Elastic hyperspectral lidar for detecting coherent backscatter from insects
(2022) PHYM03 20221Combustion Physics
Department of Physics
- Abstract
- Insects play a major role in the ecosystem and are an important factor for biodiversity.
Using laser remote sensing to distinguish and monitor the millions of insects
in-situ, holds large potential to speed up and improve the otherwise time consuming
process of trapping and subsequent analysis. In this work, the spectral analyser for an
elastic hyper spectral lidar in the SWIR, with 64 effective spectral bands was developed,
to monitor the aerofauna. The spectral analyser was designed using raytracing,
CAD-desing and 3D-printing. As a proof of principle, the lidar was tested during a field
campaign where the coherent backscatter of a damselfly was measured at a distance of
87 m without averaging (4 ms exposure time). From the... (More) - Insects play a major role in the ecosystem and are an important factor for biodiversity.
Using laser remote sensing to distinguish and monitor the millions of insects
in-situ, holds large potential to speed up and improve the otherwise time consuming
process of trapping and subsequent analysis. In this work, the spectral analyser for an
elastic hyper spectral lidar in the SWIR, with 64 effective spectral bands was developed,
to monitor the aerofauna. The spectral analyser was designed using raytracing,
CAD-desing and 3D-printing. As a proof of principle, the lidar was tested during a field
campaign where the coherent backscatter of a damselfly was measured at a distance of
87 m without averaging (4 ms exposure time). From the backscattered signal, a thinfilm
interference pattern could be retrieved, from which the wing membrane thickness
could be determined to 1417 nm with a precision of ±4 nm. This result is very promising
for future entomological studies and can bring species specificity of remote sensing
of insects to a new level. Further applications of this lidar can be monitoring of gases,
particles in the atmosphere and also vegetation structure. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Fjärranalys av insekter med laserljus
I detta examensarbete utvecklades ett instrument som använder en bredbandig ljusstråle för fjärranalys av insekter. Tjockleken av en jungfrusländas vinge mättes på 87 m avstånd och med en 4 nm noggrannhet.
Insekter spelar en huvudroll i ekosystemet och är avgörande för den biologiska mångfalden. Att urskilja och övervaka var miljontals insekter i våra miljöer befinner sig är en stor utmaning. Användning av laser och modern fotonik gör det möjligt att upptäcka insekter i stora mängder på distans utan att fånga dem. Antalet insekter har minskat drastiskt under de senaste årtiondena. Lasermätningar kan ge nya insikter om vilka åtgärder som måste vidtas för att rädda insekterna.
En lidar (laser... (More) - Fjärranalys av insekter med laserljus
I detta examensarbete utvecklades ett instrument som använder en bredbandig ljusstråle för fjärranalys av insekter. Tjockleken av en jungfrusländas vinge mättes på 87 m avstånd och med en 4 nm noggrannhet.
Insekter spelar en huvudroll i ekosystemet och är avgörande för den biologiska mångfalden. Att urskilja och övervaka var miljontals insekter i våra miljöer befinner sig är en stor utmaning. Användning av laser och modern fotonik gör det möjligt att upptäcka insekter i stora mängder på distans utan att fånga dem. Antalet insekter har minskat drastiskt under de senaste årtiondena. Lasermätningar kan ge nya insikter om vilka åtgärder som måste vidtas för att rädda insekterna.
En lidar (laser radar) är ett optiskt instrument som använder laserljus för att mäta vart i landskapet olika objekt befinner sig. Laserljuset färdas från lidarn till objektet där det studsar tillbaka och samlas in av lidarn. Vanligtvis bestäms avståndet genom att mäta tiden ljuset tar att färdas från lidarn till objektet och tillbaka. I en Scheimpflug lidar, å andra sidan, mäts avståndet i stället med triangulering. Det innebär att ljuset som reflekteras från olika avstånd avbildas, med hjälp av optik i en specifik konfiguration, på olika delar av en kamerasensor.
I detta examensarbete utvecklades en hyperspektral Scheimpflug lidar som testades för insektmätningar. Lidarn ställdes på ett fält medan strålen från lidarenheten lyste över fältet. Insekter som flög genom strålen reflekterade en del av ljuset, vilket upptäcktes med lidarn. Förutom avstånd, kan en hyperspektral lidar också mäta ljusspektrumet från bakspridningen över stora avstånd. När bredbandigt ljus träffar ett föremål, kan vissa våglängder vara i resonans med molekylära absorptionsband eller nanostrukturer, varvid skillnader uppstår i spektrumet. Ett spektrum visar vilka våglängder målet reflekterar och kan fungera som ett fingeravtryck för olika arter. Ljuset som träffar ett tunt lager av ett genomskinligt material kan uppvisa en effekt som heter tunnfilmsinterferens. Denna effekt ligger bakom till exempel regnbågefärgerna i såpbubblor eller färgen på halsen av en duva. Effekten uppstår från reflektioner från lagrets över- och undersidor som sammanfaller och gör att vissa våglängder tar ut varandra medan andra våglängder förstärker varandra. Ett så kallat tunnfilmsinterferensspektrum kan sedan användas för att beräkna tjockleken av lagret.
För att testa lidarn som utvecklades, mättes spektrumet av en jungfrusländas vinge på 87 m avstånd. När ljuset träffade vingen fungerade den som ett tunt lager och orsakade därmed tunnfilminterferens. Spektrumet som mättes var alltså ett interferensspektrum som kunde användas för att beräkna vingens tjocklek. Mätningen tog 4 ms och den resulterande tjockleken är 1.417 µm +/- 4 nm, vilket är en anmärkningsvärt hög noggrannhet och dessa resultat kan föra fjärrövervakningen av insekter till en ny nivå. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9092096
- author
- Müller, Lauro LU
- supervisor
- organization
- course
- PHYM03 20221
- year
- 2022
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Nanosopy, Thin film physics, Hyperspectral, Lidar, Super continuum, Insects, Coherent scattering, Infrared Spectroscopy, Hyperspectral Imaging, Biophotonics
- language
- English
- Swedish
- id
- 9092096
- date added to LUP
- 2022-07-06 14:00:39
- date last changed
- 2024-01-01 03:42:25
@misc{9092096,
abstract = {{Insects play a major role in the ecosystem and are an important factor for biodiversity.
Using laser remote sensing to distinguish and monitor the millions of insects
in-situ, holds large potential to speed up and improve the otherwise time consuming
process of trapping and subsequent analysis. In this work, the spectral analyser for an
elastic hyper spectral lidar in the SWIR, with 64 effective spectral bands was developed,
to monitor the aerofauna. The spectral analyser was designed using raytracing,
CAD-desing and 3D-printing. As a proof of principle, the lidar was tested during a field
campaign where the coherent backscatter of a damselfly was measured at a distance of
87 m without averaging (4 ms exposure time). From the backscattered signal, a thinfilm
interference pattern could be retrieved, from which the wing membrane thickness
could be determined to 1417 nm with a precision of ±4 nm. This result is very promising
for future entomological studies and can bring species specificity of remote sensing
of insects to a new level. Further applications of this lidar can be monitoring of gases,
particles in the atmosphere and also vegetation structure.}},
author = {{Müller, Lauro}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Elastic hyperspectral lidar for detecting coherent backscatter from insects}},
year = {{2022}},
}