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Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Messinstrument und mathematische Methoden für die zweidimensionale, räumlich aufgelöste Absorptionsspektroskopie auf der Grundlage sehr stark reduzierter Messdaten zu entwickeln. Es stellte sich sehr schnell heraus, dass die Gestaltung wegen der stark variierenden Randbedingungen technischer und wissenschaftlicher Systeme zweckspezifisch sein muss. Deshalb wurde der Schwerpunkt auf eine Anwendung aus dem Bereich der Umweltphysik, genauer der Bodenphysik, gelegt. Es wurde ein Instrument für die Erfassung von Treibhausgaskonzentrationen in der Boden-Luft-Grenzschicht von tauenden Permafrostböden entwickelt. Die räumliche Verteilung der Gase, die aus den Bodenstrukturen austreten, soll das Verständnis und die Modellbildung von positiven Rückkopplungsprozessen in der Klimaforschung verbessern. Das Instrument besteht aus kontinuierlich gescannten Laserstrahlen und kostengünstigen retroreflektierenden Folien. Momentan kann eine Fläche von 0.8×0.8 m2 abgedeckt und mit einer Bildfrequenz von bis zu 2.5 Hz dargestellt werden. Die spektroskopische Methode Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) ermöglicht absolute Messungen von Pfad-integrierten Konzentrationen ohne auf Referenz-Gasmessungen zurückgreifen zu müssen. Die Akkuratheit der Konzentrationen, die mit dem scannenden, reflektierenden Instrument gemessen wurden, wird anhand von Messungen eines homogenen H2O - Feldes ermittelt. Es wird eine Auswahl vielversprechender Rekonstruktionstechniken hinsichtlich der Qualität des rekonstruierten Bildes, der räumlichen Auflösung und der notwendigen Rechenzeit untersucht. Schließlich werden tomographische Messungen eines definierten Konzentrationsfeldes präsentiert, das durch eine kontrollierte Strömung aus kreisförmigen laminaren Jets generiert wird. Zuletzt werden einige Aspekte des Dynamikumfangs der Konzentrationen, der Strukturgrößen und der Messgeschwindigkeit aufgezeigt. |
