Fernerkundung mittels Infrarotspektrometrie: Anwendungen. Grundlagen Fernerkundungssystem SIGIS Abbildendes Fourier-Spektrometer Gaskamera

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1 Fernerkundung mittels Infrarotspektrometrie: Anwendungen Grundlagen Fernerkundungssystem SIGIS Abbildendes Fourier-Spektrometer Gaskamera

2 Fernerkundung von Gefahrstoffen mittels Infrarotspektrometrie Spektrometer T G Gefahrstoffwolke T SH Hintergrund T G <T SH : Absorption

3 Fernerkundung von Gefahrstoffen mittels Infrarotspektrometrie Spektrometer T SH T G Gefahrstoffwolke T G >T SH : Emission

4 Fernerkundung von Gefahrstoffen mittels Infrarotspektrometrie Spektrometer T G Gefahrstoffwolke T SH Hintergrund Passive Methode: Keine künstliche Strahlungsquelle

5 Identifikation Methanol Ammoniak Transmission Transmission Frequenz (cm -1 ) Frequenz (cm -1 ) Stoffe besitzen Fingerabdruck im Spektrum Stoffe können identifiziert werden

6 Transmission der Atmosphäre Wellenlänge (µm) Transmission Wellenzahl (cm -1 ) IR VIS UV Fascode-Simulation der Transmission der Atmosphäre (1 km)

7 Strahlungstransportmodell Spektrometer T 1,τ 1 T 2,τ 2 L 3 Atmosphäre Wolke Hintergrund Schichtenmodell: Li = ( 1 τi ) Bi + τili + 1 Drei Schichten: L = ( 1 τ ) B + τ (( τ ) B + τ L ) B T 1 =T 2 : L = ( 1 τg ) LGH (1 τg ) TGH τg = τ 1 τ 2 T

8 Wahl des Spektralbereichs Wellenlänge (µm) Signal ( B/ T, relativ) Transmission Wellenzahl (cm -1 ) IR VIS UV Transmission der Atmosphäre (Standardatmosphäre, 1 km) Ableitung des Planckschen Strahlungsgesetzes bei 300 K (relativ)

9 Hintergrundspektrum und Spektrum mit Methanol 0.05 Hintergrundspektrum (Unkalibriertes Spektrum) 0.05 Spektrum von 600 ppm m Methanol (Unkalibriertes Spektrum) S (GE) S (GE) Wellenzahl (cm -1 ) Wellenzahl (cm -1 )

10 Berechnung des Strahlungstemperaturspektrums Spektrum der Strahlungsdichte 298 Strahlungstemperaturspektrum L (W/srcm 2 cm -1 ) T S (K) Methanol Wellenzahl (cm -1 ) Wellenzahl (cm -1 ) T S ( σ ) = hcσ 2 3 2hc σ ln L( σ ) + 1 k

11 1. Schritt zur Identifikation: Berechnung des Strahlungstemperaturspektrums Strahlungstemperatur (K) Methanol (überlagert von Ozon und Wasser) Emissionslinien von Wasser Emissionslinien von Wasser Wellenzahl (cm -1 ) Spektrum von 400 ppm m Methanol vor einer Backsteinwand

12 2. Schritt zur Identifikation: Anpassung von Referenzspektren, Basislinienkorrektur Strahlungstemperaturdifferenz (K) Gemessenes Spektrum Berechnetes Spektrum Basislinie + Ozon Basislinie + Methanol Wellenzahl (cm -1 ) Anpassung von Spektren eines Zielstoffs (hier: Methanol), möglicher Störstoffe, von Wasser, Ozon, und der Basislinie

13 3. Schritt zur Identifikation: Vergleich mit Referenzspektrum des Zielstoffs Strahlungstemperaturdifferenz (K) R = 0, Wellenzahl (cm -1 ) Schwellenwerte für R und Signal-Rausch-Verhältnis Berechnung für alle Zielstoffe

14 Videokamera Scannerspiegel Teleskop Interferometer

15 Messung von Ammoniak im Harburger Industriegebiet Entfernung: 2,5 km Ammoniak identifiziert

16 1. Scannendes abbildendes Fernerkundungssystem SIGIS 2 Drehbarer Kopf Teleskop GPS Scannerspiegel Scanner: Abbildung 360 -Überwachung Interferometer

17

18 WM 2006: Überwachung des Olympiastadions Polizei Berlin

19 Überwachung des Stadions in Berlin Finale DFB-Pokal 2006 Identifikation von Ethanol

20 Überwachung des Fan-Fests in Hamburg Feuerwehr Hamburg: 25 Tage, bis zu 17 Stunden / Tag

21 SIGIS

22 Identifikation von Ammoniak über dem Gelände des Schlachthofs Ammoniak identifiziert Feuerwehr Hamburg

23 Visualisierung der Ammoniak-Wolke Darstellung des Korrelationskoeffizienten Ammoniak-Wolke Feuerwehr Hamburg

24 Messung der Emissionen von Vulkanen Kooperation mit Dr. Michel Grutter, UNAM, Mexiko

25 Tomographie Wolke identifiziert Position 1 Position 2

26 Interpretation eines Strahlungstemperaturspektrums Methanol Strahlungstemperatur (K) Methanol CO 2 H 2 O, CH 4, N 2 O Wellenzahl (cm -1 ) T Hintergrund T Umgebung

27 Quantifizierung durch Schätzung der Temperatur der Wolke T 1 τ T Signal der Wolke: S ( G ) GH Annahme: T Umgebung = T Gefahrstoffwolke Berechnung der Transmission τ = e β (σ ) cl Strahlungstemperatur (K) CO 2 Methanol H 2 O, CH 4, N 2 O T Hintergrund T Umgebung Wellenzahl (cm -1 ) Nachteile dieses Verfahrens: Fehlerhafte Schätzung der Gastemperatur kann großen Fehler in der Säulendichte cl bewirken Annahme T Umgebung = T Gefahrstoffwolke nicht immer berechtigt

28 Quantifizierung durch nichtlineare Modellierung Ziel: Schnelles Verfahren zur Quantifizierung, das nicht auf einer Schätzung der Temperatur der Wolke beruht T S (K) 289 T GH = 10 K 200 ppm m Methanol Wellenzahl (cm -1 ) T S (K) 289 T GH = 2 K 2000 ppm m Methanol Wellenzahl (cm -1 ) Approximation des gemessenen Spektrums L Mess durch ein mit Hilfe eines Modells berechnetes Spektrum L Modell Zwei Modelle: Strahlungstransportmodell, das die Säulendichte cl als Parameter enthält Modell für das Spektrometer (Apparatefunktion) N i i ( L Modell (σ i, T.. T M, l1, cl2.. cl M, T StHg, b1.. b P ) L Mess ) i= 1 1 = min 2!

29 Quantifizierung durch nichtlineare Modellierung Berechnung der Transmission der Wolke: Transmission Wellenzahl (cm -1 ) 1 τ β (σ ) cl = e β(σ): HITRAN Apparatefunktion: A(σ) A(σ ) Berechnete und gemessene Strahldichte: L (W/(cm sr)) Wellenzahl (cm -1 ) L Modell = f (cl,...) Messung L Mess Modell L Modell Wellenzahl (cm -1 )

30 Linearität: Messung unterschiedlicher Säulendichten Ammoniak Gemessene Säulendichte (ppm m) Wahre Säulendichte (ppm m) Ammoniak-Probe vor schwarzer Oberfläche, T -3 K Mittelwerte und Standardabweichungen von 100 Messungen

31 2. Abbildendes FTIR-Spektrometer mit einem Detektorarray Spiegel 1 Spiegel 2 Strahlteiler Detektorarray

32 Messung von Emissionen Signal von Ammoniak Ammoniak Signal / NE T

33 3. Gaskamera: Prinzip PC IR-Optik L(σ) Detektorarray Spektralfilter (Modulator)

34 Gaskamera mit Interferenzfiltern Transmission/Absorbanz Filter 2 (Referenz) Filter 1 (Gas) Wellenzahl (cm -1 )

35 Methanwolke Freisetzung von Methan Freisetzungsrate: 0,06 L/s (200 L/h)