CN103868831B - 云粒子谱分布测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

一种云粒子谱分布测量方法及测量系统。所述测量系统包括片状偏振激光束生成系统，粒子散射光探测系统和计算机系统。本发明测量方法用偏振光照射云粒子，利用分光棱镜将散射信号分为两路，一路直接用光电图像探测器进行离焦干涉图的探测，另一路经退偏器再用光电图像探测器进行退偏离焦干涉图的探测，通过离焦干涉图和退偏离焦干涉图的比对实现对云粒子相态的判别，利用离焦干涉条纹图信息反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸。本发明为大气粒子检测提供了一种新的诊断方法，可用于机载云微物理探测，实现对云粒子相态、尺度、分布以及含水量的在线测量，为气象学预测和人工干预提供有力依据。

Description

云粒子谱分布测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于云粒子谱分析与检测技术领域，具体涉及一种应用于测量大气中云粒子谱分布和判别云粒子相态的云粒子谱分布测量方法及测量系统。

背景技术

云微物理特征通常用云粒子谱分布(相态、尺度、浓度和含水量等)来描述。云粒子谱分布检测是云物理学、大气物理和大气动力学等研究领域中的一个重要问题，可为人工影响天气和中小尺度灾害天气的预测提供理论基础。

已提出基于不同测量原理，适用于不同测量范围的多种测量技术和方法。如基于光散射法的前向散射光谱仪FSSP(ForwardScatteringSpectrometerprobe)和基于数字全息的云微物理检测。但已有研究多采用精度较低的成像法，根据光强信息确定云粒子粒径，局限于球形粒子的单粒子测量方式，并且没有给出云粒子相态的判别方法。专利CN102003936A利用全息技术，由侧向散射颗粒全息图，获得粒子反射发光点和折射发光点的空间位置和散射光强比，从而获得粒子的粒径及复折射率。专利CN102175591A利用云粒子对激光的米氏前向散射信号，将信号分为两路，分别进行粒度测量和景深内粒子判定，利用散射光强信息实现了云粒子粒径的准确测量，但该方法的云粒子测量精度相对较低，且该专利没有提出云粒子相态(液相/冰相)的有效判别方法。

云中水凝结物以粒子形式存在，云粒子根据其相态分为液相的云滴粒子和冰相的冰晶粒子。掌握云粒子相态的判别方法，有效区分液相云粒子和冰相云粒子，能够实现对云粒子场结构组成的分析，有助于认识云的发展和演变规律，进而实现对气候和降水的研究和有效预测，推进人工影响天气装备技术的进步。

发明内容

本发明目的是提供一种云粒子谱分布测量方法和测量系统，利用这一系统可以实现对云粒子尺度的测量以及相态的判别，进而实现对云粒子尺度分布和含水量等谱分布的自动测量，为云和降水微物理学，人工影响天气提供技术支持。

本发明首先提供了一种云粒子谱分布测量系统，该系统包括片状偏振激光束生成系统，粒子散射光探测系统和计算机系统；

片状偏振激光束生成系统包括，片状偏振激光束生成箱体，箱体内设置有激光器，以及依次沿激光器出射光光路上设置的扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、起偏器、凸柱面透镜、凹柱面透镜和第一反射镜，位于第一反射镜反射光路上的箱体上开设有一个出射窗，反射光经该出射窗入射到云粒子散射探测区域；

粒子散射光探测系统包括，粒子散射光探测箱体，箱体上位于云粒子散射光线的光路上开设有一个入射窗，入射窗后的箱体内设置有第二反射镜，在第二反射镜反射光路上依次设置有成像镜头和分光棱镜，在分光棱镜的反射光路上设置有第一光电图像探测器，该第一光电图像探测器经导线与计算机系统连接，在分光棱镜的透射光路上依次设置有退偏器和第二光电图像探测器，该第二光电图像探测器同样经导线与计算机系统连接。

其次，本发明还提供了一种采用以上所述测量系统的云粒子谱分布测量方法，该方法步骤如下：

第1、片状偏振激光束生成系统的箱体中的激光器发出的激光束经扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜准直为平面波，经起偏器形成线偏振光，再经凸柱面透镜和凹柱面透镜将光束压缩为片状光束，然后经过第一反射镜由箱体的出射窗入射到云粒子散射探测区域；

第2、云粒子散射光由粒子散射光探测箱体上的入射窗入射到粒子散射光探测系统，然后云粒子散射光经粒子散射光探测系统中的第二反射镜入射到成像镜头和分光棱镜，分光棱镜将云粒子散射光分为两束，经分光棱镜反射的光束直接用位于离焦像面的第一光电图像探测器进行离焦干涉条纹的探测，经分光棱镜透射的光束经退偏器，用位于相同离焦像面的第二光电图像探测器进行离焦退偏干涉条纹的探测，第一光电图像探测器和第二光电图像探测器同时记录的信号由导线发送到计算机系统中的图像采集卡，并由计算机系统进行数据分析与处理；

第3、利用第一光电图像探测器和第二光电图像探测器采集的图像信息，对云粒子散射探测区域内的每个粒子的离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图进行位置匹配；利用离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图对云粒子的相态进行判别：球形粒子和非球形粒子散射光的退偏特性不同，因而直接获得的离焦干涉条纹图和经过退偏器获得的退偏离焦干涉条纹图存在差异，通过两干涉条纹图的差异判定粒子为球形粒子还是非球形粒子，球形粒子为液相粒子即云滴，非球形粒子为冰相粒子；

第4、提取第一光电图像探测器采集的离焦干涉条纹图中每个粒子的条纹频率，反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸；

第5、获得不同相态的粒子数量、液相云粒子的平均粒径和粒径分布、冰相云粒子的等效尺寸和等效尺寸分布，计算云粒子的浓度、含水量信息。

本发明用偏振光照射云粒子，利用分光棱镜将散射信号分为两路，一路直接用光电图像探测器进行离焦干涉图的探测，另一路经退偏器再用光电图像探测器进行退偏离焦干涉图的探测，通过离焦干涉图和退偏离焦干涉图的比对实现对云粒子相态的判别，利用离焦干涉条纹图信息反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸。

本发明的优点和积极效果：

（1）本发明利用同一粒子离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图的比对，实现云粒子相态的判别，得到云雾场的粒子相态信息。

（2）本发明利用云粒子不同阶数散射光线形成的干涉条纹频率信息，实现液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸的反演，统计粒径信息，得到云雾场的粒径分布信息。

（3）本发明为大气粒子检测提供了一种新的诊断方法，可用于机载云微物理探测，实现对云粒子相态、尺度、分布以及含水量的在线测量，为气象学预测和人工干预提供有力依据。

附图说明

图1是本发明云粒子谱分布测量系统的构造框图。

图中：1片状偏振激光束生成箱体，2云粒子散射探测区域，3粒子散射光探测箱体，4计算机系统，5激光器，6扩束透镜，7针孔滤波器，8准直透镜，9起偏器，10凸柱面透镜，11凹柱面透镜，12第一反射镜，13第二反射镜，14成像镜头，15分光棱镜，16第一光电图像探测器，17退偏器，18第二光电图像探测器，19出射窗，20入射窗，21导线。

图2是粒子散射光成像示意图。激光照射粒子，来自粒子表面反射的、经粒子折射的散射光，在离焦像面上直接被光电图像探测器接收，形成干涉条纹图；经过退偏器再被另一光电图像探测器接收，形成退偏的干涉条纹图。

图3是云粒子相态判别的基本流程图。

图4是本发明中液相云粒子场离焦像面干涉条纹图示例。

具体实施方式

实施例1：云粒子谱分布测量系统

如图1所示，本发明首先提供了一种云粒子谱分布测量系统，该系统包括片状偏振激光束生成系统，粒子散射光探测系统和计算机系统；

片状偏振激光束生成系统包括，片状偏振激光束生成箱体1，箱体内设置有激光器5，以及依次沿激光器出射光光路上设置的扩束透镜6、针孔滤波器7、准直透镜8、起偏器9、凸柱面透镜10、凹柱面透镜11和第一反射镜12，位于第一反射镜反射光路上的箱体上开设有一个出射窗19，反射光经该出射窗入射到云粒子散射探测区域2；

粒子散射光探测系统包括，粒子散射光探测箱体3，箱体上位于云粒子散射光线的光路上开设有一个入射窗20，入射窗后的箱体内设置有第二反射镜13，在第二反射镜反射光路上依次设置有成像镜头14和分光棱镜15，在分光棱镜的反射光路上设置有第一光电图像探测器16，该第一光电图像探测器经导线21与计算机系统4连接，在分光棱镜的透射光路上依次设置有退偏器17和第二光电图像探测器18，该第二光电图像探测器同样经导线21与计算机系统4连接。

实施例2：云粒子谱分布测量方法

如图3所示，本发明提供的云粒子谱分布测量方法，具体步骤如下：

第1、片状偏振激光束生成系统的箱体中的激光器发出的激光束经扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜准直为平面波，经起偏器形成线偏振光，再经凸柱面透镜和凹柱面透镜将光束压缩为片状光束，然后经过第一反射镜由箱体的出射窗入射到云粒子散射探测区域；

第2、云粒子散射光由粒子散射光探测箱体上的入射窗入射到粒子散射光探测系统，然后云粒子散射光经粒子散射光探测系统中的第二反射镜入射到成像镜头和分光棱镜，分光棱镜将云粒子散射光分为两束，经分光棱镜反射的光束直接用位于离焦像面的第一光电图像探测器进行离焦干涉条纹的探测，经分光棱镜透射的光束经退偏器，用位于相同离焦像面的第二光电图像探测器进行离焦退偏干涉条纹的探测，第一光电图像探测器和第二光电图像探测器同时记录的信号由导线发送到计算机系统中的图像采集卡，并由计算机系统进行数据分析与处理；

第3、利用第一光电图像探测器和第二光电图像探测器采集的图像信息，对云粒子散射探测区域内的每个粒子的离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图进行位置匹配；利用离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图对云粒子的相态进行判别：球形粒子和非球形粒子散射光的退偏特性不同，因而直接获得的离焦干涉条纹图和经过退偏器获得的退偏离焦干涉条纹图存在差异，通过两干涉条纹图的差异判定粒子为球形粒子还是非球形粒子，球形粒子为液相粒子即云滴，非球形粒子为冰相粒子；

第4、提取第一光电图像探测器采集的离焦干涉条纹图中每个粒子的条纹频率，反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸；

第5、获得不同相态的粒子数量、液相云粒子的平均粒径和粒径分布、冰相云粒子的等效尺寸和等效尺寸分布，计算云粒子的浓度、含水量信息。

本发明提供的云粒子谱分布测量系统可悬挂于气象飞行器上，当飞行器经过待测云雾场时，对经过观测区域内的云粒子进行实时测量，具体步骤如下：

第1、片状偏振激光束生成系统的箱体(1)中的榜首公司VA-532nm-2w532nm半导体激光器发出的激光束经扩束透镜(6)、针孔滤波器(7)和准直透镜(8)准直为直径20mm的平面波，经起偏器(9)形成线偏振光，再经焦距为500mm的凸柱面透镜(10)和焦距为-20mm的凹柱面透镜(11)将光束压缩为厚度0.8mm的片状激光束，然后经过第一反射镜(12)由箱体(1)的出射窗(19)入射到云粒子散射探测区域(2)；

第2、在粒子的散射角78°上接收散射光强，系统的收集角为7.23°，云粒子散射光由粒子散射光探测箱体(3)上的入射窗(20)入射到粒子散射光探测系统，然后云粒子散射光经粒子散射光探测系统中的第二反射镜(13)入射到焦距为14mm，光圈数为2.8的成像镜头(14)和分光棱镜(15)，云粒子到成像镜头的距离为39.57mm，成像镜头到离焦像面的距离为21.37mm，分光棱镜将云粒子散射光分为两束，一束为反射光，直接用位于离焦像面的第一光电图像探测器(16)进行离焦干涉条纹的探测，另一束为透射光，透射光经退偏器(17)，用位于相同离焦像面的第二光电图像探测器(18)进行离焦退偏干涉条纹的探测，第一光电图像探测器(16)和第二光电图像探测器(18)采用分辨率为2448×2048，像元尺寸为3.45μm×3.45μm的面阵CCD，它们同时记录的信号由导线(21)发送到计算机系统中的图像采集卡，并由计算机系统(4)进行数据分析与处理；

第3、利用第一光电图像探测器(16)和第二光电图像探测器(18)采集的图像信息，对云粒子散射探测区域内的每个粒子的离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图进行位置匹配；利用离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图对云粒子的相态进行判别：球形粒子和非球形粒子散射光的退偏特性不同，因而直接获得的离焦干涉条纹图和经过退偏器获得的退偏离焦干涉条纹图存在差异，通过两干涉条纹图的差异判定粒子相态；

第4、对于均匀球形粒子，粒子直径d与条纹数/条纹间距关系式为

（1）

式中θ为散射角，α为收集角，m为相对折射率，λ为激光波长，N为条纹数。提取第一光电图像探测器采集的离焦干涉条纹图中每个粒子的条纹频率，并根据公式(1)反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸；

第5、获得不同相态的粒子数量、液相云粒子的平均粒径和粒径分布、冰相云粒子的等效尺寸和等效尺寸分布，计算云粒子的浓度、含水量信息，液态含水量为：

（2）

式中，为水的密度，d为粒子直径，dN为粒子数个数，为有效取样体积。

按现在选取光学系统参数，云粒子可测量的范围为。

Claims (2)

1.一种云粒子谱分布测量系统，其特征在于该系统包括片状偏振激光束生成系统，粒子散射光探测系统和计算机系统；

片状偏振激光束生成系统包括片状偏振激光束生成箱体，箱体内设置有激光器，以及依次沿激光器出射光光路上设置的扩束透镜、针孔滤波器、准直透镜、起偏器、凸柱面透镜、凹柱面透镜和第一反射镜，位于第一反射镜反射光路上的箱体上开设有一个出射窗，反射光经该出射窗入射到云粒子散射探测区域；

粒子散射光探测系统包括粒子散射光探测箱体，箱体上位于云粒子散射光线的光路上开设有一个入射窗，入射窗后的箱体内设置有第二反射镜，在第二反射镜反射光路上依次设置有成像镜头和分光棱镜，在分光棱镜的反射光路上设置有第一光电图像探测器，该第一光电图像探测器经导线与计算机系统连接，在分光棱镜的透射光路上依次设置有退偏器和第二光电图像探测器，该第二光电图像探测器同样经导线与计算机系统连接；第一光电图像探测器应位于成像镜头的离焦像面上，第二光电图像探测器应位于相同的离焦像面上，并且第一光电图像探测器和第二光电图像探测器都应用于探测干涉条纹。

2.一种采用权利要求1所述测量系统的云粒子谱分布测量方法，其特征在于该方法步骤如下：

第1、片状偏振激光束生成系统的箱体中的激光器发出的激光束经扩束透镜、针孔滤波器和准直透镜准直为平面波，经起偏器形成线偏振光，再经凸柱面透镜和凹柱面透镜将光束压缩为片状光束，然后经过第一反射镜由箱体的出射窗入射到云粒子散射探测区域；

第2、云粒子散射光由粒子散射光探测箱体上的入射窗入射到粒子散射光探测系统，然后云粒子散射光经粒子散射光探测系统中的第二反射镜入射到成像镜头和分光棱镜，分光棱镜将云粒子散射光分为两束，经分光棱镜反射的光束直接用位于离焦像面的第一光电图像探测器进行离焦干涉条纹的探测，经分光棱镜透射的光束经退偏器，用位于相同离焦像面的第二光电图像探测器进行退偏离焦干涉条纹的探测，第一光电图像探测器和第二光电图像探测器同时记录的信号由导线发送到计算机系统中的图像采集卡，并由计算机系统进行数据分析与处理；

第3、利用第一光电图像探测器和第二光电图像探测器采集的图像信息，对云粒子散射探测区域内的每个粒子的离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图进行位置匹配；利用离焦干涉条纹图和退偏离焦干涉条纹图对云粒子的相态进行判别：球形粒子和非球形粒子散射光的退偏特性不同，因而直接获得的离焦干涉条纹图和经过退偏器获得的退偏离焦干涉条纹图存在差异，通过两干涉条纹图的差异判定粒子为球形粒子还是非球形粒子，球形粒子为液相云粒子即云滴，非球形粒子为冰相云粒子；

第4、提取第一光电图像探测器采集的离焦干涉条纹图中每个粒子的条纹频率，反演液相云粒子粒径以及冰相云粒子等效尺寸；

第5、获得不同相态的粒子数量、液相云粒子的平均粒径和粒径分布、冰相云粒子的等效尺寸和等效尺寸分布，计算云粒子的浓度、含水量信息。