Laser-Based Thermometry over Long Distances

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHieta, Tuomas
dc.contributor.authorTomberg, Teemu
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorIkonen, Erkki
dc.date.accessioned2016-03-29T11:00:44Z
dc.date.available2016-03-29T11:00:44Z
dc.date.issued2016-02-15
dc.description.abstractElectronic distance meters are routinely used in many long-distance applications to accurately determine the distance between two points. Currently, the instruments are reaching towards relative uncertainties of 10^-7, the main obstacle being the uncertainty in the refractive index of air. The refractive index is conventionally calculated from the meteorological observations of the ambient air using either Edlen or Ciddor equations. However, the accuracy of these equations is often limited by inaccuracy in the integral meteorological observations. Temperature, which has to be known at ~100 mK level, is by far the most significant uncertainty source in many advanced distance measurements making accurate temperature meters a key for improving the quality of modern ranging instruments. A solution is to use laser absorption spectroscopy for non-invasive measuring of the average temperature of air between the two points of interest. In this thesis, a laser-based thermometer is constructed for accurate determination of the refractive index of air over long distances. The thermometer, which is based on direct absorption spectroscopy of oxygen transition near 770 nm, is demonstrated for the first time in real field conditions up to 864 m in distance in a typical distance measurement configuration. The results prove that the instrument can achieve RMS noise well below 100 mK and accuracy of +/-300 mK using 120 s measurement time, which is to our knowledge the best reported resolution for such a long distance.en
dc.description.abstractElektronisia pituusmittalaitteita käytetään rutiininomaisesti monissa tarkoissa pitkän matkan mittaussovelluksissa. Näistä laitteista parhaimpien suhteelliset mittausepävarmuudet lähestyvät jo suuruusluokkaa 10^-7, jossa merkittävimpänä epävarmuuskomponenttina on usein ilman taitekerroin. Taitekerroin lasketaan yleensä säähavaintojen avulla Edlen- tai Ciddor-yhtälöistä, jolloin ilman lämpötilan mittaustarkkuus on usein rajoittava tekijä. Jotta pituusmittauksessa saavutettaisiin suuruusluokkaa 10^-7 oleva suhteellinen epävarmuus, tulee mitattavan matkan keskimääräinen lämpötila tuntea ~100 mK tarkkuudella. Tarkat lämpötilamittaukset ovat siten avainasemassa modernien pituusmittalaitteiden kehityksessä. Mahdollinen ratkaisu on hyödyntää laserabsorptiospektroskopiaa ilman keskimääräisen lämpötilan määrittämiseksi mitattavalla matkalla. Tässä diplomityössä on toteutettu laseriin perustuva lämpömittari, jonka avulla parannetaan ilman efektiivisen taitekertoimen määrittämistä pitkillä matkoilla. Lämpömittari perustuu suoraan hapen transition absorptiospektroskopiaan lähellä 770 nm aallonpituutta. Instrumentin toiminta havainnollistettiin ensimmäistä kertaa kenttämittauksin aina 864 metrin mittausetäisyyteen asti. Tulokset osoittavat, että laite voi saavuttaa selvästi alle 100 mK kohinatason ja +/-300 mK tarkkuuden käyttäen 120 sekunnin mittausaikaa. Saavutettu resoluutio on tietääksemme paras raportoitu tulos näin pitkälle matkalle.fi
dc.format.extent71+7
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/19889
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201603291512
dc.language.isoenen
dc.locationP1fi
dc.programmeEST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)fi
dc.programme.majorOptinen teknologiafi
dc.programme.mcodeS3011fi
dc.rights.accesslevelopenAccess
dc.subject.keywordtemperatureen
dc.subject.keywordthermometryen
dc.subject.keywordspectroscopyen
dc.subject.keywordrefractive index of airen
dc.titleLaser-Based Thermometry over Long Distancesen
dc.titleLaseriin perustuva pitkän matkan lämpötilamittausfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöen
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.idinssi53324
local.aalto.openaccessyes
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
master_Tomberg_Teemu_2016.pdf
Size:
21.4 MB
Format:
Adobe Portable Document Format