Short-Wave Infrared Lidar on Atmospheric Aerosols and Insects

Abstract

This thesis focusses on the implementation of two elastic lidar (light detection and ranging) techniques for the monitoring of atmospheric aerosols and insects at short-wave infrared wavelengths.

Data acquisition software was developed for a time-of-flight system, housed in the Lund University Mobile Biosphere Observatory (LUMBO), with consideration to the intended entomological application. Once up and running, the background signal and noise present in the system was characterised to facilitate future data filtering and background subtraction. The acquisition of a signal from a nearby building was achieved, but revealed that the signal-to-noise ratio of the system was too poor to be able to reliably distinguish any insect events. Attempts to improve the signal-to-noise ratio were made through the construction of a transimpedance amplifier for the receiving avalanche photodiode, but were unsuccessful.

Proof-of-concept dual-band measurements on atmospheric aerosols and insects were performed with a Scheimpflug lidar system. The measurements demonstrated the high spatiotemporal resolution of the system, making possible the localisation and identification of, for example, vehicle emissions. Moreover, it was shown that the ratio between the backscattered signal in the two bands can be used to distinguish between different particle plumes, indicating the potential of the technique to identify aerosols. Furthermore, the dual-band measurements on insects demonstrated the ability of the apparatus to resolve the wing beat frequencies of the organisms in question, along with several associated higher harmonics in the Fourier transform of the time series data.

Popular Abstract (Swedish)

Att skjuta lasrar ut i luften och på insekter: varför?

En laser är en väldigt stark, enfärgad ljusstråle. De allra häftigaste lasrarna hittar man så klart bara i Star Wars, men faktum är att man kan hitta lasrar precis överallt. När polisen mäter hur fort bilar kör så sker det med en laser. När backvarnaren på bilen börjar pipa har det skett en lasermätning som avgör avståndet till ett hinder. Ovanstående mätningar sker med en teknik som heter “lidar”.

Detta examensarbete går ut på att tillämpa två olika typer av lidar, time-of-flight (TOF) lidar och Scheimpflug-lidar, i mätningar utav olika aerosoler och insekter i atmosfären. “Lidar” står för “light detection and ranging” och är en teknik som går ut på att man skickar ut laserljus, antingen i form av an puls eller en kontinuerlig stråle, och analyserar ljuset som reflekteras utav hinder i laserstrålens bana. Genom att analysera ljuset som reflekteras tillbaka kan man avgöra vissa av hindrets egenskaper, till exempel hur långt borta det är eller vilka pigment det innehåller. När man skickar ut laserpulser så kallas det ”time-of-flight” (TOF) lidar – beroende på när pulsen kommer tillbaka kan man avgöra hur långt bort föremålet som reflekterar ljuset är. Med Scheimpflug-tekniken används en kontinuerlig laserstråle, och här avgör man hur långt borta ett föremål är med hjälp av den optiska Scheimpflugprincipen som även används inom fotografi. När ett föremål träffas av lasrar med olika färg (frekvens) så reflekterar det oftast färgerna olika mycket. Ett exempel är att melanin, som finns i de flesta insekter i olika halter, sprider ljus med 1550 nm våglängd mycket mer än ljus med 980 nm. Förhållandet mellan hur mycket olika färger sprids kan därför användas för att karaktärisera vad man tittar på.

Lidar på aerosoler och insekter
Lidar kan användas för att titta på koncentrationer av olika aerosoler i atmosfären, och även på insekter! Fördelen med tekniken är att mätningar kan göras på väldigt långt håll. Om man tillämpar lidar i atmosfärsmätningar innebär det, till exempel, att koncentrationen av olika gaser över ett stadsområde kan kartläggas för att se var flest utsläpp sker, eller helt enkelt avgöra hur förekomsten av en viss gas varierar med höjd i atmosfären. När man tillämpar lidar i entomologiskt syfte så kan man observera insekter på flera kilometers avstånd. Man kanske till och med kan identifiera dem! Olika insekter slår med vingarna olika snabbt. Just insektsvingarna brukar reflektera laserljuset starkare än insektskroppen; om insekten då befinner sig i laserstrålen tillräckligt länge så kan man se vingslagen som en variation i styrkan på signalen som man får tillbaka. Informationen om vingslagsfrekvensen kan hjälpa till att identifiera insekten, någonting som är användbart om man vill övervaka en viss insektsart t.ex. om man vill veta hur förekomsten av malariamyggor varierar med tid inom ett visst område.

Vi har jobbat med ett TOF-system som kan detektera insekter och deras vingslagsfrekvenser på flera kilometers håll. Vi har även visat att ett Scheimpflug-system som använder sig utav två olika våglängder potentiellt kan användas för att identifiera både aerosoler och insekter.

• author: Andersson, Mariam
• supervisor: Mikkel Brydegaard
• organization: Department of Physics; Combustion Physics
• course: FYSM60 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Lidar, Scheimpflug, Time-of-Flight, Remote sensing, Atmospheric sensing
• report number: LRCP-206
• language: English
• id: 8927056
• date added to LUP: 2017-10-10 12:17:06
• date last changed: 2017-10-10 12:17:06