Laser Remote Sensing for Environmental Monitoring

Abstract

This thesis studies the techniques of laser remote sensing and their applications in environmental monitoring, as documented in several published papers.



The environment where the human being live is degrading with an accelerating speed. Quantitative monitoring characterizes the quality of the environment and offers possibilities to solve environmental problems. Laser remote sensing actively probes physical quantities with advantages of, e.g., large spatial coverage and little environmental influence, and hence becomes a very suitable tool for environmental analysis.



Light detection and ranging (LIDAR) measures the backscattered light from remote targets using a short-pulsed laser. Three varieties of LIDAR techniques, based on a vehicle-carried laboratory, have been developed in the work within the thesis. Elastic LIDAR measures the elastic backscattering from the atmospheric aerosols, and has been used to comparatively study their vertical distribution above a Swedish rural area and a Chinese Magacity. Differential absorption LIDAR (DIAL) is able to analyze the distribution of trace pollutants in the atmosphere. Vertical measurements of two serious pollutants, atomic mercury and nitrogen monoxide, have been performed in the same Chinese city. Further, DIAL is also proved to be valid for remote gas analysis in multiple-scattering media. Fluorescence LIDAR can recognize the molecules contained in a remote target, through analyzing the laser-induced fluorescence fingerprint. Such a technique is employed in this thesis mainly for ecological studies, particularly for insect and bird monitoring. Promising performances have been revealed through feasibility tests and field experiments.



Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) attracts research attention for its compactness, cost-effectiveness, and high sensitivity. The signal-to-noise ratio of a TDLAS can be conventionally improved by applying modulation; while in the thesis, a different idea is proposed and demonstrated by operating the absorption spectroscopy on a zero light background. Proof-of-principle experiments are performed and considerations regarding real-world applications are discussed. GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS) employs diode lasers for gas analysis as well, and wavelength modulation is frequently applied for sensitivity enhancement. Such an advanced TDLAS tool is applied in the thesis for food package monitoring.



Finally, fiber-optic remote sensing realizes the environmental monitoring by employing fiber-optic devices, e.g., fiber Bragg gratings (FBGs). Applications of these sensors are usually limited to temperature and stain monitoring. By using a methane catalyst which transfers the ambient methane into heat, FBG sensors become sensitive to methane. The sensitivity can be improved if the sensing FBG is interrogated by another reference grating having a matched spectrum. The multiplexing of such twin-grating-structure sensors is realized, and thus a distributed sensor network is possible to construct.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sedan den industriella revolutionen har världen konfronterats med många miljöproblem, t.ex. luftföroreningar, surt regn, global uppvärmning, farligt avfall, ozonhålsproblematik, ”smog” och vattenföroreningar. Det är viktigt att utveckla mätteknik för att objektivt kunna fastställa miljöförhållandena för att sedan kunna göra adekvata åtgärder. Miljön kan direkt karakteriseras, t.ex. genom att mäta koncentrationen av föroreningar i luft och vatten, eller också kan indirekta effekter påvisas, t.ex. på insekter och fåglar, som ofta är mera känsliga för miljöförändringar än människor. Andra frågor av allmänt intresse är säkerhet i livsmedelshantering, och hälsa på arbetsplatsen. Detta är även miljöfrågor i vidsträckt mening, och utan mätteknik och reglering kan här större hälsorisker föreligga än de härrörande från den yttre miljön. Alla ovannämnda aspekter innefattas inom det breda ämnesområden miljömätteknik, som är ämnet för föreliggande avhandling.



Fjärranalys med laser erbjuder avancerade och kraftfulla tekniker för miljömätning. Dessa metoder har två karakteristiska drag: En artificiell strålningskälla, som oftast är en laser, utnyttjas. Vidare utförs mätningarna beröringsfritt eller på avstånd. En laser är en ljuskälla som har uppenbara fördelar - t.ex. kan ljuset sändas ut i extremt korta pulser med mycket hög toppeffekt. Laserljus kan göras mycket mera parallellt än vanligt ljus vilket gör att det kan sändas över långa avstånd. Möjligheten till mätning på avstånd gör att miljön kan studeras utan yttre påverkan.



Tre typer av laserbaserade fjärranalystekniker beskrivs i denna avhandling och exempel på olika intressanta tillämpningar ges. I likhet med radar- och sonar-teknik studeras i LIDAR (LIght Detection And Ranging)-tekniken ekon efter transmission av en puls. Avståndet från ljuskällan till målet kan bestämmas genom att mäta flykttiden för de fotoner som reflekteras tillbaka till mottagaren. LIDAR-ekon kan även erhållas från partiklar fördelade i atmosfären, och aerosoler kan därför studeras effektivt. Om lasern justeras till specifika våglängder som absorberas av t.ex SO2 och NO2 , kommer återspridningen från partiklarna att dämpas. Genom att göra avståndsupplösta mätningar av detta slag kan fördelningen av dylika föroreningar i atmosfären kartläggas. Ett eko från ett fast strålmål kan också analyseras med avseende på fluorescens. Det är välkänt att sedlar och värdehandlingar, t.ex. pass, uppvisar synliga tecken och bilder vid belysning med ultraviolett ljus i ett mörklagt rum. Fluorescensteknik används allmänt för att upptäcka förfalskningar. Ett fluorescens-LIDAR-system, som sänder ut ultravioletta pulser, kan registrera signaler från mål på avstånd upp till hundratals meter. Genom att analysera signalerna kan målet karakteriseras. Metoden har i denna avhandling använts för att bestämma art och kön för flygande insekter och fåglar.



Diodlasrar är kompakta och effektiva ljuskällor. En diodlasers aktiva del har en storlek på några hundra mikrometer och drivströmmen varierar från tiotals till hundratals milliampere. Våglängden hos en diodlaser kan varieras något genom att ändra laserns temperatur och drivström. Detta möjliggör gasanalys därigenom att gasers specifika absorptionsvåglängder kan uppsökas ledande till ljusdämpning. Om laserljuset sänds genom ett medium som sprider ljus, kommer strålens parallellitet att förstöras. Istället kommer ljuset att diffust lämna provet i alla riktningar. Mätningar under sådana omständigheter kallas GASMAS (GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy) och har i denna avhandling använts för mätningar på livsmedelsförpackningar.



Optiska fibrer för kommunikation har liknande tjocklek som mänskligt hår, och kan även användas i mättillämpningar. Man talar då om fibersensorer. En viktig fiberbaserad anordning är sk Bragg-gitter (FBG) som diskuteras i föreliggande avhandling. När vitt ljus som utbreder sig i en fiber möter en dylik anordning kommer en bestämd våglängdskomponent att reflekteras medan de övriga passerar igenom. Det reflekterade ljusets färg är känsligt för omgivningstemperatur och spänningar i fibern. Därigenom kan dylika anordningar användas som sensorer. Det finns katalysatorer som under inverkan av en omgivande metankoncentration utvecklar värme. En kombination av den dylik katalysator och en FBG-anordning för att mäta metankoncentrationer presenteras i denna avhandling. Dylika sensorer kan förbindas med optiska kommunikationsfibrer i ett nätverk, där mätvärden från olika platser kan sändas till en central för övervakning. Ett dylikt nätverk kan var mycket lämpligt för att öka säkerheten i kolgruvor, som nu ofta drabbas av förödande explosioner.

• author: Guan, Zuguang
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: Professor Wöste, Ludger, Berlin, Tyskland
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: fiber-optic sensor, gas analysis, food-package monitoring, multiple scattering, zero-background measurement, diode laser spectroscopy, ecological study, aerosol, trace pollutant, LIDAR, laser-induced fluorescence, DIAL, methane monitoring
• in: Lund Reports on Atomic Physics
• volume: LRAP-421
• pages: 256 pages
• defense location: Lecture hall B, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2010-10-22 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 978-91-7473-001-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: d89c1ad5-1786-4bc1-a751-31c9a6813ebd (old id 1686503)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:02:11
• date last changed: 2019-05-21 18:08:47