Investigation of continuous-wave range-resolved lidar systems for gas detection and concentration measurement

Abstract

The techniques for detection of the atmosphere constituents and their distribution in the space have evolved in the last years driven by needs in the environmental, meteorological and climate science fields and backed by technological developments. The study of the atmosphere behavior, the health risks provoked either by natural or man-made phenomena or the study of the climate change are examples of applications of optical remote sensing techniques that tend to increase as time goes by.

This thesis presents an innovative lidar system for gas detection with range resolution and moderate cost. We study a frequency-modulated continuous-wave lidar system (FMCW) for gas detection in the atmosphere. As a previous step a system for aerosol detection has been studied, which has led to the development of a phase switching technique in the modulating signal to make possible the retrieval of the low-spatial-frequency components of the atmosphere optical parameters. This technique has been tested with an experiment of discrimination of targets close to each other. Then the system has been extended to gas detection either with topographical targets or with aerosols as backscattering medium and a preliminary experiment for the first case has been performed. An analysis of the uncertainty in the gas-concentration retrieval as a function of the signal-to-noise ratio (SNR) has been developed and the extension of the `phase-hop¿ technique for gas-detection FMCW-lidar systems has been proposed.

Previous to this system, a wavelength modulation spectroscopy (WMS) system has been developed as an intermediate step to achieve some degree of expertise in gas detection by means of absorption spectroscopy techniques. Different experiments with gas cells and open-path environments have been carried out.

Finally an optical amplifier which can be used in WMS systems as well as in FMCW-lidar systems is studied, designed, developed and tested. The analysis of the fiber-amplifier behavior for conditions of temperature and pressure change has been performed with a certain dependence of the background with temperature.

Les tècniques per a la detecció dels constituents de l’atmosfera i la seva distribució en l’espai ha evolucionat en els últims anys degut a les necessitats en els camps del medi ambient, la meteorologia i les ciències del clima i amb el suport del desenvolupament tecnològic. L’estudi del comportament atmosfèric, els riscos per la salut provocats per fenòmens tant naturals com artificials o l’estudi del canvi climàtic són exemples d’aplicacions de tècniques de teledetecció òptica que tendeixen a incrementar amb el temps. Aquesta tesi presenta un sistema lidar innovador per a la detecció de gasos amb resolució en distancia i amb un cost moderat. S’estudia un sistema lidar d’ona continua i modulat en freqüència FMCW (frequency-modulated continuous-wave) per a la detecció de gasos a l’atmosfera. Com a pas previ, s’ha estudiat un sistema per a detecció d’aerosols que ha portat al desenvolupament d’una tècnica de salts de fase en el senyal modulador per tal de fer possible la recuperació dels components de baixa freqüència espacial dels paràmetres òptics atmosfèrics. Aquesta tècnica s’ha testejat amb un experiment de discriminació de blancs propers entre ells. Llavors el sistema s’ha estès a la detecció de gasos utilitzant com a medi de retrodispersió tant els blancs topogràfics com els aerosols i s’ha fet un experiment preliminar per al primer cas de blancs topogràfics. S’ha analitzat també la incertesa en la recuperació de la concentració de gas com a funció de la relació senyal-soroll (SNR) i s’ha proposat l’extensió de la tècnica phase-hop per a sistemes lidar FMCW per a la detecció de gasos. Previ a aquest sistema, s’ha desenvolupat un sistema WMS (wavelength modulation spectroscopy) com a pas intermedi per tal d’assolir un cert grau d’expertesa en la detecció de gasos per mitjà de tècniques d’absorció espectroscòpica. S’han desenvolupat diferents experiments amb cel·les de gas i també en espais oberts. Finalment s’ha estudiat, dissenyat, desenvolupat i testejat un amplificador òptic que es pot fer servir en sistemes WMS així com en sistemes lidar FMCW. L’anàlisi del comportament de l’amplificador de fibra per a condicions de canvi de pressió i temperatura s’ha realitzat obtenint com a resultat una certa dependència del senyal de background amb la temperatura.