Advanced

Inelastic LIDAR for Monitoring Aquatic Fauna

Ljungholm, Mikael LU (2016) PHYM01 20151
Combustion Physics
Department of Physics
Abstract
This thesis is oriented around designing the world first inelastic hyperspectral LiDAR(Light Detection and Ranging) system for aquatic use. The system was designed around the task of monitoring zooplankton and environmental indicators in water. Scheimpflug lidar was previously developed for monitoring flying insects, aerosols and gases. Here we extend the concept to inelastic hyperspectral ranging capabilities.
During the project, a novel system was developed that uses relatively low cost off-the-shelf components to create a compact LiDAR with both spectral, temporal and ranging capabilities making it a very versatile system with many possible applications such as, plankton and chlorophyll detection and assessment of water quality. The system... (More)
This thesis is oriented around designing the world first inelastic hyperspectral LiDAR(Light Detection and Ranging) system for aquatic use. The system was designed around the task of monitoring zooplankton and environmental indicators in water. Scheimpflug lidar was previously developed for monitoring flying insects, aerosols and gases. Here we extend the concept to inelastic hyperspectral ranging capabilities.
During the project, a novel system was developed that uses relatively low cost off-the-shelf components to create a compact LiDAR with both spectral, temporal and ranging capabilities making it a very versatile system with many possible applications such as, plankton and chlorophyll detection and assessment of water quality. The system uses a high power GaN laser-diode to emit a laser beam that propagates through the water. The laser light is then scattered both elastically (Mie and Rayleigh scattering), and inelastically (Raman scattering) by the water or by particles and plankton crossing the laser beam. The light might also be absorbed and result in fluorescence. The scattered light is collected by the receiving lens, after which the light is analyzed in term of energy for all distances along the line of view. The system was simulated using a raytracing program (FRED Optics by Photon Engineering) to find a feasible design with the available components. The system was assembled in a lab environment and calibrated. Lastly, the setup was tested in a 5-meter-long test-tank containing leaves and zooplankton of the genus Daphnia. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Det här examensarbetet fokuserar på att designa och konstruera en ny typ av instrument för att studera plankton och den miljö de lever i. Arbetet utnyttjar de framsteg som gjorts inom små diod-lasrar och små kamerasensorer tillsammans med innovativ optik för att konstruera ett kompakt och relativt billigt instrument som på avstånd kan upptäcka individuella plankton på flera djup samtidigt och på samma gång samla in information om innehållet i vattnet i dess omgivning, vilket är något som inte varit möjligt tidigare.
Det finns flera anledningar till varför studier av plankton är viktiga. Plankton utgör grunden för hela den vattenlevande näringskedjan och djurplankton utgör mer biomassa än något annat djurslag på jorden. Djurplankton är också... (More)
Det här examensarbetet fokuserar på att designa och konstruera en ny typ av instrument för att studera plankton och den miljö de lever i. Arbetet utnyttjar de framsteg som gjorts inom små diod-lasrar och små kamerasensorer tillsammans med innovativ optik för att konstruera ett kompakt och relativt billigt instrument som på avstånd kan upptäcka individuella plankton på flera djup samtidigt och på samma gång samla in information om innehållet i vattnet i dess omgivning, vilket är något som inte varit möjligt tidigare.
Det finns flera anledningar till varför studier av plankton är viktiga. Plankton utgör grunden för hela den vattenlevande näringskedjan och djurplankton utgör mer biomassa än något annat djurslag på jorden. Djurplankton är också mycket beroende på omgivningen de lever i och påverkas av näringsvärden, föroreningar och pH-värdet i vattnet. Detta gör dem till en bra indikator på vattenkvaliteten. Resultatet från ett vanligt vattenprov kan ändras mycket snabbt beroende på vattenströmmar och små lokala ändringar i vattnet. Plankton påverkas däremot på en tidsperiod av dagar och timmar och kan ge en jämnare uppfattning om tillståndet i vattnet. Traditionella sätt att fånga plankton med nät kan vara tidskrävande och i värsta fall ett osäkert sätt då plankton kan röra sig stora sträckor under dagen så att näten inte får en representativ fördelning av planktonen i vattnet. Nyare metoder använder vattenpumpar för att fånga planktonen eller undervattenrobotar som kan filma planktonen i vattnet. Problemet med att plankton flyttar på sig kvarstår då ingen av de metoderna kan undersöka fler områden samtidigt och övriga vattenanalyser måste göras separat.
Instrumentet utvecklat i projektet är en typ av LIDAR. En LIDAR (akronym för ”Light Detection And Ranging”) är ett optiskt instrument som mäter ljuset som kommer tillbaka efter att en ljuskälla (vanligtvis en laser) belyst ett område. Projektet utnyttjar hur laserljus interagerar molekyler, partiklar och plankton för att bestämma innehållet i vattnet. Förutom reflektion är fluorescens och Raman spridning de primära effekterna som utnyttjas i instrumentet. Detta gör att instrumentet kan förutom upptäcka plankton även potentiellt mäta en mängd andra egenskaper i vattnet som t.ex. saltinnehåll, temperatur och föroreningar. Instrumentet utnyttjar även än optisk princip kallad Scheimpflug-principen som gör det möjligt att avläsa signaler från flera djup samtidigt.
Under projektet utvecklas instrumentet både teoretiskt och experimentellt. Initialt utvecklades teorin för hur instrumentet skulle fungera och beräkningar gjordes för att passa ihop de olika komponenterna. Instrumentet simulerades också genomgående under det teoretiska arbetet med så kallad ray-tracing. Ray-tracing är en optisk simuleringsmetod som bygger på ljusets strål-linkande egenskaper och lämpar sig mycket väl för datorsimuleringar. Detta gjordes för att kontrollera de teoretiska beräkningarna samt underlätta i valet av slutliga komponenter. Instrumentet byggdes sedan enligt simuleringen och slutligen kalibrerades och testades det fysiska instrumentet i en kontrollerad testmiljö. Potentiellt skulle instrumentet även kunna användas i andra applikationer och även på land, något som däremot inte undersöktes närmare i detta examensarbete. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Ljungholm, Mikael LU
supervisor
organization
course
PHYM01 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
LIDAR, Laser, hyperspectral, multispectral, inelastic, ecology, monitoring, plankton, aquatic, Scheimpflug
ISSN
1102-8718
language
English
id
8903707
date added to LUP
2017-03-09 10:54:08
date last changed
2017-03-09 10:54:08
@misc{8903707,
  abstract     = {This thesis is oriented around designing the world first inelastic hyperspectral LiDAR(Light Detection and Ranging) system for aquatic use. The system was designed around the task of monitoring zooplankton and environmental indicators in water. Scheimpflug lidar was previously developed for monitoring flying insects, aerosols and gases. Here we extend the concept to inelastic hyperspectral ranging capabilities.
During the project, a novel system was developed that uses relatively low cost off-the-shelf components to create a compact LiDAR with both spectral, temporal and ranging capabilities making it a very versatile system with many possible applications such as, plankton and chlorophyll detection and assessment of water quality. The system uses a high power GaN laser-diode to emit a laser beam that propagates through the water. The laser light is then scattered both elastically (Mie and Rayleigh scattering), and inelastically (Raman scattering) by the water or by particles and plankton crossing the laser beam. The light might also be absorbed and result in fluorescence. The scattered light is collected by the receiving lens, after which the light is analyzed in term of energy for all distances along the line of view. The system was simulated using a raytracing program (FRED Optics by Photon Engineering) to find a feasible design with the available components. The system was assembled in a lab environment and calibrated. Lastly, the setup was tested in a 5-meter-long test-tank containing leaves and zooplankton of the genus Daphnia.},
  author       = {Ljungholm, Mikael},
  issn         = {1102-8718},
  keyword      = {LIDAR,Laser,hyperspectral,multispectral,inelastic,ecology,monitoring,plankton,aquatic,Scheimpflug},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Inelastic LIDAR for Monitoring Aquatic Fauna},
  year         = {2016},
}