Luận án Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật lidar ứng dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC 
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM 
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 
----------------------------- 
NGUYỄN XUÂN TUẤN 
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR 
ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ 
MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN 
LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ 
 HÀ NỘI – 2016 
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM 
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 
...*** 
NGUYỄN XUÂN TUẤN 
NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT LIDAR 
ỨNG DỤNG KHẢO SÁT PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ VÀ 
MẬT ĐỘ KHÍ QUYỂN 
 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ 
Chuyên ngành: Quang học 
 Mã số: 62 44 01 09 
 Người hướng dẫn khoa học: 
 1. PGS. TS. Đinh Văn Trung 
 2. PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình 
Hà Nội – 2016 
LỜI CAM ĐOAN 
Luận án tiến sĩ Vật lý với tiêu đề “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật LIDAR ứng 
dụng khảo sát phân bố nhiệt độ và mật độ khí quyển” được thực hiện tại Học viện Khoa 
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học-Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn 
khoa học của PGS.TS Đinh Văn Trung và PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình. 
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là của 
riêng tôi và nhóm nghiên cứu do PGS.TS Đinh Văn Trung là người hướng dẫn chính. 
Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố bởi bất kì 
tác giả khác. 
Tôi cũng xin cam đoan tôi không cố ý nếu có thiếu sót trong việc trích dẫn các kết 
quả khoa học từ các bài báo khác trong nội dung luận án. Nếu có thiếu sót nào tôi xin 
đính chính ngay. 
Cuối cùng tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn nếu có sự thiếu trung thực đối với 
các số liệu và kết quả trình bày trong luận án này. 
 Tác giả luận án 
 NCS. Nguyễn Xuân Tuấn 
LỜI CẢM ƠN 
Đề hoàn thành chương trình nghiên cứu sinh và luận án Tiến sĩ tại Học viện Khoa 
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học-Công nghệ Việt Nam tôi đã nhận được sự 
hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy hướng dẫn, thầy giảng dạy, cán bộ trong Viện 
Vật lý, cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình của các đồng nghiệp trong Viện, tôi xin chân thành 
cảm ơn tất cả sự hướng dẫn và sự giúp đỡ này. 
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đinh Văn Trung người thầy, người 
hướng dẫn trực tiếp của tôi. Người đã truyền cho tôi lòng say mê khoa học, kinh nghiệm 
nghiên cứu quý báu cũng như phong cách làm việc chuyên nghiệp. 
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình, người thầy, người 
đồng hướng dẫn của tôi. Người đã có những chỉ dạy sâu sắc và những kinh nghiệm quý 
giá trong công việc nghiên cứu của tôi. 
Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới TS. Bùi Văn Hải, TS. Đào Duy Thắng, Th.S 
Nguyễn Đình Hoàng và rất nhiều các đồng nghiệp khác trong Viện Vật lý đã cộng tác, 
giúp đỡ, chia sẽ với tôi trong công việc nghiên cứu. 
Tôi cũng xin cảm ơn những ý kiến đóng góp quý báu và các ý kiến phản biện của 
các thành viên trong hội đồng chấm luận án cấp cơ sở và hai phản biển kín để bản luận 
án được hoàn thiện hơn. 
Tôi cũng xin cảm ơn Trường THPT Đặng Thai Mai, Sở GD-ĐT Thanh Hóa nơi 
tôi đang công tác đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi được tham gia chương trình nghiên 
cứu sinh này. 
Xin chân thành cảm ơn! 
Tác giả luận án 
NCS. Nguyễn Xuân Tuấn 
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 
Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 
Lidar light detection and ranging 
WMO World Meteology Organization Tổ chức khí tượng thế giới 
Laser 
Light Amplification by Stimulated 
Emission of Radiation 
Khuếch đại ánh sáng bằng 
phát xạ cưỡng bức 
PMT Photomultiplier Tube Ống nhân quang điện 
APD Avalanche photodiode Photo diode thác lũ 
ADC Analog-to-digital converter Bộ biến đổi tương tự-số 
FOV Field of view Thị trường 
DMLP Dichroic mirror longpass Gương lưỡng sắc 
OD Optical Depth Độ sâu quang học 
FWHM Full width at half maximum Độ rộng ở phần nữa cực đại 
IF Interference Filter Phin lọc giao thoa 
ND Neutral Density Phin lọc trung tính 
L Lens Thấu kính 
IC Intergrated Circuit Vi mạch tích hợp 
BNC Bayonet Neill–Concelman Cáp đồng trục 
USB Universal Serial Bus Cổng kết nối 
SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu 
SIN Signal Induced Noise Nhiễu sinh tín hiệu 
TTL Transitor-Transitor Logic 
MOSFET 
Metal oxide semiconductor field 
effect transistor 
Transitor hiệu ứng trường 
MỤC LỤC 
Danh mục hình .......i 
Danh mục bảng....v 
Mở đầu 1 
Chương 1 
Nguyên lí của lidar xác định mật độ phân tử, nhiệt độ khí quyển .6 
1.1 Nguyên lí chung của Lidar6 
1.2 Khí quyển Trái đất 7 
1.2.1 Cấu trúc của khí quyển 7 
1.2.2 Thành phần của khí quyển 10 
1.3 Tương tác của ánh sáng với khí quyển 10 
1.3.1 Tán xạ Rayleigh và sự dập tắt của phân tử 11 
1.3.2 Tán xạ Mie và sự dập tắt của sol khí ..13 
1.3.3 Tán xạ Raman của phân tử .14 
1.4 Nguyên lí của lidar xác định phân bố nhiệt độ .....16 
1.4.1 Xác định phân bố nhiệt độ..16 
1.4.2 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Rayleigh .18 
1.4.2.1 Xác định mật độ phân tử khí quyển ..18 
1.4.2.2 Xác định hệ số tán xạ ngược của sol khí ...20 
1.4.3 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar Raman ..22 
1.4.4.1 Xác định mật độ phân tử . ..22 
1.4.4.2 Xác định hệ số suy hao của sol khí ....23 
1.4.4 Xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp 24 
1.5 Tổng kết chương 1 .25 
Chương 2 
Thiết kế và xây dựng các hệ lidar ....27 
2.1 Hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman ....27 
2.1.1 Mở đầu .....27 
2.1.2 Mô tả hoạt động ...30 
2.1.3 Đặc trưng .....33 
2.1.3.1 Khối phát ...33 
2.1.3.2 Khối nhận ......33 
2.1.4 Tối ưu sự sắp xếp cấu hình của hệ lidar ..38 
2.1.5 Đánh giá độ tin cậy và độ ổn định của hệ lidar ..41 
2.1.6 Đánh giá tỉ số tín hiệu /nhiễu ..44 
2.1.7 Thảo luận .....47 
2.2 Hệ lidar Rayleigh - Raman .48 
2.2.1 Phát triển module gated-ống nhân quang điện 48 
2.2.1.1 Mở đầu ..48 
2.2.1.2 Thiết kế và hoạt động của module gated-PMT .51 
2.2.2 Hoạt động và đặc trưng của hệ lidar Rayleigh - Raman .55 
2.2.3 Các phép đo đánh giá ..58 
2.2.4 Thảo luận .....65 
2.3 Kết luận chương 2 .66 
Chương 3 
Xác định phân bố mật độ và nhiệt độ khí quyển ...68 
3.1 Mở đầu ..68 
3.2 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Rayleigh ..70 
3.2.1 Xử lý dữ liệu lidar 70 
3.2.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ..71 
3.2.1.2 Xác định thừa số tín hiệu lidar hiệu dụng 74 
3.2.1.3 Xác định phân bố mật độ phân tử khí quyển .80 
3.2.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển 84 
3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Rayleigh ...86 
3.2.3 Thảo luận ....88 
3.3 Phép đo nhiệt độ dùng lidar Raman ..89 
3.3.1 Xử lý dữ liệu lidar Raman ....90 
3.3.1.1 Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ...90 
3.3.1.2 Xác định tín hiệu lidar Raman hiệu dụng .92 
3.3.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển ..95 
3.3.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển ...99 
3.2.2 Phân tích sai số nhiệt độ của lidar Raman ...101 
3.3.2 Thảo luận .....103 
3.4 Phép đo nhiệt độ dùng lidar đàn hồi-Raman kết hợp ..104 
3.4.1 Xử lý dữ liệu lidar đàn hồi-Raman kết hợp 105 
3.4.1.1. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ ....105 
3.4.1.2 . Xác định tín hiệu lidar đàn hồi hiệu dụng ..107 
3.4.1.3 Xác định mật độ phân tử khí quyển 110 
3.4.1.4 Xác định phân bố nhiệt độ khí quyển .112 
3.3.2.5 Phân tích sai số nhiệt độ lidar đàn hồi-Raman kết hợp .114 
3.4.2 Thảo luận ..116 
3.5 Kết luận chương 3 ...116 
Chương 4 
Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng khí quyển tại Hà nội .....120 
4.1 Mở đầu ....120 
4.2 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng đối lưu ..121 
4.2.1. Cấu trúc và đặc trưng nhiệt độ của tầng đối lưu..121 
4.2.2. Mối liên hệ giữa lớp đối lưu hạn và mây Ti tầng cao. ....127 
4.3 Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng tầng bình lưu khí quyển 128 
4.4 Kết luận chương 4 ...131 
Kết luận ....132 
Danh mục các công trình khoa học đã công bố 134 
Tài liệu tham khảo ..136 
Phụ lụci 
DANH MỤC HÌNH 
Hình 1.1. Nguyên lí cơ bản của lidar 
Hình 1.2. Cấu trúc của khí quyển theo độ cao 
Hình 1.3. Phân bố mật độ ô zôn của bán cầu Bắc 
Hình 1.4. Sự biến đổi độ cao của lớp đối lưu hạn từ cực Bắc tới xích đạo 
Hình 1.5. Thành phần khí quyển tính theo thể tích 
Hình 1.6. Sự phụ thuộc cường độ tán xạ Rayleigh vào góc tán xạ của phân tử 
[40]. 
Hình 1.7. Sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Mie vào góc tán xạ ở bước sóng 532 
nm với các hạt có bán kính khác nhau. , (a): 0.1 µm, (b): 1 µm, (c): 10 
µm, (d): 50 µm, (e): 100 µm, (f): 1000 µm. 
Hình 1.8 Phổ tán xạ Raman của một vài phân tử khí quyển ứng dụng trong lidar ở 
các bước sóng 355nm, 532 nm ở điều kiện áp suất thường và nhiệt độ 
300 0K. 
Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ lidar. 
Hình 2.2. Cấu hình đơn tĩnh lưỡng trục của một hệ lidar. 
Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman. 
Hình 2.4. Ảnh chụp hệ lidar kết hợp đàn hồi-Raman đang hoạt động. 
Hình 2.5. Đặc trưng truyền qua và phản xạ của DMLP567. 
Hình 2.6. Đặc trưng của FL532-3 nm (a), FL550 nm longpass (b), FL610-10 nm 
(c). 
Hình 2.7. Đặc trưng độ nhạy quang của cathode và độ khuếch đại của H6780-20. 
Hình 2.8. Ảnh của module ống nhân quang điện H6780-20. 
Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện (a) và ảnh (b) của bộ khuếch đại. 
Hình 2.10. Giao diện của phần mềm xử lí và lưu giữ tín hiệu lidar. 
Hình 2.11. Phân bố hàm chồng chập của hệ lidar Raman-đàn hồi kết hợp. 
Hình 2.12. Tín hiệu Raman tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu Raman hiệu chỉnh 
khoảng cách so với mật độ phân tử Ni tơ từ mô hình MSISE-90 (b). 
Hình 2.13. Tín hiệu lidar Raman hiệu chỉnh khoảng cách của 6 file liên tiếp theo 
thang lôgarít. 
Hình 1.14. Tín hiệu lidar đàn hồi được tích phân trong 10 phút (a) và tín hiệu lidar 
đàn hồi hiệu chỉnh khoảng cách (logarit) so sánh với mật độ phân tử của 
thám không (b). 
Hình 2.15. Tỉ số tín hiệu /nhiễu với độ phân giải không gian khác nhau của tín hiệu 
lidar đàn hồi (a) và lidar Raman (b) tích phân trong 10 phút. 
Hình 2.16. Tỉ số tín hiệu /nhiễu với các độ phân giải thời gian khác nhau của tín hiệu 
lidar đàn hồi (a) và tín hiệu lidar Raman (b) với độ phân giải không gian 
là 24 m. 
Hình 2.17. Minh họa hiệu tượng nhiễu sinh tín hiệu của ống nhân quang điện. 
Hình 2.18. Sơ đồ khối của module gated-ống nhân quang điện. 
Hình 2.19. Sơ đồ mạch điện của mạch tách sóng và làm trễ. 
Hình 2.20. Sơ đồ của mạch phát xung gate và mạch chia thế của PMT. 
Hình 2.21. Ảnh của module gated-ống nhân quang điện, (a) đơn vị tạo xung gate và 
chia thế, (b) đơn vị tách sóng và làm trễ xung cùng các nguồn nuôi. 
Hình 2.22. Sơ đồ khối của hệ lidar tích phân nghiên cứu khí quyển tầng cao. 
Hình 2.23. Một phân bố tín hiệu lidar đo được của hệ lidar Rayleigh-Raman. 
Hình 2.24. Kết quả của phép đo đánh giá ảnh hưởng của nhiễu sinh ra tín hiệu lên 
module gated-ống nhân quang điện, (a): kết quả đo trong trường hợp mây 
đậm đặc, (b): tín hiệu ở trên điểm gate ở hai kênh Rayleigh và Raman 
trong đó kênh Rayleigh được nhân lên 3 lần. 
Hình 2.25 Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách từ module gated-PMT. 
Hình 2.26. Tín hiệu hiệu chỉnh khoảng cách của 10 file liên tiếp dùng module gated-
PMT. 
Hình 2.27 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (a) và tỉ số tín hiệu /nhiễu (b) 
vào độ phân giải thời gian của lidar Rayleigh với độ phân giải không gian 
là 24 m. 
Hình 2.28 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu lidar (trái) và tỉ số tín hiệu /nhiễu 
(phải) vào độ phân giải không gian của lidar Rayleigh với độ phân giải 
thời gian là 10 phút. 
Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ lidar Rayleigh. 
Hình 3.2. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển của 
ozone (b) tại tọa độ lân cận với Hà nội (nguồn: 
o3.fmi.fi/ACSO/ 
Hình 3.3. Tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách (thang logarithm) (a), và độ chênh 
lệch tín hiệu lidar (b) trước và sau khi hiệu chỉnh bởi hấp thụ của ô zôn. 
Hình 3.4. Tỉ số tán xạ tán xạ tương đối Raer(z) của sol khí, sử dụng mật độ mô hình 
khí quyển (màu đen), sử dụng mật độ tính từ tín hiệu lidar không lặp 
(mầu đỏ) và lặp (màu xanh). 
Hình 3.5. Hệ số truyền qua một vòng khí quyển của sol khí xác định từ lidar, (đen): 
sử dụng mật độ mô hình, (đỏ): sử dụng mật độ lidar không lặp, (xanh): 
sử dụng mật độ lidar và lặp. 
Hình 3.6. Tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh): (a), độ lệch 
tương đối giữa tín hiệu đo được và tín hiệu lidar hiệu dụng (b). 
Hình 3.7. Mật độ từ tín hiệu lidar đo được (đỏ) và tín hiệu lidar hiệu dụng (xanh). 
Hình 3.8. Độ lệch mật độ tương đối (theo %) giữa tín hiệu đo được và hiệu dụng 
(a), giữa lidar và mô hình (b). 
Hình 3.9. Sai số mật độ phân tử Rayleigh (a), hệ số truyền qua một vòng của phân 
tử T2mol(z) từ tín hiệu lidar Rayleigh (b). 
Hình 3.10. Phân bố nhiệt độ xác định từ tín hiệu lidar Rayleigh đo được (xanh) và 
từ tín hiệu lidar hiệu dụng (đen) và phân bố nhiệt độ mô hình MSISE-90 
(đỏ). 
Hình 3.11. Ảnh hưởng của giá trị nhiệt độ tham khảo lên phân bố nhiệt độ. Đường 
đỏ: nhiệt độ tham khảo ban đầu, xanh lá cây: ±5%, xanh da trời: ±1%. 
Hình 3.12. Sai số nhiệt độ lidar Rayleigh do sol khí (đỏ), hấp thụ ozone (tím), Tref 
(xanh da trời), nhiễu (xanh lá cây) và lỗi tổng cộng (đen). 
Hình 3.13. Sơ đồ tổng quát của thuật giải nhiệt độ khí quyển từ tín hiệu lidar Raman. 
Hình 3.14. Mật độ phân tử ozone (a) và hệ số truyền qua một vòng khí quyển (b) của 
ozone trong tầng đối lưu. 
Hình 3.15. Hệ số dập tắt của sol khí αaer(z) (a) và hệ số truyền qua khí quyển một 
vòng của sol khí xác định bằng tín hiệu lidar Raman tích phân trong 1h. 
Hình 3.16. Tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu dụng (xanh) 10 phút: 
(a), độ lệch tương đối giữa tín hiệu Raman đo được và hiệu dụng (b). 
Hình 3.17. Mật độ phân tử Ni tơ xác định từ lidar Raman (a), đỏ: không lặp, xanh: 
lặp, đen: thám không vô tuyến, hệ số truyền qua môt vòng khí quyển của 
phân tử (b). 
Hình 3.18. Mật độ phân tử Ni tơ được xác định từ tín hiệu lidar Raman (a), đỏ: đo 
được và xanh: hiệu dụng, lỗi của mật độ phân tử Ni tơ (b). 
Hình 3.19 Phân bố mật độ phân tử Ni tơ (a) và độ chênh lệch mật độ lidar-thám 
không từ lidar Raman lúc 22 giờ 01 phút ngày 26 tháng 6 năm 2013 tại 
Hà nội (b). 
Hình 3.20. Phân bố nhiệt độ Raman dùng phương pháp lặp (xanh) và không lặp (đỏ) 
so sánh với phép đo thám không vô tuyến (đen). 
Hình 3.21. Phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman đo được (đỏ) và Raman hiệu 
dụng (xanh) và thám không vô tuyến (đen). 
Hình 3.22. Sai số nhiệt độ của lidar Raman (a) và sai số tính theo % (b). 
Hình 3.23. Tín hiệu lidar từ phép đo lidar đàn hồi-Raman kết hợp, (a) là tín hiệu lidar 
thô, (b) là tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách. 
Hình 3.24. Sơ đồ thuật giải nhiệt độ tổng quát của lidar đàn hồi-Raman kết hợp. 
Hình 3.25. Hệ số tán xạ ngược của phân tử, sol khí, tổng cộng (a) và tỉ số tán xạ 
ngược tương đối của sol khí Raer(z) (b). 
Hình 3.26. Hệ số dập tắt (a) và hệ số truyền qua một vòng của sol khí Taer(z) (b). 
Hình 3.27. Tín hiệu lidar đàn hồi đo được và hiệu chỉnh sol khí (a), tín hiệu lidar đàn 
hồi đo được và hiệu dụng hiệu chỉnh khoảng cách (b). 
Hình 3.28. Mật độ phân tử khí quyển từ tín hiệu lidar (a), lỗi mật độ (b). 
Hình 3.29 Độ chênh lệch mật độ phân tử giữa lặp và không lặp(a) và lidar  ... rption lidar 
measurements of atmospheric temperature profiles: Theory and experiment”, 
J. Atmos. Ocean. Technol. 10, pp. 165-179. 
93. Tuan Nguyen Xuan, Hai Bui Van, Trung Dinh Van (2014), “Normally off-
gated photomultiplier tube module in photon-counting mode for use in lidght 
detection and ranging measurements”, Applied Remote Sensing, Vol 8, pp. 
083536-1- 083536-8, DOI:10.1117/1.JRS.8 .083536. 
94. Thorlabs Inc, Newton, New Jersey, USA. 
95. Uchino. Osamu, Mc. Cormick, M. Patrick, Swissler, Thomas J. (1986), 
“Temperature retrievals by Rayleigh backscatter lidar signals”, Applied Optics 
25 (17), pp. 2868-2870. 
96. Ulla Wandinger and Albert Ansmann (2002), “Experimental determination of 
the lidar overlap profile with Raman lidar”, Applied Optics 41 (3), pp. 511-
514. 
97. V. A. Kovalev (2003), “Stable near-end solution of the lidar equation for clear 
atmospheres,” Applied Optics 42 (3), pp. 585-591. 
98. V. A. Kovalev, W. M.Hao, C. Wold, and M. Adam (2007), “Experimental 
method for the examination of systematic distortions in lidar data”, Applied 
Optics 46, pp. 6710-6718. 
146 
99. Valery Shcherbakov (2007), “Regularized algorithm for Raman lidar data 
processing”, Applied Optics 46 (2), pp. 4879-4889. 
100. Vladimir A. Kovalev (2015), Solution in LIDAR profiling of the atmosphere, 
John Wiley & Sons Inc., New Jersey. 
101. Vladimir A. Kovalev, William E. Eichinger (2004), Elastic Lidar, Theory, 
Practice, and Analysis Methods, John Wiley & Sons Inc., New Jersey. 
102. W. N. Chen, C. C. Tsao, J. B. Nee (2004), “Rayleigh lidar temperature 
measurements in the upper troposphere and lower stratosphere”, Journal of 
Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 66, pp. 39–49 
103. Whiteman, David N (2003), “Examination of the traditional Raman lidar 
technique. I. Evaluating the temperature-dependent lidar equations”, Applied 
Optics 42 (15), pp. 2571-2592, 
104. Wolfram Hergert, Thomas Wriedt (2012), The Mie Theory: Basics and 
Applications, Springer, New York. 
105. Wei Gong, Wang, W., Mao, F., & Zhang, J. (2015). “Improved method for 
retrieving the aerosol optical properties without the numerical derivative for 
Raman–Mie lidar”, Optics Communications, 349, pp. 145-150. 
106. Y.B. Acharya, A. Jayaraman (2006), “Optimized signal to noise ratio of a 
PMT based detector system in Mie-Lidar”, Measurement 39, pp. 51–56. 
107. Y.B. Acharya, S. Sharma, H. Chandra (2004), “Signal induced noise in PMT 
detection of lidar signals”, Measurement 35, pp. 269-276. 
108. Yasuhiro Sasano, Edward V. Browell, and Syed Ismail (1985), “Error caused 
by using a constant extinction/backscattering ratio in the lidar solution”, 
Applied Optic 24, pp. 3929-3932. 
109. Yiyun. Y. Gu, Chester. S. Gardner, Paul. A. Castleberg, George. C. Papen, 
and Micheal. C. Kelley (1997), “Validation of the Lidar in space technology 
experiment: stratospheric tempaerature and aerosol measurements”, Applied 
Optics 36 (21), pp. 5148-5157. 
i 
PHỤ LỤC 
Phụ lục 1: Chương trình ghi nhận tín hiệu lidar ở chế độ đếm photon được phát 
triển trên môi trường labview. 
1.1 Giao diện chương trình 
1.2 Module live 
1.3 module vẽ số liệu 
ii 
1.4 module chuyển đổi số liệu 
1.5 module lưu số liệu 
iii 
1.6 Module đếm photon 
Phụ lục 2: Chương trình xác định phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Rayleigh. 
2.1 hàm xử lí tín hiệu lidar để thu được tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách 
function [zo,po,dpo] = gate_rayleigh_1h(A,sm1,sm2,sm3,b,smax) 
iv 
t = A(:,1); c = 3*1e+8;z0 = 1/2*c*t*1e-12; p0 = A(:,2);n0 = length(p0);tr = 5; 
tri = round(tr*n0/100);k = 1; 
for i = tri:1:n0 
 z1(k) = z0(i)-z0(tri); p1(k) = p0(i); k = k+1; 
end 
n1 = length(p1);st1 = round(n1/10); 
for i =1:1:st1 
 if p1(i)>0 
 p1(i) = 0; 
 end 
end 
ma1 = max(p1); 
for i = 1:1:n1 
 if p1(i)==ma1 
 st2 = i; 
 break 
 end 
end 
for i = 1:1:st2 
 if p1(i)>0 
 p1(i) = 0; 
 end 
end 
vi = 200;st3 = vi+st2; 
for i = 1:1:st3-1 
 if p1(i)>0 
 p1(i) = 0; 
 end 
end 
display('gate height [km]') zgate = z1(st3) p2 = p1(st3:n1);z2 = z1(st3:n1);n2 = length(p2); 
p2 = smooth(p2,sm1,'loess'); 
k = 1; 
for i = 1:b:n2-b 
 dc = 0; cd = 0; 
 for j = i:1:i+b-1 
 dc = dc + z2(j); cd = cd + p2(j); 
 end 
 z3(k) = 2*dc/b - z2(i); p3(k) = cd; k = k+1; 
end 
n3 = length(p3);bg = mean(p0(0.95*n0:n0));p4 = p3-bg;p5 = smooth(p4,sm2,'loess'); 
snr = p5./sqrt(p5+2*bg);snr = smooth(snr,21); 
for i = 1:n3 
 if snr(i)<smax 
 n5 = i; 
 break 
 end 
end 
v 
p5 = p5(1:n5);p5 = p5';z5 = z3(1:n5);p6 = p5.*z5.*z5;p6l = log(p6); 
p6l = smooth(p6l,sm3,'loess');p6 = exp(p6l);dpo(n5) = 1; 
for i = n5:-1:2 
 dpo(i-1) = p6(i-1)./p6(i); 
end 
po = p6; zo = z5; 
2.2 hàm xác định hệ số truyền qua của ozone từ mật độ ozone. 
function [po3,dp3] = ozone_correction_1h(O3,B,zo,po) 
pr = O3(:,1); z0 = O3(:,2); p0 = O3(:,3); n0= length(z0);n1 = length(p0);z1 = zo; 
n2 = length(z1); 
for i = 1:1:n2-1 
 p1(i) = interp1(z0,p0,z1(i),'linear'); 
end 
p1(n2) = p1(n2-1;za = B(:,1);md = B(:,3)+B(:,4);md = md*1e+6;na = length(za); 
for i=1:1:n2-1 
 md1(i) = interp1(za,md,z1(i),'linear'); 
end 
md1(n2) = md1(n2-1;p2 = (46/48)*(1e-6)*p1.*md1;sig = 2.2*1e-25; dz1 = (z1(2)-
z1(1))*1e+3; to = sig*dz1*p2; 
for i = 1:1:n2-1 
 to(i+1) = to(i)+to(i+1); 
end 
T = exp(-2*to;p3 = po;n3 = length(p3); 
for i = 1:1:n3 
 if p3(i)>0 
 st = i; 
 break 
 end 
end 
p4 = p3./T;po3 = p4; 
for i = n3:-1:1 
 if i>st 
 dp(i-1) = p4(i)./p4(i-1); 
 else 
 dp(i) = 0; 
 end 
end 
dp3 = dp; 
2.3 hàm xác định hệ số tỉ số tán xạ và hệ số truyền qua của sol khí 
function [Rm,Rni,Ri,Tm,Tni,Ti,d0,d3] = aer_RT(zo,po) 
n0 = length(po);atm = 'atmosphere_model_msis90-21may2013.txt'; 
B = load(atm);za = B(:,1);mda = (B(:,3)+B(:,4)); mda = mda*(1e+15) 
for i =1:1:n0 
 md(i) = interp1(za,mda,zo(i),'linear'); 
vi 
end 
sg = 6.2259*1e-38;dz = (zo(2)-zo(1));bt1 = md*sg; lm = 8*pi/3; znorm = 35; 
for i = 1:1:n0 
 if zo(i)>=35 
 n1 = i; 
 break 
 end 
end 
la(n1) = lm;bt1 = bt1(1:n1);zo = zo(1:n1);po = po(1:n1); 
for i = 1:1:n1-1 
 la(i) = 48; 
end 
F1(n1) = 0; 
for i = n1:-1:2 
 F1(i-1) = ((la(i-1)-lm).*bt1(i-1)+(la(i)-lm).*bt1(i))*dz; 
end 
num(n1) = 1; 
for i = n1:-1:2 
 num(i-1) = (po(i-1).*exp(F1(i-1))); 
end 
ba1(n1) = bt1(n1); %non-iterative backscattering coefficient% 
for i = n1:-1:2 
 ba1(i-1) = num(i-1)./(po(i)./ba1(i)+(la(i).*po(i)+la(i-1).*po(i-1).*exp(F1(i-1)))*dz); 
end 
for i = 1:1:n1 
 if ba1(i)<=bt1(i); 
 n2 = i; 
 break 
 end 
end 
ba1 = ba1(1:n2);bt1 = bt1(1:n2);po = po(1:n2);zo = zo(1:n2); 
R1 = ba1./bt1;baer1 = ba1-bt1;ea1 = la(1)*baer1;ael1 = cumsum(ea1);T1 = exp(-2*ael1); 
po = po';p1 = po./(R1.*T1;mdref = md(n2);poref = p1(n2);C0 = mdref/porefd0 = C0*p1; 
tmol = (8*pi/3)*sg*d0;tl = cumsum(tmol*dz);Tr = exp(-2*tl);C1 = (d0(n2)/poref)*Tr(n2); 
d01 = C1*(p1./Tr);d1 = d0; d2 = d01;dmax = max(abs(d1-d2));num = 0; 
while dmax>10 
 d1 = d2; mdref1 = d1(n2); tmol1 = (8*pi/3)*sg*d1; tl1 = cumsum(tmol1*dz); 
 Tr1 = exp(-2*tl1); C2 = (mdref1*Tr1(n2))/poref; d2 = C2*(p1./Tr1); dmax = 
max(abs(d1-d2)); num = num+1; 
end 
bt2 = sg*d2;F2(n2) = 0; 
for i = n2:-1:2 
 F2(i-1) = ((la(i-1)-lm).*bt2(i-1)+(la(i)-lm).*bt2(i))*dz; 
end 
num2(n2) = 1; 
for i = n2:-1:2 
 num2(i-1) = (po(i-1).*exp(F2(i-1))); 
vii 
end 
ba2(n2) = bt2(n2); 
for i = n2:-1:2 
 ba2(i-1) = num2(i-1)./(po(i)./ba2(i)+(la(i).*po(i)+la(i-1).*po(i-1).*exp(F2(i-1)))*dz); 
end 
R2 = ba2./bt2;baer2 = ba2-bt2;ea2 = la(1)*baer2;ael2 = cumsum(ea2);T2 = exp(-2*ael2); 
R01 = R1; R02 = R2; T01 = T1; T02 = T2;Rmax = max(abs(R01-R02)); Tmax = 
max(abs(T01-T02));p2 = po./(R02.*T02);num = 0; 
while (Rmax>1e-4)&(Tmax>1e-4) 
 R01 = R02; T01 = T02; d2ref = d2(n2); p2ref = p2(n2); tmol2 = (8*pi/3)*sg*d2; 
 tl2 = cumsum(tmol2*dz); Tr3 = exp(-2*tl2); C3 = (d2ref/p2ref)*Tr3(n2); 
 d3 = C3*(p2./Tr3); bt3 = sg*d3; F3(n2) = 0; 
 for i = n2:-1:2 
 F3(i-1) = ((la(i-1)-lm).*bt3(i-1)+(la(i)-lm).*bt3(i))*dz; 
 end 
 num3(n2) = 1; 
 for i = n2:-1:2 
 num3(i-1) = (po(i-1).*exp(F3(i-1))); 
 end 
 ba3(n2) = bt3(n2); 
 for i = n2:-1:2 
 ba3(i-1) = num3(i-1)./(po(i)./ba3(i)+(la(i).*po(i)+la(i-1).*po(i-1).*exp(F3(i-1)))*dz); 
 end 
 R02 = ba3./bt3; baer3 = ba3-bt3; ea3 = la(1)*baer3; ael3 = cumsum(ea3); 
T02 = exp(-2*ael3); Rmax = max(abs(R01-R02)); Tmax = max(abs(T01-T02)); num = 
num+1; 
end 
Rm = R1; Tm = T1; Rni = R2; Tni = T2; Ri = R02; Ti = T02; 
2.4 Hàm xác định mật độ phân tử khí 
function [d0,d2] = density_Rayleigh_1h(B,z0,p0) 
za = B(:,1);mda = B(:,3)+B(:,4); n0= length(p0); 
for i = 1:1:n0 
 md(i) = interp1(za,mda,z0(i),'linear'); 
end 
zr = 40; %referenece height% 
for i = 1:1:n0 
 if z0(i)>=zr 
 vt = i; 
 break 
 end 
end 
mdref = mean(md(vt-3:vt+3));p0ref = mean(p0(vt-3:vt+3));sigma = 6.23*(1e-28; 
dz0 = (z0(2)-z0(1))*1e+5;C1 = mdref/p0ref;d0 = C1*p0; tmol2 = (8*pi/3)*sigma*d0;tl2 = 
cumsum(tmol2*dz0);Tr2 = exp(-2*tl2);C2 = (d0(vt)/p0ref)*Tr2(vt);d01 = C2*(p0./Tr2); 
d1 = d0; d2 = d01;dmax = max(abs(d1-d2)); 
num = 0; 
viii 
while dmax>10 
 d1 = d2; tmol3 = (8*pi/3)*sigma*d1; tl3 = cumsum(tmol3*dz0); Tr3 = exp(-2*tl3); 
 C3 = (d01(vt)*Tr3(vt))/p0ref; d2 = C3*(p0./Tr3); dmax = max(abs(d1-d2)); 
 num = num+1; 
end 
2.5 Hàm xác định nhiệt độ 
function [T] = tem_Rayleigh(amt,z0,d0,Tref) 
n0 = length(d0);za = amt(:,1);Ta = amt(:,6); 
for i = 1:1:n0 
 Ta0(i) = interp1(za,Ta,z0(i),'linear'); 
end 
G = 6.67*1e-11; ME = 5.9737*1e+24; R = 6384*1e+3; 
for i = n0:-1:2 
 dz0(i) = ((z0(i)+z0(i-1))/2)*1e+3; %dz0 [m]% 
end 
dz0(1) = dz0(2); 
for i = n0:-1:1 
 g(i) = G*ME/((R+dz0(i))^2);%gravity accelation% 
end 
%second factor% 
for i = n0:-1:2 
 ts(i-1) = (d0(i)./d0(i-1))-1; 
end 
for i = n0:-1:2 
 ms(i-1) = log(d0(i)./d0(i-1)); 
end 
for i = n0-1:-1:1 
 tp(i) = ts(i)./ms(i); 
end 
M = 28.95949*1e-3; Rg = 8.3144;dz = (z0(3)-z0(2))*1e+3;T(n0) = Tref; 
for i = n0:-1:2 
 T(i-1) = (d0(i)./d0(i-1)).*T(i)+(M/Rg)*(dz)*g(i-1).*tp(i-1); 
end 
Phụ lục 3: Chương trình xác định phân bố nhiệt độ từ tín hiệu lidar Raman. 
3.1 hàm xử lí tín hiệu lidar để thu được tín hiệu lidar hiệu chỉnh khoảng cách 
function [zo,po,mdn] = gate_raman_tem_1h(A,sm,b,radio,smax) 
t = A(:,1); c = 3*1e+8; z0 = 1/2*c*t*1e-12;p0 = A(:,3); n0 = length(p0);tr = 5; 
trigger = round(tr/100*n0);k=1; 
for i = trigger:1:n0; 
 z1(k) = z0(i)-z0(trigger); p1(k) = p0(i); 
 k = k+1; 
end 
n1 = length(p1);n1n = round((1/5)*n1);mean1 = mean(p1(0.9*n1:n1)); 
ix 
max1 = max(p1(n1n:n1)); 
for i = n1n:1:n1 
 if p1(i)== max1 
 m1 = i; 
 break 
 end 
end 
for i = m1:-1:n1n 
 if p1(i)<1.2*mean1 
 m2 = i; 
 break 
 end 
end 
p2 = p1(1:m2-50);n2 = length(p2);z2 = z1(1:n2); 
for i = 1:1:n2 
 if p2(i)==max(p2) 
 min2 = i; 
 break 
 end 
end 
p2 = p2(min2:n2);z2 = z2(min2:n2);n2 = length(p2);p2 = smooth(p2,sm,'loess'); 
k=1; 
for i = 1:b:n2-b-1 
 dc = 0; cd = 0; 
 for j = i:1:i+b-1 
 dc = dc + z2(j); cd = cd + p2(j); 
 end 
 z3(k) = 2*dc/b - z2(i); p3(k) = cd; k = k+1; 
end 
n3 = length(p3);p3 = smooth(p3,sm,'lowess');p3 = p3';bg = mean(p0(0.95*n0:n0)); 
p4 = p3-b*bg;n3r = round(0.1*n3);noi = sqrt(p4+2*bg);snr = p4./noi; 
snr = mooth(snr,31,'loess'); 
for i = n3r:1:n3 
 if snr(i)<smax 
 n4 = i; 
 break 
 end 
end 
p4 = p4(1:n4);z4 = z3(1:n4);p5 = p4.*z4.*z4; 
for i = 1:1:n4 
 if p5(i)==max(p5) 
 min4 = i; 
 break 
 end 
end 
p5 = p5(min4:n4);p5l = log(p5);z5 = z4(min4:n4);n5 = length(p5);C = load(radio); 
zr = C(:,3);zr=zr*1e-3;Tr = C(:,5);pa = C(:,4)*1e+2;Tr = Tr+273.15;Tr = Tr'; 
x 
for i = 1:1:n5 
 Ta(i) = interp1(zr,Tr,z5(i),'linear'); 
end 
for i = 1:1:n5 
 pai(i) = interp1(zr,pa,z5(i),'linear'); 
end 
kb = 1.3806488*1e-23;md = (pai./(Ta*kb))*1e-6; mdl = log(md);mdN = 0.78*md; 
mNl = log(mdN);dds = mNl-p5l;mindds = min(dds); 
for i = 1:1:n5 
 if dds(i) == mindds 
 vt = i; 
 break 
 end 
end 
mdn = mNl-mindds;po = p5; zo = z5; 
 3.2 Hàm xác định hệ số truyền qua của sol khí 
function [taer,Tar] = aer_extinction_raman(z0,p0,sm,radio) 
n0 = length(p0;C = load(radio);zr = C(:,3);zr=zr*1e-3;Tr = C(:,5);pa = C(:,4)*1e+2; 
Tr = Tr+273.15;Tr = Tr'; 
for i = 1:1:n0 
 Ta(i) = interp1(zr,Tr,z0(i),'linear'); 
end 
for i = 1:1:n0 
 pai(i) = interp1(zr,pa,z0(i),'linear'); 
end 
kb = 1.3806488*1e-23;md = (pai./(Ta*kb))*1e-6; mdN = 0.78*md;sig0 = 52.19*1e-28; 
dz1 = (z0(2)-z0(1))*1e+5;dz2 = (z0(2)-z0(1));tmol0 = sig0*dz1*md;tmol = 
cumsum(tmol0); 
Trmol = exp(-1.876*tmol;ozone1 = 'ozone_20N_19dec2012.txt';O3 = load(ozone1); 
percent= 'pecent_ozone_20N_19dec2012.txt';PO3 = load(percent); 
atmosphere = 'msise-90_26june2013.txt'; 
B = load(atmosphere);[do3,To3] = ozone(O3,PO3,B,z0,p0); 
p1 = p0./(Trmol.*To3);p1 = smooth(p1,sm,'loess');dp = log(mdN./p1*(1e+10)); 
for i = 1:n0-1 
 taer(i) = (dp(i) - dp(i+1))/1.876*dz2; 
end 
taer(n0)=taer(n0-1); 
for i = 1:1:n0 
 if taer(i)<0 
 taer(i) = -taer(i); 
 end 
end 
ta = cumsum(taer);Tar = exp(-1.876*ta); 
xi 
Phụ lục 4: Chương trình xác định phân bố nhiệt độ từ lidar đàn hồi-Raman kết hợp. 
4.1 hàm xác định hệ số tán xạ ngược 
function [bm,ba,bt,Ra] = beta_wei(z0,p0e,p0r,atm,radio) 
n0 = length(z0); [md1,mdN1,Ta1,Trmol1] = msis_atmosphere(z0,atm); 
 [md2,mdN2,Ta2,Trmol2] = radio_sonde(z0,radio);p0es = p0e./(z0.*z0); 
p0rs = p0r./(z0.*z0);zref = 10; 
for i = 1:1:n0 
 if z0(i)>=zref 
 nref= i; break 
 end 
end 
sigmae = 6.2259*1e-38;sigmar = 3.6736*1e-38;bm = md2*sigmae*1e+15; tmole = 
(8*pi/3)*sigmae*md2*dz*1e+15;tle = cumsum(tmole); 
tmolr = (8*pi/3)*sigmar*md2*dz*1e+15;tlr = cumsum(tmolr);Tmole = exp(-tle); 
Tmolr = exp(-tlr);Tmol = exp(-1.876*tle);zsm = 13; 
for i = 1:1:n0 
 if z0(i)>=zsm 
 nsm = i; 
 break 
 end 
end 
sm = 21;p0es1 = p0es(1:nsm);p0rs1 = p0rs(1:nsm);p0r1 = p0r(1:nsm); 
p0esm = smooth(p0es1,sm,'loess');p0rsm = smooth(p0rs1,sm,'loess'); 
p0rm = smooth(p0r1,sm,'loess');p0esref = mean(p0esm(nref-3:nref+2)); 
p0rsref = mean(p0rsm(nref-3:nref+2));p0rref = mean(p0rm(nref-3:nref+2)); 
bmref = bm(nref);Tmolref = Tmol(nref); 
sh1= (p0es.*Tmolr*p0rsref*bmref)./(p0esref*p0rs.*Tmole); 
sh2 = (p0r*Tmolref)./(p0rref*Tmol);bt = sh1.*sh2;ba = bt - bm;Ra = bt./bm; 
 4.2 Hàm xác định hệ số suy hao của sol khí 
function [alpha,Taer,sa] = ext_wei(z0,bm,bt,Tmol,p0) 
n0 = length(z0);dz = z0(2)-z0(1);sa0 = linspace(1,10,10);n1 = length(sa0);ba = bt-bm; 
for j=1:1:n1 
 for i = 1:1:n0-1 
 bam(i+1,j) = (p0(i+1)./p0(i)).*(bt(i)).*Tmol(i+1).*exp(sa0(j).*(ba(i)+ba(i+1))*dz)-
bm(i+1); 
 end 
end 
bam(1,:)=ba(1); 
for i = 1:1:n0 
 ma(i,:) = abs(bam(i,:)-ba(i)); 
end 
for i = 1:1:n0 
 mins(i) = min(ma(i,:)); 
end 
for i = 1:1:n0 
xii 
 for j=1:1:n1 
 if ma(i,j) == mins(i) 
 sa(i) = sa0(j); 
 end 
 end 
end 
alpha = sa.*ba; 
for i=1:1:n0 
 if alpha(i)<0 
 alpha(i)=0; 
 end 
end 
al = cumsum(alpha*dz);Taer = exp(-2*al);