Laser in der UmweltmeBtechnik Laser in Remote Sensing Vortrage des 11. lnternationalen Kongresses Proceedings of the 11th International Congress

Laser93 Herausgegeben von/Edited by C. Werner, W. Waidelich

Mit 130 Abbildungen/With 130 Figures

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Dr. rer. nat. Christian Werner Deutsche Forschungsanstalt fOr Luft- und Raumfahrt, lnstitut fOr Optoelektronik, Oberpfaffenhofen

Dr. rer. nat. Wilhelm Waidelich Universitatsprofessor, em. Vorstand des lnstituts fOr Medizinische Optik der Universitat MOnchen, em. Direktor des lnstituts fOr Angewandte Optik der Gesellschaft fOr Strahlen- und Umweltforschung , Neuherberg

ISBN 978-3-540-57443-9

Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme Laser in der UmweltmeBtechnik: Vortrage des 11.1nternationalen Kongresses Laser 93 = Laser in remote sensing/ hrsg. von C. Werner; W. Waidelich. ISBN 978-3-540-57443-9 ISBN 978-3-662-08252-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-08252-2 NE: Werner, Christian (Hrsg.); lnternationaler Kongress Laser -11, 1993, Miinchen -; PT Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiserVerwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. ©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1994 Die Wiedergabevon Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nichtzu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutztwerden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fiir Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen vom Autor 62/3020 - 5 4 3 2 1 - Gedruckt auf saurefreiem Papier

Vorwort

Mit der Kongress-Messe LASER 93 eroffnete die Munchener Messeund Ausstellungsgesellschaft einen Oberblick Ober den neuesten Stand und die Entwicklungstendenzen. Die Synthase von Forschung und Anwendung (Kongress) mit der Praxis der kommerziell erhaltlichen Gerate (Messa), wie sie im Verbund von Kongress und Ausstellung dokumentiert wird, hat auf der LASER langjahrige Tradition. In den letzten Jahren hat sich die Optoelektronik und die Anwendung des Lasers mit einer solchen Dynamik weiterentwickelt, daB es sinnvoll wurde, die Beitrage des Kongresses bereits anlaBiich der LASER 91 in nach Anwendungen getrennten Sanden zu dokumentieren. Der hier vorliegende Band Laser in der UmweltmeBtechnik zeigt die Bedeutung der optischen MeBtechnik fOr das wachsende Gebiet der Umweltforschung. Die Organisation des Teilkongresses wurde auf mehrere Spezialisten verteilt. Die Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN hat ein Arbeitsgruppentreffen abgehalten (K.Weber), urn Richtlinien fOr den Einsatz optischer FernmeBverfahren zu erarbeiten. Dies geht auf Anregungen zuruck, die anlaBiich des Workshops auf der LASER 91 erarbeitet wurden. Ein Glossar fOr die Fernerkundung ist Bestandteil der Richtlinienarbeit und ist im vorliegenden Band als Entwurf enthalten (V.Kiein). Die meisten Beitrage wurden in Englisch vorgelegt, vier Beitrage, die wahrend der Konferenz prasentiert wurden, liegen schriftlich nicht vor. Fur das Zustandekommen des Suches sei allen Autoren, Sitzungsleitern und Diskussionsteilnehmern und dem Springer Verlag gedankt. Munchen, August 1993

Christian Werner Wilhelm Waidelich

Preface

Since 1973, the Munich Trade Fair Corporation has been providing a survey of the state-of-the-art and trends in development through its LASER OPTOELECTRONICS congress and trade fair. The successful synthesis of theory and practice made evident by the coordination of the congress and exhibition, has helped this high-tech information forum in Munich to gain an international reputation. This is the oldest and most important event of this kind and it has become the meeting place for experts from all over the world. During the last years the development of optoelectronics and laser applications was increasing at such a rate, that it would be necessary to publish the contributions presented at LASER 91 in separate LASER 91 Lasers In Environmental volumes. Beginning with Remote Sensing is presented in a separate volume. This volume Laser 1993 in (environmental) Remote Sensing demonstrates the importance of optical measuring techniques for its increasing application in environmental sciences. The organization of the sessions was appointed to different experts The Commission on Air Pollution Prevention in VOl and DIN held a working group meeting (K.Weber) to elaborate guidelines for optical remote sensing. After the workshop at LASER 91, where experts from industry and research discussed the problem of remote sensing methods for air pollution monitoring, working on guidelines for remote sensing instruments is the next step. A glossary for remote sensing was discussed (V.Kiein). We hope for LASER 95 to present the first experiences with the guidelines. Most of the papers are written in English, four papers presented during the congress are missing in this volume, papers accepted but not presented during the congress are not included. We would like to express our gratitude to all: Authors, workshop participants, chairpersons, and to Springer-Verlag for their help in the preparation of this book. Munich, August 1993

Christian Werner Wilhelm Waidelich

Referenten - Contributors

Alen, van T.A., 66 Baumgart!, T., 113 Bautzer, W., 21 Bazzani, M., 75,101 Bijnen, F. G. C., 66 Bittner, H., 15,21 Bombach, R., 9 Bublitz, J., 118 Camenen, L., 89 Cecchi, G., 75,101 Dahn, H.G., 85 Dickenhausen, M., 11 8 Dobschal, H.-J., 27 Douard, M., 40 Ehret, G., 134,139 Eisenmann, T., 15,21 Erhard, M., 15 Fiedler, M., 46 Fischer, U., 105 Furger, M., 55 Geinitz, V., 184 Golusda, E., 46 Goulas, Y., 89 Graber, W. K., 55 Gunther, K. P., 85 Guyot, G., 89 Hackstein, J.H.P., 66 Hahn, W., 173 Hansel H. G., 27 Harren, F.J.M., 66 Haus, R., 15,21

Heilmann, R., 27 Hemmerling, B., 9 Hillrichs, G., 109 Hoek, van A.H.A.M., 66 Horn, R., 113 Jager, H., 51 Kiemle, C., 134 Klatt, D., 113 Klein, V., 206 Knaack, A., 11 3 Kopp, F., 150 Kolenda, J., 40 Kreutner, W., 9 Krichbaumer, W.,143,173, 184 Lange, R., 46 Leipertz, A., 3 Leone, S.R., 61 LOdecker, W., 85 LOhmann, K., 46 Mazzinghi, P., 75 Mayer-Schwartz, K., 105 Meyer,. B., 105 Mill, Th., 61 Morl, P., 139 Mosebach, H., 15,21 Morales, F., 89 Moya, 1., 89 Neu, W., 109 Noormohammadian, M., 190 Oppel, U. G., 190 Otteken, D., 105

Pantani, L., 75, 101 Raimondi, V., 75, 101 Rairoux, P., 40 Reif, J., 40 Ranger, W., 127, 134, 139 Resch, M., 15 Rethmeier, J., 105 Reuss, J., 66 Richter, W., 184 Rudolf, K., 27 Russwurm, G. M., 206 Ruth, B., 95 Schade, W., 113, 118 Schafer, K., 15, 21 Schmidt, W., 78 Schmuck, G., 89 Schneckenburger, H., 78 Simmet, G., 134 Stankov K. A., 33 Starkov, A., 190 Streicher, J., 173, 177 Terjung, F., 105 Ulbricht, M., 40 Valentini, R., 75 Weber, K., 201 Weitkamp, C., 201 Werner, Ch., 160, 173 Wirth, M., 139 Wolf, J. P., 40

Sitzungsleiter - Session Chairmen

M. Tacke

Analysis of Combustion

V. Klein

Remote Sensing of Trace Gases

K. Gunther

Vegetation Stress

G. Cecchi

Water Pollution

C. Weitkamp

DLR Lidar Development and Application for Remote Sensing

Ch.Werner

Visibility

K. Weber

Meeting of the VOl Working Group for Optical Remote Sensing; Guidelines for the Use of Lidar Methods

lnhaltsverzeichnis - Contents

1.

Analysis of Combustion

A.Leipertz (D) Two Dimensional Laser Diagnostics for Technical Combustion

3

R. Bombach, B. Hemmerling, W. Kreutner (CH) Development and Test of a Mobile CARS System to Measure Temperature Fluctuations in Large Industrial Combustion Systems .

9

2.

Air Pollution

T. Eisenmann, H. Mosebach, H. Bittner, M. Erhard, M. Resch, K. Schafer, R. Haus (D) Environmental Analysis of the FT-IR System K300: Examples and Results

15

K. Schafer, R. Haus, W. Bautzer, H. Mosebach, H. Bittner, T. Eisenmann (D) Verfahren zur passiven und aktiven Fernsondierung von Spurengasen auf der Basis der Fourier-Transfor-lnfrarot-Spektroskopie 21 H. G. Hansel, R. Heilmann, H.- J. Dobschal, K. Rudolf (D) Single-Longitudinal-Mode (SLM) Generation at Power Diode Lasers by Using a Diffracto-Optical External Cavity

27

K. A. Stankov (D) High-Throughput Narrowband Spectral Filtering System for Raman Lidars

33

J.-P. Wolf, J. Kolenda, J. P. Rairoux, J. Reif, M. Douard, M. Ulbricht (D) Ti: Sapphire Based Lidar Systems 40 R. Lange, M. Fiedler, E. Golusda, K. LOhmann (D) Aerosol Backscatter Measurements Using a Compact C0 2 Lidar Sensor.

46

H. Jager (D) The Stratosphere Two Years after the Pinatubo Eruption

51

XIV

W. K. Graber, M. Furger (CH) Laser Wind Sensing: Wind Measurement by Optical Scintillation Methods

55

T. Mill and S. R. Leone (U.S.A.) Line-Tunable Electronic-to-Vibrational Energy Transfer Lasers in the Mid-Infrared

61

F. G. C. Bijnen, F. J. M. Harren, J. Reuss, A. H. A. M. van Hoek, T. A. van Alan, J. H. P. Hackstein (NL) lntracavity CO-Laser Photoacoustic Trace Detection; CH 4 Production by Methanogenic Bacteria..

66

3.

Vegetation Stress

G. Cecchi, L. Pantani, M. Bazzani, V. Raimondi, P. Mazzinghi, R. Valentini (I) Lidar Remote Sensing of Vegetation Status: The Link to Plant Physiology

75

H. Schneckenburger, W. Schmidt (D) Time-resolved Chlorophyll Fluorescence for Monitoring of Forest Decline

78

H. G. Dahn, W. LOdeker, K. P. Gunther (D) Technical Aspects for an Airborne Vegetation Fluorescence Lidar System

85

Y. Goulas, L. Camenen, G. Schmuck, G. Guyot, F. Morales, I. Moya (F) Picosecond Fluorescence Decay and Backscattering Measurements of Vegetation over Distances

89

B. Ruth (D) Laser Induced Chlorophyll Fluorescence Induction Kinetics as a Tool for the Determination Herbicide Action in Algae.

95

4.

Water Pollution

G. Cecchi, M. Bazzani, L. Pantani, V. Raimondi (I) Lidar Monitoring of Tyrrhenian and Northern Adriatic Seas .

. 101

XV K. Maier-Schwartz, F. Terjung, D. Otteken, U. Fischer, B. Meyer, J. Rethmeier (D) Investigations on the Photosynthetic Activity of Cyanobacteria of the Baltic Sea Using a Mobile Picosecond-Fluorimeter

. 105

G. Hillrichs, W. Neu (D) UV Laser Induced Fluorescence to Determine Organic Pollution in Water

. 109

A. Knaack, D. Klatt, W. Schade, R. Horn, T. Baumgart! (D) A Fiber Optic LIF-Sensor for Measuring Temporal and Spatial Distributions of Tracers in the Ground

.

113

Quantitative Analysis of PAH-Molecules by Time-Resolved LIF. Spectroscopy in Water and in the Ground .

118

J. Bublitz, W. Schade, M. Dickenhausen (D)

5.

DLR Lldar Activities

W. Ranger (D) Flugzeug-Lidar-Systeme im Einsatz bei der DLR Eine Obersicht Ober Methoden und Ergebnisse

. 127

G. Ehret, Ch. Kiemle, W. Ranger, G. Simmet (D) Untersuchung von Wasserdampfverteilungen in der freien Atmosphare mit einem flugzeuggetragenen Differentiai-Absorptions-Lidar (DIAL) .

. 134

M. Wirth, G. Ehret, P. Morl, W. Ranger (D) Lidar-Sondierung der arktischen Stratosphare zur Bestimmung von Ozonprofilen und der Verteilung von polar stratospharischen Wolken

. 139

W. Krichbaumer (D) Multiple Scattering and Depolarization: Classification of Ice and Water Clouds and PSCs

. 143

F. Kopp (D) Doppler Lidar for Atmospheric Remote Sensing and Aircraft Safety Operations

. 150

Ch. Werner (D) Proposed Measurements of the Global Wind Field Using Laser Doppler Method

. 160

XVI

6.

LIDAR-Visibllity Measurements

W. Hahn, W. Krichbaumer, J. Streicher, Ch. Werner {D) Visibility Measurements of Fog on Highways Using a Lidar Method in a Car J. Streicher (D)

. 173

Trial of an Eye-Safe Laser-Radar

. 177

V. Geinitz, W. Richter, W. Krichbaumer (D) Near-Field Effects in a Monostatic Multiple-Aperture Lidar

. 184

M. Noormohammadian, U. G. Oppel (D) A. V. Starkov (GUS) Expertensysteme zur Datenanalyse technischer und okologischer Multisensorsysteme

. 190

7.

VOI/DlN Working Group

K. Weber, C. Weitkamp (D) Standardisierung auf dem Gebiet der optischen FernmeBverfahren in Deutschland

. 201

G. M. Russwurm, V. Klein (D) Glossary of Terms for Remote Sensing

. 206