Kĩ thuật Lidar trong việc quan trắc môi trường 1

Kỹ thuật vật lý môi trường Phần I: Cơ sơ Lý thuyết Từ những thí nghiệm về giao thoa và nhiễu xạ của Huyghens và Young cho thấy ánh sáng là một dạng sóng điện từ. Tuy vậy, Plank, Einstein vầ Compton đã chỉ ra trong những trường hợp khác ánh sáng mang tính chất hạt, như trong trường hợp của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton. Các hạt ánh sáng được gọi là lượng tử ánh sáng hay các photon. Năng lượng photon được xác định bằng công thức Plank: e = h.n Trong đó: h: hằng số Plank (h=6,626.10-27 erg.s = 6,626.10-34 J.s) n : tần số dao động [n] = s-1 Như vậy ánh sáng có thể hoặc thể hiện tính chất sóng hoặc thể hiện tính chất hạt tuỳ trong hiện tượng vật lý cụ thể. Bức xạ quang học: được đặc trưng bởi các đại lượng đo khác nhau như bước sóng, tần số, số sóng và năng lượng. Độ dài bước sóng l (mm) là quãng đường mà bức xạ đi được sau mỗi chu kỳ dao động. Tần số n là số dao động trong một đơn vị thời gian và n = c.l-1 trong đó thì c là vận tốc ánh sáng trong chân không (c = 2,9979.1010 cm/s). Số sóng k (cm-1) là số dao động trong một đơn vị độ dài k = l-1 = n.c-1. Năng lượng bức xạ e = h.n = h.c.l-1 = h.c.k Toàn bộ dải sáng được chia tương đối thành các vùng phổ như sau (theo bước sóng) Sự hấp thụ ánh sáng và tán xạ ánh sáng (HTAS và TXAS) Khi lan truyền trong môi trường, chùm sáng có thể bị yếu đi do các phần tử của môi trường hấp thụ hoặc tán xạ. 1-quá trình hấp thụ Photon mất đi do bị hấp thụ bởi phần tử của môi trường, năng lượng photon bị biến đổi thành năng lượng nội tại của vật chất môi trường hoặc năng lượng bức xạ thứ cấp. Sự hấp thụ ánh sáng được mô tả bằng định luật Bouger-Lamber như sau: I = I0exp(-mad) (1) Trong đó: I và I0 là cường độ chùm sáng đơn sắc ở đầu vào và đầu ra của lớp vật chất có bề dày d. ma là hệ số hấp thụ dài của môi trường. 2 Sự tán xạ ánh sáng Là quá trình tương tác giữa photon vầ các phần tử môi trường trong đó dưới tác dụng của ánh sáng tới các electron trong nguyên tử, phân tử hoặc ion bị dao động cưỡng bức làm chúng phát bức xạ thứ cấp theo hướng ngẫu nhiên. Hiện tượng tán xạ ánh sáng xảy ra khi nó lan truyền trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học. Môi trường không đồng nhất về mặt quang học là môi trường có hệ số khúc xạ (chiết suất) thay đổi không theo qui luật từ điểm này sang điểm khác. Trong môi trường không đồng nhất về mặt quang học do bị tán xạ nên cường độ ánh sáng sẽ bị giảm dần theo hàm mũ: I = I0exp(-msd) (2) Trong đó: I0 và I là cường độ chùm sáng ở đầu vào và đầu ra lớp vật chất có độ dày d. ms là hệ số tắt Vậy tổng quát khi ánh sáng lan truyền trong môi trường có thể xảy ra cả hai hiện tượng hấp thụ và tán xạ. Ta có: I = I0exp(-dms-dma) Hệ số tán xạ ánh sáng được xác định từ biểu thức: Kq = (Iq/I0)R2/V (3) Trong đó: V: Thể tích tán xạ. R: Khoảng cách từ thể tích tán xạ tới điểm quan sát, tại điểm này cường độ chùm sáng dưới góc q có giá trị bằng I0 (R). I0 là cường độ chùm ánh sáng tới thể tích V. Hệ số Có 4 hiệu ứng tán xạ: tán xạ phân tử, tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie, tán xạ Raman. Ba hiệu ứng đầu thuộc cơ chế tán xạ đàn hồi trong đó ánh sáng tán xạ cùng tần số với ánh sáng tới. Tán xạ Raman không đàn hồi. Hiệu ứng tán xạ phân tử: là hiệu ứng tán xạ ánh sáng xảy ra trong môi trường sạch về mặt quang học có nghĩa là môi trường không chứa bất kỳ phần tử nào khác. Tán xạ phân tử xảy ra do những thăng giáng về mật độ xuất hiện trong quá trình chuyển động nhiệt của phân tử. Cường độ tán xạ phân tử được xác định bởi biểu thức sau đây: Trong đó: k: hằng số Bolztman. T: nhiệt độ tuyệt đối. b: hệ số nén động học của vật chất môi trường. r: mật độ môi trường. n: chiết suất môi trường. R: khoảng cách từ thể tích được xét tới điểm quan sát tán xạ. Hiệu ứng tán xạ Raman: Được nhà khoa học người ấn Độ Raman phát hiện năm 1928. Nội dung như sau: trong phổ Raman có thể quan sát thấy cặp vạch phổ ở những tần số ns, na đối xứng qua một vạch phổ n0 (n0 là tần số ánh sáng tới). ns = n0 - Dn = na + Dn Cường độ của vạch s (stoke) và vạch a (anti_stoke) nhỏ cỡ 10-3 s so với vạch n0 và I(s) > I(a). Hai hiệu ứng đặc biệt quan trọng trong phương pháp phân tích không lấy mẫu từ xa. Đó là tán xạ Rayleigh và tán xạ Mie. Ta sẽ đi sâu vào hai loại hiệu ứng tán xạ này. Tán xạ Rayleigh Là tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục (không đồng nhất về mặt quang) với kích thước của các hạt tạp bụi, son khí không lớn quá một vài phần chục của bước sóng. std Ê (0,1 – 0,2)l. Cường độ tán xạ Rayleigh được xác định bởi biểu thức: Trong đó: V: Thể tích của 1 hạt. N0: mật độ hạt. a: hệ số phụ thuộc vào mật độ đồng nhất của môi trường. Nếu ánh sáng tới là không phân cực và các hạt là đẳng hướng về điện thì cường độ ánh sáng tán xạ Rayleigh phụ thuộc một cách đối xứng vào góc tán xạ được thể hiện trên hình vẽ và biểu thức Từ biểu thức (6) cho ta thấy có thể ứng dụng hiệu ứng tán xạ Rayleigh để xác định thể tích (suy ra trọng lượng) của hầu hết các hạt miễn là chúng có std Ê (0,1 – 0,2)l. Hiệu ứng tán xạ Mie. Là hiệu ứng tán xạ ánh sáng trong môi trường vẩn đục khi kích thước các hạt trong khu vực không đồng nhất lớn quá vài phần chục của bước sóng có nghĩa std > (0,1 – 0,2)l. Khi kích thước hạt tăng std > 0,2l thì I(l) ằ 1/lm (m p/2 càng yếu. Độ bất đối xứng giữa tán xạ về phía trước và tán xạ phía sau thường xác định bằng tỉ số giữa Iq = 45, Mie/Iq=135, Mie Nếu biết hình dạng của hạt có thể sử dụng tỉ số này để xác định kích thước trung bình của hạt. Khi kích thước hạt đủ lớn, đặc trưng tán xạ Iq(q) trở lên rất phức tạp, thông số độ bất đối xứng không đủ mô tả tán xạ này, cường độ tán xạ trở nên hoàn toàn phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tới. Đây chính là sự khác nhau quan trọng nhất giữa tán xạ Mie và tán xạ Rayleigh. Biểu thức sau đây xác định hệ số tắt trong trường hợp tán xạ Mie gây bởi các hạt bán kính r trong môi trường vẩn đục: ms = N0kr2p (8) Trong đó: N0: mật độ hạt có bán kính trung bình r của môi trường. kr2p: tiết diện tắt của hạt. k = nhạt/nmôi trường >1, với nhạt, nmôi trường là hệ số khúc xạ của hạt và của môi trường. 3-Tán xạ bức xạ quang học bởi son khí. Hiệu suất tán xạ bức xạ quang học bởi một phần tử son khí phụ thuộc rất mạnh vào kích thước tương đối của nó so với độ dài bước sóng tới l. Đối với các hạt dạng cầu có bán kính r thì sự phụ thuộc này thể hiện qua thông số r như sau: r = 2pr2/l (9) Tán xạ Mie r >1 ú r ³ (0,1 – 0,2)l (10) Tán xạ Rayleigh xảy ra khi r < 1 và |mr| < 1 (11) với m là hệ số khúc xạ phức của vật chất. Các điều kiện (10) và (11) luôn được thoả mãn trong hiệu ứng tán xạ bức xạ quang học trên các phần tử không khí vì vậy hiệu ứng này đôi khi còn được gọi là tán xạ Rayleigh hoặc tán xạ Mie. Xét trường hợp đơn giản môi trường đều là những khối cầu với bản chất là điện môi thì hệ số làm yếu và tiết diện tán xạ toàn phần của chúng đối với ánh sáng tới thì các bước sóng l được thể hiện bằng biểu thức: Trong đó: N0: mật độ hạt. r: bán kính hạt. m: hệ số khúc xạ phức của son khí. Kp(r, m, l): hiệu suất tán xạ trên một hạt. F(r): hàm phân bố theo bán kính với rGauss = 2-3 mm Hệ số tán xạ ngược của các hạt và son khí: Trong đó S(l) mô tả sự phụ thuộc của cường độ bức xạ tán xạ ngược vào độ dài bước sóng tới l và bán kính r của hạt. V: thể tích tán xạ. R: Khoảng cách từ thể tích tán xạ đến điểm quan sát. I0: cường độ chùm ánh sáng tới thể tích V. Do sự phức tạp của hệ số hiệu suất tán xạ Kp(r,m,l) trong S(l) nên sự phụ thuộc của hệ số tán xạ ngược Kq=p vào tham số r, m, l rất phức tạp. Trong nhiều trường hợp việc sử dụng các biểu thức bán thực nghiệm gần đúng thì tốt hơn. Trong đó: a1, a2, b là các hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào địa điểm khu vực. L: tầm nhìn xa khí tượng [km] (thí dụ như tầm nhìn xa khí tượng của lớp khí gần dưới mặt đát Lkhói > 3 km). Cũng tương tự như vậy, một trong số những biểu thức gần đúng cho hệ số làm yếu do tán xạ. ms, sơn khí (l) = (h1+h2l-h3)ms, sơn khí (l0) Trong đó: ms, sơn khí (l0) là giá trị hệ số làm yếu do tán xạ bởi sơn khí đối với tia sáng tới có bước sóng l0. h1, h2, h3 : hệ số thu được từ thực nghiệm. Phần 2: kĩ thuật Lidar trong việc quan trắc môi trường 1.Khái niệm LIDAR Tán xạ ngược Laser Đầu dò Một đòi hỏi trong việc kiểm soát môi trường không khí là làm thế nào để kiểm soát được hiên trạng của nó mà không phải lấy mẫu và xử lý mẫu. Và một đòi hỏi nữa cũng rất quan trọng là viẹc kiểm soát này được thực hiện từ xa. Hệ thống đáp ứng được hai yêu cầu này có tên là LIDAR. LIDAR là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Anh "Light Detection And Ranging" tạm dịch là "Ghi nhận ánh sáng và định vị" Filter ADC MVT Target Sơ đồ một hệ LIDAR đơn giản Ta có thể giải thích nghuyên lý hoạt động của Lidar như sau:Nguồn Laser phát chùm laze dịnh hướng cao về phía mục tiêu(target) và ghi nhận ánh sáng tán xạ ngược trở lại bằng đầu dò bức xạ quang học đặt sau bộ lọc đơn sắc tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện sau đó được đưa tới bộ lọc xung sau đó qua bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số(ADC) các tín hiệu số được máy vi tính(MVT) xử lý. Tuỳ thuộc vào loại tương tác của tia laze với vật chất trong vùng khảo sát , Lidar ghi nhận bức xạ tán xạ ngược trở về có thể là tín hiệu tán xạ Rayleigh, Mie, Raman hay dịch quang. Lidar thường được phân loại theo phổ tín hiệu mà nó ghi nhận được, ví dụ Lidar dịch quang, Lidar Raman, Lidar Mie&Rayleigh… 2-Phương trình LIDAR Giả sử thể tích được khảo sát là DV bao gồm các M(x,y,z) với cá toạ độ là x,y,z và cách đầu ra của laze là R Gọi Nphoton(z,t) là số photon sinh ra do hiệu ứng cần quan sát trong thể tích DV tại thời điểm t lọt vào đầu dò. Nphoton(R, t)=X1, laze tớiDv.X2, Hiệu ứng tại DV.X3, Về đầu dò Trong đó: X1, laze tới DV: số lượng tử của laze được phát ra tại thời điểm to=t-2R/c đạt tới tại lân cận M(x,y,z) trong đơn vị thời gian tại thời điểm t1=t-R/c; X2, tai DV: Xác suất để một lượng tử của laze tương tác với phần tử có trong DV tại thời điểm t1; X3, vào đầu dò : Xác suất để photon sinh ra bởi tín hiệu có ích bay vượt qua quãng R từ DV lọt vào đầu dò bức xạ quang học. -Tính số lượng tử X1, laze tới DV Giả sử tại thời điểm t=0, laze được phát ra với mật độ công suất làW0 các photon có bước sóng là l0 hướng phía mục tiêu. Nếu mật độ công suất tại lân cận M(x,y,z,t-R/c) là WLaze(x,y,z,t-R/c,[J/m.s] thì số lượng tử của laze được phát ra tại thời điểm t0 đạt tới lân cận M(x,y,z) trong đơn vị thời gian tại thời điểm t1 là X1, laze tớiDV=Wlaze(x,y,z,t-R/c)/hn0. - Tính xác suất gây hiệu ứng có ích tại DV Giả sử +si,p xác suất để một photon của laze tương tác với một phần tử thuộc thành phần i của môi trường gây nên hiệu ứng cần quan tâm và phát ra photon bay về phía đầu ghi +N0i(x,y,z, t1) : Mật độ các phần tử thuộc thành phần i của môi trường tại lân cận M(x, y, z) tại thời điểm t1`. +DV=Ds.Dz. Trong đó Ds là diện tích phần mặt câù lân cận M được nhìn bởi anten đầu thu; Dz là độ phân giải không gian của Lidar X2hiệu ứng tại DV= si,p. N0i(x,y,z, t1). Ds.Dz Trong biểu thức này xác suất si,pcó thể là sRaman,p, sMie,p.. -Tính xác suất X3, về đầu dòphoton bay lọt tới đầu dò từ thể tich DV Được xác định bởi biểu thức sau đây: X3, vào đầu dò=fm2,liV.Tqh Trong đó: +fm2, li : Hệ số truyền qua của môi trường đối với các photon gây ra bởi hiệu ứng có ích. +V- Góc khối mà anten thu của Lidar đợpc nhìn thấy từ một điểm trong thể tích DV. Nếu khoảng cách từ mọi điểm trong DV tới M(x,y,z) rất nhỏ so với R thì có thể coi V là như nhau cho mọi điểm bất kỳ trong DV. trong trường hợp này V đon giản được xác định bởi biểu thức: V=Santen/R2 với Santen là diện tích hiệu dụng của đầu thu anten +Tqh- Hệ số truyền qua hệ thống ác dụng cụ quang học. Nó là xác suất để một photon truyền qua được toàn bộ hệ thống dụng cụ quang học của Lidar để lọt vào phần nhạy của đầu dò. Để tính số tín hiệu mà MVT ghi nhận được trong đơn vị thời gian ta cần nhân thêm cả hai vế một hệ số nưã là X4,ghinhận-hiệu suất ghi nhận của hệ thống điện tử từ khuếch đại, tạo dạng, lọc.. đến biến đổi sang tín hiệu số được MVT xử lý. Và biểu thức cuối cùng cho tín hiệu có ích mà Lidar ghi nhận được trong đơn vị thời gian tại thời điểm t như sau: Ntín hiệu,(DV,t)=X1,laze tới..X2, Hiệu ứng tại DV.X3,đầudò.X4, ghi nhân (*) Biểu thức * chính là phương trình tổng quát của Lidar 3-Một số ứng dụng của Lidar. Phương trình Lidar cho thấy rằng số tín hiệu có ích Ntínhiệu(DV,t) mà Lidar ghi nhận được tại thời điểm t phụ thuộc vào giá trị N0i(x,y,z,, t-R/c)là mật độ các phần tử thuộc thành phần i của môi trường tại lân cận điểm M(x,y,z) tại thời điểm t1=t-R/c. Giá trị đo được của Ntínhiệu(DV,t) sẽ xác định được các giá trị N0i(x,y,z,, t-R/c) tương ứng. Nhờ vậy kiểm soát được cả sự thay đổi của mật độ các phần tử theo thời gian, điều này có nghĩa cho phép ta nghiên cứu quá trình động học của quá trình. Như vậy nhờ có Lidar mà chúng ta có thể xác định được bản chất và nồng độ của các hạt thuộc đối tượng cần quan sát một cách nhanh chóng và chính xác, ở một số nước phát triển người ta sử dụng Lidar để đo đạc và kiểm soát được lớp khí quyển dày tới vài chục km ở trên mặt đất với độ chính xác đạt 5%. Có thể nói Lidar là một dụng cụ mạnh và tinh xảo trong việc quan trắc môi trường, và một xu hướng tất yếu trong tương lai nó sẽ trở thành một công cụ có một vai trò quan trọng trong sự kiểm soát môi trường được nhiều nước quan tâm và phát triển trong đó có Việt Nam chúng ta