Environmental Monitoring by Multi-Spectral Lidar Techniques

Abstract

Multi-spectral lidar (light detection and ranging) techniques have been developed and employed in various environmental studies, ranging from concentration mapping of volcanic emissions to fluorescence imaging of historical monuments. In both absorption measurements of gaseous species and fluorescence imaging of stones, multiple wavelength excitation and multiple wavelength detection have been applied. A mobile frequency agile lidar system, using all-solid-state technology, has been constructed for range resolved atmospheric gas concentration measurements in the ultraviolet, visible and mid-infrared wavelength regions. A measurement method based on multivariate statistical techniques has been developed to analyse the composition of complex gas mixtures from their combined absorption spectrum. Industrial emissions of mercury from chlor-alkali plants and hydrocarbons from a test site, have been studied to explore the capabilities of the new lidar system. Local polynomial regression with local data driven bandwidths has been developed and utilised as a flexible technique for evaluating DIfferential Absorption Lidar (DIAL) data. The method allows an optimally adapted range resolution and control of measurement accuracy. A new method for gas flux measurements using a combination of DIAL and wind videography has been developed. Validation of the method has been performed during measurements of sulphur dioxide at a paper and pulp mill. The emission of sulphur dioxide from the Italian volcanoes Mt Etna, Stromboli and Vulcano has been studied in several ship-borne measurements combining simultaneous passive and active optical spectroscopy techniques. The deviations between the instruments could be explained by modelling the light scattering through the plume, which allowed correction of data for most situations. Fluorescence imaging of the facades of the Lund Cathedral (Sweden) and the Parma Cathedral and Baptistery (Italy), employing a scanning fluorescence lidar system and multivariate analysis techniques, has been performed allowing classification of different stone types and algal colonisation. Range resolved fluorescence measurements of ocean, coastal and harbour water have been performed during a ship-borne cruise in the Mediterranean sea.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I vår omgivning finns många gasformiga ämnen, vars egenskaper är sådana att de kan mätas med optiska metoder. Härvid kan man utnyttja det unika spektroskopiska fingeravtryck ämnena har. Det vill säga, att varje ämne absorberar ljus av olika färg (våglängd) på ett unikt sätt. Likaså har vissa ämnen sådana egenskaper, att då de belyses med en viss våglängd sänder de ut en unik sammansättning av ljus (våglängder). Detta benämns fluorescens och därigenom kan ämnena identifieras. Ett laserradarsystem har konstruerats och testats inom olika applikationsområden. Ett laserradarsystem fungerar på samma sätt som ett vanligt radarsystem, men i stället för mikrovågor används ljuspulser, och i stället för att se flygplan eller fartyg kan man se var olika ämnen finns i atmosfären. Laserradarsystemet kan sända ut laserstrålning och snabbt byta våglängd i det ultravioletta, synliga eller infraröda våglängdsområdet, vilket möjliggör samtidig mätning av många olika ämnen i atmosfären. Statistiska metoder har använts för att kunna bestämma koncentrationen av olika ämnen i en blandning, trots att deras fingeravtryck överlappar varandra. För att göra gas flödesmätningar har en kombinationsmetod bestående av laserradar och bildbehandling utvecklats. Ett videokamerasystem som filmar plymen kombineras med avstånds- och riktningsdata från laserradarsystemet vilket möjliggör hastighetsbestämning av plymen. Ur koncentrations- och vinddata kan sedan flödet bestämmas med hög noggrannhet. Systemet kan enkelt konverteras till ett avståndsupplöst fluorescensmätningssystem med möjligheter att studera sten, vegetation och vatten. Även här används statistiska metoder för att klassificera olika typer av fluorescenssignaler och skapa bilder av mätobjekt. För att automatiskt utvärdera laserradarmätningar med hänsyn tagen till koncentration, avståndsupplösning och brus, har statistiska metoder inom lokal polynomanpassning och lokala bandbredder kombinerats för att utveckla en ny utvärderingsmetod. Denna möjliggör mätresultat med optimal avståndsupplösning samt mätnoggrannhetsredovisning. Utsläppsmätningar har genomförts av kvicksilver vid klor-alkali-industrier och kolväten på testbana för att kontrollera prestanda hos systemet. Mätningar av utsläppen från de italienska vulkanerna Etna, Stromboli och Vulcano har genomförts med olika metoder. Särskilt har uppmärksamhet riktats på atmosfärs-spridningsfenomen för att förklara skillnaderna mellan de olika metodernas mätresultat. Fluorescensbilder av fasaderna av Lunds domkyrka och domen i Parma har tagits fram genom utnyttjande av laserradarsystemet och multivariata metoder. Klassificering av stenar och algpåväxt visade sig vara möjlig. Avståndsupplösta fluorescensmätningar har utförts av havs-, kust- och hamnvatten i Medelhavet med laserradarsystemet placerat ombord på ett forskningsfartyg.

• author: Weibring, Petter
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Wolf, J.P., Universite Claude Bernard Lyon 1
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: non-linear optics, fluorescence spectroscopy, scattering, multi-spectral imaging, Atom- och molekylärfysik, atmospheric pollution, Atomic and molecular physics, laser, remote sensing, lidar, DIAL, Fysicumarkivet A:2002:Weibring
• pages: 220 pages
• defense location: Sölvegatan 14, Hall B
• defense date: 2002-08-30 10:15:00
• external identifiers: other:LUTFD2/(TFAF-1048)/1-70(2002)
• ISBN: 91-628-5332-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: P. Weibring, M. Andersson, H. Edner, and S. Svanberg, Remote Monitoring of Industrial Emissions by Combination of Lidar and Plume Velocity Measurements, Applied Physics B 66, 383 (1998); Article: P. Weibring, H. Edner, S. Svanberg, G. Cecchi, L. Pantani, R. Ferrara, and T. Caltabiano, Monitoring of Volcanic Sulphur Dioxide Emissions using Differential Absorption Lidar (DIAL), Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) and Correlation Spectroscopy (COSPEC), Applied Physics B 67, 419 (1998); Article: P. Weibring, J. Swartling, H. Edner, S. Svanberg, T. Caltabiano and D. Condarelli, G. Cecchi, and L. Pantani, Optical Monitoring of Volcanic Sulphur Dioxide Emissions - Comparison Between Four Different Remote-sensing Spectroscopic Techniques, Optics and Lasers in Engineering 37, 267 (2002); Article: P. Weibring, J.N. Smith, H. Edner, and S. Svanberg, Development and Testing of a Frequency Agile Optical Parametric Oscillator System for Differential Absorption Lidar, Submitted to Review of Scientific Instruments, July (2002); Article: P. Weibring, H. Edner, and S. Svanberg, Versatile Mobile Lidar System for Environmental Monitoring, Submitted to Applied Optics, July (2002); Article: I. Wängberg, H. Edner, R. Ferrara, E. Lanzillotta, J. Munthe, J. Sommar, S. Svanberg, M. Sjöholm, and P. Weibring, Mercury Emissions from a Chlor-alkali Plant in Sweden, Submitted to The Science of the Total Environment, January (2002); Article: P. Weibring, Ch. Abrahamsson, M. Sjöholm, J.N. Smith, H. Edner, and S. Svanberg, Multi-Component Chemical Analysis of Gas Mixtures Using a Continuously-Tuneable Lidar System, Manuscript; Article: T. Lindström, U. Holst, P. Weibring, and H. Edner, Analysis of LIDAR Measurements Using Nonparametric Kernel Regression Methods, Applied Physics B 74, 155 (2002); Article: P. Weibring, Th. Johansson, H. Edner, S. Svanberg, B. Sundnér, V. Raimondi, G. Cecchi, and L. Pantani, Fluorescence Lidar Imaging of Historical Monuments, Applied Optics 40, 6111 (2001); Article: D. Lognoli, G. Cecchi, I. Mochi, L. Pantani, V. Raimondi, R. Chiari, Th. Johansson, P. Weibring, H. Edner, and S. Svanberg, Fluorescence Lidar Imaging of the Parma Cathedral and Baptistery, Submitted to Applied Physics B, July (2002)
• id: fbe61247-d3c6-48bf-a422-c6c5e4dbb4b2 (old id 464815)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:16:32
• date last changed: 2018-11-21 21:10:01