Lidar Techniques for Environmental Monitoring

Abstract

Atoms and molecules absorb and emit light at certain, welldefined wavelengths, and this forms the basis of spectroscopy. The wavelengths are given by the discrete energy levels of the atoms/molecules. When illuminated by light of a suitable wavelength, the light will be absorbed, making it possible to deduce information on the presence and concentration of various elements and compounds.



When atoms or molecules have been excited, they may spontaneously relax to their ground state, emitting species-specific light, defined by the energy levels. This concept can be used to induce fluorescence in the material, which again can be used to analyse the properties of the sample.



Light detection and ranging techniques can be used to perform remote spectroscopic measurements. The sample is probed with a laser beam and the resulting light can be collected with a telescope of sufficient size. Useful results can be deduced at ranges as large as several kilometres, although, in this work the range was never more than a kilometre.



In the work presented in this thesis, differential absorption lidar measurements have been performed to determine mercury fluxes from pollution sources. These measurements have been performed as field campaigns in different parts of Europe. Some measurements have been made at chlor-alkali factories, and one campaign at an abandoned mercury mine.



Moreover, fluorescence lidar techniques have been used for remote investigation of façades of historical buildings and electrical insulators. These measurements have been performed both in a laboratory setting (albeit still remotely through an ordinary atmosphere) and as field campaigns. Biological contamination and surface treatment chemicals can be monitored, and types of stone in façades can be characterized.



Finally, the remote laser-induced breakdown spectroscopy technique has been extended to make imaging possible. These measurements can be used to characterize materials in surface layers, which may be useful in cultural heritage monitoring.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ljus kan beskrivas som en elektromagnetisk våg och har då en viss våglängd. Färgen på ljuset förändras beroende på våglängden. Av det synliga ljuset har violett ljus den kortaste våglängden och rött ljus den längsta. Det finns även elektromagnetisk strålning utanför det synliga området, från Röntgenstrålning till radiovågor. Det vi kallar det optiska området sträcker sig från ultraviolett strålning, med kortare våglängd än violett ljus, till infraröd strålning, med längre våglängd än rött ljus (även kallat värmestrålning).



Om man håller upp en röd glasbit mot en lampa, ser man ett rött ljus. Detta beror på att glasbiten har absorberat det ljus som inte är rött och släpper bara igenom det röda ljuset. På samma sätt absorberar atomer och molekyler i vår omvärld ljus med vissa specifika våglängder. Olika ämnen absorberar ljus vid olika våglängder, de har ett specifikt absorptionsspektrum.



När en atom har absorberat ljus blir den exciterad, den har mer energi än nödvändigt. Alla atomer strävar efter att ha så låg energi som möjligt, så de kommer spontant att falla tillbaka till sitt grundtillstånd. Detta kan de göra, t.ex. genom att förlora sin energi till en annan atom i en kollision eller genom att sända ut sin extra energi i form av ljus. Detta ljus kan, på samma sätt som vid absorptionen, bara ha vissa våglängder. Atomer har alltså också ett emissionsspektrum, som består av karakteristiska våglängder. Studien av dessa spektra kallas spektroskopi.



Denna avhandling handlar om den spektroskopiska metoden lidar (som är en förkortning av det engelska uttrycket ?light detection and ranging?), även kallat laser-radar. När en kort laserpuls skickas ut i atmosfären kommer ljuset att spridas när det träffar molekyler och partiklar i luften. En liten del av ljuset sprids i bakåtriktningen och kan samlas upp av ett teleskop och detekteras. Eftersom det utsända ljuset är en kort laserpuls kan man veta hur långt bort ljuset varit genom att mäta hur lång tid det tar innan det återvänder.



Anta att man skickar ut en laserpuls vid en specifik våglängd där ett visst ämne absorberar. Ljuset kommer då att absorberas om ämnet påträffas. Om man simultant mäter på en närliggande våglängd, som dock inte absorberas, ser man en skillnad i det bakåtspridda ljuset, som enbart beror på att den ena våglängden absorberats. Med denna metod, som kallas differentiell absorptions-lidar kan man få en profil av koncentrationen av det eftersökta ämnet längs med laserns riktning. Genom att svepa laserriktningen över ett område kan man skapa en koncentrationskarta. Detta kan kombineras med mätningar av vindhastigheten i området för att mäta flödet av en förorening från en utspridd källa.



I detta arbete har differentiell absorptions-lidar använts för att mäta kvicksilverutsläpp från olika typer av källor. Både kloralkali-fabriker på tre olika platser i Europa och en nedlagd kvicksilvergruva har undersökts. Mätningarna på klor-alkali-fabriker har gjorts inom ett större EU-projekt där effekterna av kvicksilverutsläpp på människor boende nära dessa fabriker undersöktes. De flödesmätningar som gjordes var viktiga indata till spridningsmodeller och behövdes för att få ett mått på hur mycket kvicksilver som släpptes ut. Mätningar av kvicksilverinnehållet i grönsaker och fisk i områdena, samt epidemiologiska mätningar av arbetare och människor som bodde i närheten var också delar av projektet.



Om man vill undersöka fasta material kan en annan metod tillämpas. När ett objekt belyses med ett ultraviolett ljus exciteras molekyler i objektet. När de återfaller till sitt grundtillstånd sänder de ut fluorescensljus. Det är denna effekt som gör att en vit skjorta på ett diskotek lyser blåaktigt. Samma effekt används för att försvåra förfalskning av t.ex. sedlar och kreditkort. När dessa belyses med ultraviolett ljus ses en fluorescensbild som är osynlig i vanlig belysning.



Genom att belysa objekt med en kraftig ultraviolett laserpuls kan man inducera fluorescens i objektet. Fluorescens-strålningen kan vara olika stark i olika färger, beroende på vilka molekyler objektet innehåller. Genom att analysera fluorescens-spektret kan man då identifiera materialet. Denna teknik kallas laser-inducerad fluorescens, eller, när den används på avstånd, fluorescens-lidar. Metoden har i detta arbete använts för att studera historiska byggnader samt elektriska isolatorer.



Det finns ett behov av att undersöka historiska byggnader, både för att monitorera om åtgärder behöver vidtagas samt för att identifiera material och dokumentera byggnaden. Med fluorescens-lidar kan man, genom att svepa laserstrålen över byggnaden och mäta fluorescens-spektret i varje punkt, identifiera biologisk påväxt, områden där ytbehandlingskemikalier använts samt olika typer av material. I vissa fall kan man även se skillnader mellan samma typ av material, vilket t.ex. kan bero på ålder, skador eller förslitningar.



Elektriska isolatorer på kraftledningar är ute i väder och vind och om de blir påväxta med alger kan dessa binda vatten vilket kan orsaka elektriskt genomslag. Det finns därför ett behov att kontrollera så att detta inte inträffar, vilket är möjligt med fluorescenslidar.



Om laserpulsen som sänds mot ett objekt är tillräckligt intensiv och fokuseras ner till en liten punkt kan man skapa en liten explosion. Detta beror på att man tillför så mycket energi att man bryter sönder materialet och det skapas en liten gnista, innehållande fria atomer och joner från ytan. Eftersom man har tillfört mycket energi kommer dessa atomer och joner att bli exciterade. När atomerna faller tillbaka till sitt grundtillstånd sänder de ut specifika våglängder och därmed kan man analysera vilket ämne som fanns i provet. Metoden kallas ?laser-induced breakdownspectroscopy?, eller gnist-spektroskopi. Genom att sedan svepa laserstrålen över ytan kan man skapa en karta över de ämnen som finns i området.



I detta arbete har alltså tre olika typer av spektroskopi på avstånd utförts; dels mätningar av luftföroreningar, med differentiell absorptions-lidar, dels mätningar på byggnader och isolatorer med fluorescens-lidar och dels laser-inducerad gnist-spektroskopi.

• author: Grönlund, Rasmus
• supervisor: Sune Svanberg
• opponent: Professor Killinger, Dennis, Department of Physics, University of South Florida, USA
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Atomic and molecular physics, remote laser-induced breakdown spectroscopy, laser-induced fluorescence, differential absorption lidar, fluorescence lidar, Atom- och molekylärfysik
• in: Lund Reports on Atomic Physics, LRAP-384
• pages: 222 pages
• defense location: Room B, Physics Department, Sölvegatan 14C, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2007-10-05 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 978-91-628-7251-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 96c43b30-6ece-472b-80c2-1953f12ec3d7 (old id 598905)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:34:42
• date last changed: 2019-05-21 18:13:04