The aim of this thesis is to describe the design and development of a proof of concept
for a commercially viable large area atmospheric analysis tool, for use in trace gas
concentration mapping and quanti cation.
Atmospheric monitoring is a very well researched eld, with dozens of available analytical
systems and subsystems. However, current systems require a very important
compromise between spatial and operational complexity. We address this issue asking
how we could integrate the Di erential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) atmospheric
analysis technique in a Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with tomographic
capabilities.
Using a two-part methodology, I proposed two hypotheses for proving the possibility
of a miniaturised tomographic system, both related to how the spectroscopic
data is acquired. The rst hypothesis addresses the projection forming aspect of the
acquisition, its matrix assembly and the resolution of the consequent equations. This
hypothesis was con rmed theoretically by the development of a simulation platform
for the reconstruction of a trace gas concentration mapping.
The second hypothesis deals with the way in which data is collected in spectroscopic
terms. I proposed that with currently available equipment, it should be possible to
leverage a consequence of the Beer-Lambert law to produce molecular density elds for
trace gases using passiveDOAS. This hypothesiswas partially con rmed, with de nite
conclusions being possible only through the use of complex autonomous systems for
improved accuracy.
This work has been a very important rst step in the establishment of DOAS
tomography as a commercially viable solution for atmospheric monitoring, although
further studies are required for de nite results. Moreover, this thesis has conducted
to the development of a DOAS software library for Python that is currently being used
in a production environment. Finally, it is important to mention that two journal
articles were published from pursuing this work, both in important journals with
Impact Factors over 3.0.Era o objectivo deste trabalho descrever o processo de desenho e implementação de
uma prova de conceito para um sistema de avaliação atmosférica comercialmente
viável, para uso no mapeamento das concentrações de compostos traço na atmosfera.
A avaliação atmosférica é um campo muito estudado, estando no presente momento
disponíveis para instalação diversos sistemas e subsistemas com estas capacidades.
No entanto, é marcante o compromisso que se veri ca entre a resolução espacial e a
complexidade operacional destes equipamentos. Nesta tese, desa o este problema e
levanto a questão sobre como se poderia desenvolver um sistema com os mesmos ns,
mas sem este premente compromisso.
Usando uma metodologia a duas partes, proponho duas hipóteses para comprovar a
exequibilidade deste sistema. A primeira diz respeito à formação da matriz tomográ ca
e à resolução das equações que dela derivam e que formam a imagem que se pretende.
Con rmei esta hipótese teoricamente através do desenvolvimento de uma plataforma
de simulação para a reconstrução tomográ ca de um campo de concentrações fantoma.
A segunda é dirigida a aquisição de dados espectroscópicos. Proponho que com o material
presentemente disponível comercialmente, deverá ser possível aproveitar uma
consequência da lei de Beer-Lambert para retirar os valores de concentração molecular
de gases traço na atmosfera. Foi apenas possível validar esta hipótese parcialmente,
sendo que resultados mais conclusivos necessitariam de equipamentos automatizados
dos quais não foi possível dispôr.
No nal, este trabalho constitui um importante primeiro passo no estabelecimento
da técnica de DOAS tomográ co como uma alternativa comercialmente viável para
a análise atmosférica. Ademais, o desenvolvimento desta tese levou à escrita de uma
biblioteca em Python para análise de dados DOAS actualmente usada em ambiente
de produção. Por m, importa realçar que dos trabalhos realizados no decorrer da tese
foram publicados dois artigos em revistas cientí cas com Impact Factor acima de 3
