Differential-Absorption
Lidar” ngày nay đã trở nên thông dụng do tất cả các kỹ thuật viễn thám sử dụng laser
đều được thực hiện theo phương pháp hấp thụ vi sai này.
1.3.2 Hệ LIDAR và phương trình LIDAR
Các bộ phận chức năng và cách thức hoạt động của hầu hết các hệ LIDAR
được minh họa trong Hình 1.17.
Bộ phát của hệ LIDAR thường bao gồm một hệ laser phát xung laser có năng
lượng thích hợp với đối tượng được quan tâm khảo sát, một hệ quang học định hướng
chùm laser vào khí quyển và một bộ phát hiện (trigger) trích một phần nhỏ của xung
laser để đánh dấu thời điểm 0, là thời điểm xung laser được phát ra. Hệ quang học
phát còn có thể có chức năng cải thiện độ chuẩn trực của chùm tia, chặn trường không
gian, hay tránh truyền bức xạ băng rộng có thể làm tăng thêm sai số trong kỹ thuật
LIDAR [3].

44.
28
Hình 1.17. Các thành phần phần chủ yếu của một hệ lidar [3]
Bức xạ tán xạ ngược được thu nhận bởi bộ quang học thu để qua một hệ phân
tích phổ và đầu đo quang điện tử. Hệ phân tích phổ lựa chọn khoảng bước sóng quan
sát và lọc lựa bức xạ nền ở các bước sóng khác. Hệ phân tích phổ có thể là một
monochromator, một polychromator, hoặc một bộ phin lọc phổ băng hẹp cùng với
phin lọc bước sóng laser (trừ khi bước sóng tán xạ đàn hồi được quan tâm). Sự lựa
chọn đầu đo quang điện tử thường là được xác định bằng miền phổ cần khảo sát, loại
ứng dụng và loại laser được sử dụng.
Về nguyên tắc có 2 cấu hình LIDAR cơ bản. Cấu hình với bộ phát và bộ thu
cách xa nhau sử dụng trong các nghiên cứu thăm dò quang học. Ngày nay, cấu hình
này ít được sử dụng khi mà các laser xung nano giây có sẵn hiện nay có khả năng
cho độ phân giải cỡ mét tới vài mét và do vậy, cấu hình với bộ phát và bộ thu ở cùng
một địa điểm thường được dùng trong hầu hết các trường hợp. Cấu hình LIDAR với
bộ phát và thu ở cùng chỗ có thể là đồng trục hoặc lưỡng trục. Trong hệ LIDAR đồng
trục, trục của chùm tia laser trùng với trục của bộ thu, trong khi hệ LIDAR lưỡng
trục thì chùm tia laser chỉ đi vào trường nhìn của bộ thu ở một độ cao xác định. Cấu
hình laser lưỡng trục tránh gặp vấn đề bức xạ tán xạ ngược trường gần gây bão hòa
cho các đầu đo quang điện tử, nhưng về mặt quang học thì không đạt hiệu suất như
hệ lidar đồng trục. Vấn đề tán xạ ngược trường gần có thể giải quyết bằng cách hoặc
dùng cổng cho hệ đầu đo quang điện tử hoặc dùng các hệ chopper cơ quang học.

45.
29
Các telescope Newtonian và Cassegrainian là những bộ phận chính yếu trong
hệ quang học thu ngày nay được minh họa trong Hình 1.18. Hệ LIDAR lưỡng trục
trong Hình 1.18 sử dụng telescope Newtonian. Ưu điểm nhỏ gọn và có tiêu cự dài
được thiết kế trong telescope Cassegrainian khá thông dụng hiện nay. Telescope dựa
trên thấu kính Fresnel lớn bằng nhựa tổng hợp có một số ưu điểm như giá thành,
trọng lượng và kích thước nên rất được chú ý khi phát triển các hệ LIDAR trên các
thiết bị bay. Các quan trắc dựa trên tán xạ Raman thường đòi hỏi kích thước độ mở
của hệ quang học thu lớn, 30 đến 40 cm, trong các hệ LIDAR để nghiên cứu, phát
hiện các thành phần như CO2, H2O, SO2 và ozone trong khí quyển [3].
Hình 1.18. Các cấu hình telescope (a) Newtonian, (b) Gregorian, (c)
Cassegrainian [3]
Tín hiệu LIDAR được thu nhận bởi đầu đo có thể được viết dưới dạng đơn
giản nhất như sau [3]:
𝑃 𝑅 𝐾𝐺 𝑅 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑇 𝑅, 𝜆 (1.9)
Trong đó:
P – cường độ tín hiệu được thu nhận từ độ cao R
K – hằng số hệ thống
G(R) – mô tả thông số hình học phụ thuộc độ cao khi đo
β(R,λ) – hệ số tán xạ ngược ở độ cao R, đại diện cho khả năng khí quyển cho
tán xạ ánh sáng ngược lại hướng mà nó lan truyền tới

46.
30
T(R,λ) – là hệ số truyền, diễn tả ánh sáng bị suy hao trên đường từ hệ LIDAR
tới độ cao R và quay trở ngược lại.
Hai giá trị K và G(R) được xác định hoàn toàn bởi thiết kế hệ LIDAR và có
thể được giám sát, hiệu chỉnh bởi người làm thực nghiệm. Các thông tin trong khí
quyển và những giá trị định lượng có thể đo đạc nằm trong 2 nhân số sau của phương
trình (1.9). Cả β(R) và T(R) là chủ đề nghiên cứu và về nguyên tắc là chưa biết đối
với các nhà thực nghiệm.
Chi tiết hơn, chúng ta có thể viết hệ số K như sau [3]:
𝐾 𝑃 𝐴𝜁 (1.10)
P0 là cường độ trung bình của đơn xung laser, và τ là độ dài thời gian của xung.
Vì thế 𝐸 𝑃 𝜏 là năng lượng xung, và 𝑐𝜏 là độ dài của thể tích được chiếu rọi bởi
xung laser ở một thời điểm cố định. Hệ số ½ là do sự quay lại của xung laser qua quá
trình tán xạ ngược như được minh họa trong Hình 1.19. Khi tín hiệu LIDAR được
phát hiện tại một thời điểm t sau khi cạnh lên của xung được phát ra, ánh sáng tán xạ
ngược từ cạnh lên của xung đến từ độ cao 𝑅 𝑐𝑡 2⁄ . Cùng thời điểm đó, ánh sáng
sinh bởi cạnh xuống của xung laser đến đầu dò LIDAR từ độ cao 𝑅 𝑐 𝑡 𝜏 2⁄ .
Như vậy Δ𝑅 𝑅 𝑅 𝑐𝜏 2⁄ là độ dài của thể tích mà từ đó ánh sáng tán xạ ngược
được đầu dò LIDAR nhận được ở một thời điểm và được gọi là “độ dài xung (không
gian) hiệu dụng”.
Hình 1.19. Minh họa hình học LIDAR [3]

47.
31
A là diện tích của bộ thu quang học để thu nhận ánh sáng tán xạ ngược và 𝜁 là
hiệu suất của hệ. Nó bao gồm hiệu suất quang học của các yếu tố mà ánh sáng truyền
qua và hiệu suất phát hiện. Tiết diện telescope A và năng lượng xung laser, hay công
suất laser trung bình 𝑃 𝐸 𝑓 với tần số lặp lại của xung frep là những thông số
thiết kế đầu tiên của một hệ LIDAR. 𝜁 sẽ được cố gắng tối ưu hóa để có thể nhận
được tín hiệu lidar tốt nhất.
Hệ số hình học [3]:
𝐺 𝑅 (1.11)
bao gồm hàm chồng chập giữa chùm tia laser và trường nhìn thấy của bộ thu O(R)
và số hạng R-2
. Sự giảm bậc 2 của cường độ tín hiệu theo khoảng cách là do diện tích
của telescope chỉ chiếm một phần của mặt cầu bán kính R chung quanh thể tích tán
xạ (xem Hình 1.19). Nếu tán xạ là đẳng hướng ở khoảng cách R, diện tích telescope
chỉ thu nhận một phần nhỏ của tổng cường độ Is được tán xạ vào góc khối 4 [3]:
(1.12)
Nói cách khác, góc khối 𝐴 𝑅⁄ là góc nhận diện (perception angle) của LIDAR
cho ánh sáng tán xạ ở khoảng cách R. Hệ số 4 sẽ không xuất hiện trong phương
trình LIDAR vì nó sẽ được khử bởi định nghĩa hệ số tán xạ ngược β. Sự phụ thuộc
R-2
là nguyên nhân chính cho dạng động học của tín hiệu LIDAR. Hình 1.20 cho thấy
sự giảm tín hiệu hình học theo khoảng cách là kết quả của việc nhân O(R) với R-2
.
Tín hiệu mạnh ở trường gần bị khử đi vài bậc. Trong hầu hết các trường hợp, khí
quyển sẽ gây ra sự suy giảm của tín hiệu theo độ cao.
Hình 1.20. Ảnh hưởng của hàm chồng chập lên động học tín hiệu [3]

48.
32
Hệ số tán xạ ngược β(R,λ) là thông số khí quyển trước tiên xác định cường độ
tín hiệu LIDAR. Nó biểu diễn ánh sáng được tán xạ như thế nào theo phương ngược
lại, tức là tới bộ thu của hệ LIDAR. Hệ số tán xạ ngược là một giá trị riêng của hệ số
tán xạ cho góc tán xạ 𝜃 180 . Gọi Nj là nồng độ của phần tử tán xạ loại j trong thể
tích được chiếu rọi bởi xung laser và 𝑑𝜎 , 𝜋, 𝜆 /𝑑Ω là tiết diện tán xạ vi phân của
các phần tử theo phương ngược lại ở bước sóng λ. Hệ số tán xạ ngược có thể được
viết như tổng của các loại phần tử tán xạ [3]:
𝛽 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅
, ,
(1.13)
Vì nồng độ có đơn vị m-3
và tiết diện tán xạ vi phân là m2
sr-1
, hệ số tán xạ
ngược có đơn vị là m-1
sr-1
.
Nếu chúng ta trở lại với bức tranh đơn giản của tán xạ đẳng hướng và giả sử
rằng chỉ có một loại hạt trong thể tích tán xạ, mối liên hệ giữa hệ số tán xạ ngược và
tiết diện tán xạ đẳng hướng 𝜎 là 4𝜋𝛽 𝑁𝜎 . Cường độ của ánh sáng tán xạ từ
thể tích được chiếu rọi 𝑉 𝐴 Δ𝑅 𝐴 𝑐𝜏/2 với tiết diện tia laser AL, là tỉ lệ với diện
tích 𝐴 𝑁𝜎 𝑉, tức là tiết diện tán xạ của tất cả các phần tử trong thể tích V. Do
vậy, cường độ tương đối của ánh sáng tán xạ là [3]:
(1.14)
Kết hợp với (1.12), chúng ta nhận được tỷ số của cường độ ánh sáng thu và
ánh sáng phát ra
(1.15)
Vế phải của công thức (1.15) diễn tả phần của phương trình LIDAR có liên
quan trực tiếp đến hình học tán xạ, tức là nó có chứa các tính chất kích thước và tán
xạ ngược của thể tích tán xạ và góc nhận diện của hệ LIDAR.
Trong khí quyển, ánh sáng laser bị tán xạ bởi các phân tử không khí và vật
chất dạng hạt, do vậy β(R,λ) có thể được viết như sau [3]:
𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 𝛽 𝑅, 𝜆 (1.16)
Tán xạ phân tử (ký hiệu mol - molecular), chủ yếu xảy ra do các phân tử ni tơ
và oxy, phụ thuộc trước hết vào mật độ không khí và do đó suy giảm theo độ cao,
tức là tán xạ ngược sẽ giảm theo độ cao nếu quan sát từ trái đất, nhưng sẽ tăng trong
trường hợp quan sát ngược lại từ máy bay hay các tàu không gian. Tán xạ hạt (ký

49.
33
hiệu aer cho aerosol – son khí) biến đổi lớn trong khí quyển trên cả hai thang không
– thời gian. Các hạt tán xạ rất phong phú về thể loại: giọt chất lỏng nhỏ, các hạt rắn
không khí ô nhiễm như sun phát, bồ hóng và các hỗn hợp hữu cơ, các hạt bụi hầm
mỏ và muối biển, phấn hoa và vật phẩm sinh học khác, hoặc các loại băng ngưng
giữa trời lớn như mây, giọt mưa, tinh thể băng tuyết và mưa đá.
Với thừa số cuối cùng trong phương trình LIDAR, chúng ta xem xét phần nhỏ
ánh sáng bị mất mát trên quãng đường từ hệ lidar tới thể tích tán xạ và ngược lại. Số
hạng T(R,λ)có thể nhận giá trị từ 0 đến 1 và được cho bởi biểu thức [3]:
𝑇 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.17)
Số hạng này là trường hợp riêng của định luật Lambert-Beer-Bouguer cho
LIDAR. Tích phân lấy trên quãng đường từ hệ LIDAR tới độ cao R. Thừa số 2 đại
diện cho hai lần truyền đi về. Tổng của tất cả những mất mát trên đường truyền được
gọi là sự suy hao ánh sáng và α(R,λ) là hệ số suy hao (extinction coefficient). Nó được
định nghĩa tương tự như hệ số tán xạ ngược, là tích của nồng độ và tiết diện suy hao
𝜎 , cho mỗi loại phần tử tán xạ j,
𝛼 𝑅, 𝜆 ∑ 𝑁 𝑅 𝜎 , 𝜆 (1.18)
Sự suy hao có thể xảy ra do tán xạ và hấp thụ của ánh sáng bởi phân tử và các
hạt. Vì thế, hệ số suy hao có thể viết là tổng của 4 thành phần:
𝛼 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 𝛼 , 𝑅, 𝜆 (1.19)
với các ký hiệu sca và abs đại diện cho tán xạ và hấp thụ. Vì tán xạ theo tất cả các
phương đóng góp vào sự suy hao của ánh sáng, nên tiết diện tán xạ σsca cùng với tiết
diện hấp thụ σabs, cùng có đơn vị m2
, hợp thành tiết diện suy hao:
𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.20)
Từ đó suy ra hệ số suy hao có đơn vị là m-1
.
Như các biểu thức trên đã chỉ ra, cả β và α đều phụ thuộc vào bước sóng của
laser phát. Sự phụ thuộc bước sóng này được xác định bởi kích thước, chiết suất và
hình dạng của các phần tử tán xạ.
Từ các công thức (1.10), (1.11) và (1.17), chúng ta có thể viết lại dạng của
phương trình LIDAR (1.9) như sau:
𝑃 𝑅, 𝜆 𝑃 𝐴𝜁 𝛽 𝑅, 𝜆 𝑒𝑥𝑝 2 𝛼 𝑟, 𝜆 𝑑𝑟 (1.21)

50.
34
Đây là phương trình LIDAR cơ bản. Phương trình này sẽ được sử dụng và có
những thay đổi thích hợp tùy theo từng kỹ thuật LIDAR. Cần lưu ý rằng tín hiệu
LIDAR được phát hiện luôn bao gồm cả tín hiệu nền Pb (b – background) thêm vào
tín hiệu LIDAR mô tả ở trên. Vào ban ngày, tín hiệu nền là do ánh sáng mặt trời trực
tiếp hoặc tán xạ. Còn vào ban đêm, mặt trăng, các vì sao và các nguồn sáng nhân tạo
sẽ đóng góp vào ánh sáng nền. Nhiễu đầu dò cũng là nguồn khác của tín hiệu không
mong muốn. Nền phải được trừ đi trước khi một tín hiệu LIDAR có thể được sử dụng
để phân tích tính toán. Thường thì một số các điểm số liệu từ các điểm tín hiệu cuối,
lúc không có photon tán xạ ngược được ghi nhận hoặc từ những giai đoạn trước khi
phát xung laser được sử dụng để tính toán tín hiệu nền 𝑃 và sai lệch tương ứng Δ𝑃
để tính sai số cho các tín hiệu được đo.
1.3.3 Kỹ thuật LIDAR hấp thụ vi sai
LIDAR hấp thụ vi sai (Differential Absorption LIDAR hay gọi tắt là DIAL)
có khả năng phát hiện các thành phần khí trong khí quyển, nhất là những khí có hàm
lượng nhỏ, với độ nhạy cao [3,37]. Kỹ thuật DIAL sử dụng vạch hấp thụ đơn hoặc
băng phổ hấp thụ rộng của các loại khí. Bằng việc phát hai bước sóng λon và λoff,
bước sóng λon được hấp thụ mạnh hơn bước sóng λoff, hệ số hấp thụ phân tử vi sai
của hai bước sóng Δ𝛼 , sẽ được xác định. Nếu tiết diện hấp thụ vi sai Δ𝜎 .
cho hai bước sóng được biết, nồng độ của phân từ hay nguyên tử khí có thể được trực
tiếp suy ra. Kỹ thuật DIAL có thể ứng dụng để đo đạc phân bố các loại khí như O3,
NO2, NO, N2O, SO2, CH4, HCl, NH4 và những loại khí khác. DIAL cũng rất được
quan tâm để dùng quan trắc hơi nước vì nó là loại khí nhà kính quan trọng nhất [3].
Do các vạch hấp thụ hẹp của phân tử H2O, DIAL hơi nước đòi hỏi ánh sánh laser
phát xạ phải ổn định, và đơn sắc và phải xem xét đến hiệu ứng mở rộng Doppler với
ánh sáng tán xạ ngược. Thêm vào đó, kỹ thuật DIAL có khả năng sử dụng đo phân
bố nhiệt độ theo độ cao do các vạch hấp thụ của oxy phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ,
trong trường hợp nồng độ của oxy được biết và tiết diện hấp thụ vi sai có chứa thông
tin nhiệt độ được đo [3].
Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật DIAL được mô tả ở Hình 1.21, trong đó:
 Laser xung phát cả 2 bước sóng on và off

51.
35
 Xung tới đập vào đối tượng khảo sát như phân tử khí, nguyên tử hay son khí trong
khí quyển và một số photon tán xạ ngược lại
 Bộ thu trong hệ DIAL phát hiện và đếm các photon tán xạ trở lại. Thời gian trễ
cho phép xác định khoảng cách và tỉ số giữa 2 photon cộng hưởng on và off cho phép
suy ra nồng độ phân tử khí cần đo.
Hình 1.21. Sơ đồ nguyên lý một hệ DIAL quan trắc khí ô nhiễm [38].
Trong Hình 1.21, hệ quang học thu sử dụng một bản chia chùm và hai kính
lọc để tách riêng bước sóng on và off trước khi đến các bộ phận chuyển đổi và khuếch
đại tín hiệu quang điện tương ứng.
Để tính ra mật độ khí khảo sát bằng phương pháp LIDAR hấp thụ vi sai, chúng
ta bắt đầu từ phương trình LIDAR [1.21] và viết cho một hệ DIAL hoạt động ở hai
bước sóng λon và λoff, mà loại khí khảo sát có tiết diện hấp thụ lớn hơn và nhỏ hơn
tương ứng với hai bước sóng này. Pon là tín hiệu LIDAR ở bước sóng λon và Poff là
tín hiệu ở λoff. Giả sử sự khác nhau trong hệ số suy hao khí quyển chỉ duy nhất đóng
góp bởi một loại khí, nên:
Δ𝛼 𝑁Δ𝜎 (1.22)
với:
Δ𝜎 𝜎 𝜆 𝜎 𝜆 (1.23)