CN104237083A - 通过激光雷达反向散射中的统计波动的大液滴检测 - Google Patents

Abstract

一种光学检测大气中双峰液滴粒度分布的存在的方法。所述方法包括监视从导入云中的一系列脉冲激光束接收的反向散射信号中的统计波动以及分析所述反向散射信号的波动的所述统计值以识别较大直径液滴的存在。

Description

通过激光雷达反向散射中的统计波动的大液滴检测

发明背景

1.技术领域

本发明涉及传感器，例如在飞机上的飞行传感器，并且更具体来说涉及检测具有双峰液滴粒度分布的云。

2.相关技术描述

检测机载液滴及其根据液滴粒度的分类是在飞机上的飞行传感器的重要功能。大液滴虽然在数量上比较小的液滴少得多，但是对于飞机结冰存在较大威胁。检测结冰云中的双峰液滴粒度分布的能力对于飞机结冰条件传感器是重要的。

光冰探测器(OID)是机载结冰条件传感器的实例，其具有两个不同波长(例如905nm和1550nm)的脉冲激光束。当将激光束导入云中时，分析来自液滴的反向散射的所接收的激光回波以估算中值体积直径(MVD)、最大液滴直径(D_max)和云的液态水含量(LWC)。每个激光脉冲一次采样许多不同的液滴粒度并且产生复合反向散射信号。用于将结冰云分类的当前方案是测量两个颜色比率(在905nm与在1550nm的反向散射光的强度的比率)、在905nm的光学消光系数和激光雷达比率(在905nm的光学消光与反向散射的比率)。

这三个测量值很好地用于将具有单一模式液滴粒度分布的云分类。然而，自然产生的云中的液滴粒度分布常常是双峰的，这主要归因于液滴凝聚。模式中的一个发生在小液滴直径(～10至20μm)，而较大的液滴根据云的性质在大于～40μm直径产生第二模式。因为小液滴更多，所以小液滴(无论其较小的横截面积)比大液滴产生更多的复合消光和反向散射。结果是即使双峰云中的较少的大液滴可以占总液态水含量的相当大的部分，消光、两个颜色比率和激光雷达比率还是由来自小液滴的散射控制。因此，本领域中仍需改进的系统和方法用于确定具有双峰液滴粒度分布的云中的大液滴的存在。

发明内容

本发明涉及使用光冰探测器(OID)检测云内的双峰液滴粒度分布的新的和有用的方法。

在本发明的一个方面中，公开了一种光学检测大气中双峰液滴粒度分布的存在的方法。该方法包括监视从导入云中的一系列脉冲激光束接收的反向散射信号中的统计波动以及分析反向散射信号的波动的统计值以识别较大直径液滴的存在。分析的步骤可包括计算反向散射信号的波动的特性大小并且识别大于通常用于单模小液滴云的反向散射信号的波动的那些以确定云是否存在双峰液滴粒度分布。该方法还可包括引导波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。计算的步骤还可包括通过光学接收器从激光束接收反向散射信号。

在本发明的另一个方面中，公开了一种光学检测云内的双峰液滴粒度分布的方法。首先，该方法包括将激光束导入云的空间体积。接着，测量从激光束接收的反向散射信号。监视反向散射信号中的统计波动并且计算来自被照明的云的平均反向散射信号。最后，识别超出阈值的反向散射信号波动以确定云的液滴粒度分布内的大液滴第二模式的存在。

在本发明的另一个方面中，识别大于40μm的第二液滴直径模式的存在。

在本发明的又一个方面中，发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。

在本发明的另一个方面中，通过光学接收器接收对应于激光束的反向散射信号。

在本发明的另一个方面中，公开了一种光学检测云内的双峰液滴粒度分布的装置。该装置包括被配置成将激光束导入云中的激光系统以及被配置成测量从激光束接收的反向散射信号的光学接收器。处理器被配置成分析被照明的云的体积内的反向散射信号的波动的统计值以区分具有双峰液滴粒度分布的云与具有单模粒度分布的云。该处理器被配置成计算反向散射信号的平均值并且识别超出阈值的反向散射信号的波动以确定在液滴直径分布中的大液滴的第二模式的存在。激光系统可发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。

对于本领域的那些技术人员，本发明的系统和方法的这些和其它特征从结合附图的优选实施方案的下列详细描述中将变得更显而易见。

附图简述

为了使与本发明有关的本领域的那些技术人员将易于理解如何制作和使用本发明的装置和方法而无需过度实验，其优选实施方案将在以下本文中参考特定附图详细描述，其中：

图1是根据本公开构建的图，其示出来自通过反激光脉冲速率在时间上分开的单个激光脉冲的一系列反向散射光信号。每个激光脉冲的反向散射信号是由来自OID的在各种范围的反向散射光的强度组成的曲线。可以看到反向散射信号中关于平均反向散射信号的波动。该图具体是仅来自小液滴的的反向散射信号；

图2是类似于图1的图，但示出了反向散射信号的波动以及由于除了小液滴之外的大液滴的存在的增大的振幅的波动；

图3是图示根据本公开的方法的示例性实施方案的流程图；以及

图4是图示用于执行图3的方法的装置的示例性实施方案的示意图。

具体实施方式

现在参考附图更完整地描述本发明，其中示出本发明的所示的实施方案。本发明不以任何方式受限于所示的实施方案，因为以下描述的所示的实施方案仅仅是本发明的示例，其可以如本领域的技术人员所了解的以各种形式体现。因此，应理解的是本文公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是作为权利要求的基础并且作为典型用于教导本领域的技术人员多方面地采用本发明。此外，本文所使用的术语和短语不旨在限制而是提供本发明的可理解的描述。

共同分配的美国专利号7,986,408、8,144,325和8,338,785通过引用并入本文并且描述用于检测和区分机载液态水滴和冰晶的装置的各种方面。

检测双峰云中的大液滴需要对相对少数量的大液滴的反向散射敏感而不是由来自更多的小液滴的反向散射控制的云的集合反向散射的技术。应理解的是在本文中，“云”不仅包括裸眼可见的熟悉的行程，而且还可包括在高海拔找到的水滴组和大量冰晶，其可为来自下层云的上升气流的结果。

对于具有液滴粒度密度分布函数n(r)的云，在激光照明提及V中、范围尺寸dr内的半径为r的液滴的数量是：

N(r)＝n(r)Vdr

条件是越过所有可能的r的n(r)dr的和是Z，其中Z是云内的每单位体积中的液滴的总数量。从每个激光脉冲到下一个激光脉冲，该液滴的有限数量n(r)dr展现与泊松计数统计值相关联的波动δn(r)dr。由于n(r)与δn(r)之间的逆相关，所以这些波动的相对大小[即δn(r)/n(r)]随着n(r)增大而减小。因为反向散射信号的波动是直接来自变量δn(r)dr的结果，所以这些波动的统计测量值(例如标准偏差、峰态等)是有用的。

在双峰分布中普遍存在的小液滴产生如图1示出的从一个激光脉冲到下一个激光脉冲的变化很小的反向散射，因为这些小液滴很多并且在其液滴粒度密度中具有较小的相对波动。图1图示在将激光束导入云中时用于冻毛毛雨云的液滴粒度分布的光冰探测器(OID)激光反向散射的仿真。图1中的范围轴是距在该特定点处产生信号的云的部分的OID的距离。范围计算自击发激光脉冲与通过光学接收器接收反向散射信号之间消逝的时间量。如所提及的，信号对比范围曲线的整体形状和平滑度在连续激光脉冲之间变化很小，这指示大多数液滴较小并且很多，其时间上(即从一个激光脉冲到下一个激光脉冲)和空间上(即沿着由来自OID的单个脉冲采样的云的长度)的粒度分布的波动都很小，并且因此所检测的云具有小直径、单一模式液滴粒度分布。

如图2中示出的，对于具有双峰液滴粒度分布的冻雨云采用了相同的仿真方法，这图示与双峰云的平均信号幅值相比由大液滴生成的反向散射的波动的增大。较少的大液滴的反向散射信号的波动大于由更多的小液滴产生的那些。在图2中示出的测量值(来自冻雨云)图示在大液滴存在时所见的大波动。换句话说，不论是从一个激光脉冲到下一个激光脉冲的时间上还是沿着由激光脉冲探测的云的长度的空间上的图2中的信号的波动都指示处于液滴粒度分布的第二模式中的大水滴的存在。如上文所述，小液滴具有液滴粒度密度n(r)在直径～10至20μm的模式，而大液滴产生直径大于～40μm的第二模式。

图3示出根据本发明的方法并且将在本文中描述。流程图200图示测量信号波动并且因而云内的大水滴的存在的步骤。首先，在步骤202，将激光束导入空间体积。接着，在步骤204，检测和测量从激光束接收的反向散射信号。如在步骤206中所示监视该信号并将其越过多个激光脉冲进行平均。在步骤208，通过计算波动的统计分析来确定处于液滴粒度分布的第二模式中的大液滴的存在。如在步骤210示出的，识别显著大于统计平均值的返回信号以确定具有较大直径的液滴的存在。一种方法是使对于距OID固定范围处的云的部分的信号的波动在从一个激光脉冲到下一个激光脉冲的时间上平面化。该过程可以重复用于距OID其它固定范围处的云的部分。另一种方法是对于激光脉冲中的每个计算空间上沿着激光束穿入云中的距离的信号的波动。第三种方法是使用例如小波变换或类似技术同时在空间和时间上检查波动。该方法对于占优势的小液滴粒度模式在执行测量的时间间隔期间改变微小的云是有用的。不管监视反向散射信号的波动的具体方法，信号的小波动指示大量小液滴的存在。超出设定阈值的大波动指示与液滴粒度分布的第二模式相关联的较少数量的大液滴的存在。

图4是被配置成执行根据本发明的方法的装置300的示意图示。激光系统302将激光束304导入云303内的空间体积。反向散射信号306由与激光系统302相关的光学接收器308接收。有效连接至光学接收器308的信号处理装置310监视从激光束304产生的反向散射接收的反向散射信号306的波动。

上文以完整、清楚、精确和准确的术语使相关领域的任何技术人员能够制造和使用这些装置和方法的方式呈递用于基于双峰云检测飞机条件的方法及其生成和使用的方式和过程的描述。然而，用于检测飞机条件的所公开的装置和方法易受上文论述的完全等效的那些修改和替代方法步骤影响。因此，用于检测飞机条件的所公开的装置和方法不受限于所公开的具体实施方案。相反，用于检测飞机条件的目前公开的装置和方法包括在本发明的精神和范围内的所有修改及替代构造和方法。

上文的描述和附图应被解释为说明性而不是限制性的意义。虽然已经结合本发明的优选实施方案公开了本发明，但是应理解的是可存在落在如下列权利要求定义的本发明的范围内的其它实施方案。在将任何的权利要求表示为用于执行特定功能的构件或步骤情况下，旨在构建此类权利要求以涵盖说明书中所述的对应的结构、材料或行动及其等效物，这包括结构的等效物和等效结构、基于材料的等效物和等效材料以及基于行动的等效物和等效行动。

Claims (11)

1.一种光学检测大气中双峰液滴粒度分布的存在的方法，所述方法包括：

监视从导入云中的一系列脉冲激光束接收的反向散射信号中的统计波动；和

分析所述反向散射信号的波动的统计值以识别较大直径液滴的存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分析的步骤包括计算所述反向散射信号的波动的特性大小并且识别大于通常用于单模小液滴云的反向散射信号的波动的那些以确定所述云是否存在双峰液滴粒度分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述监视的步骤包括引导波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述计算的步骤包括通过光学接收器从所述激光束接收所述反向散射信号。

5.一种光学检测云内双峰液滴粒度分布的方法，所述方法包括：

将激光束导入所述云的空间体积；

测量从所述激光束接收的反向散射信号；

监视所述反向散射信号中的统计波动；

计算来自所述照明的云的平均反向散射信号；以及

识别超出阈值的反向散射信号波动以确定

所述云的所述液滴粒度分布内的大液滴第二模式的存在。

6.根据权利要求6所述的方法，其中所述识别的步骤包括确定大于40μm的第二液滴直径模式的存在。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述引导的步骤包括发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述测量的步骤包括通过光学接收器接收对应于所述激光束的所述反向散射信号。

9.一种用于光学检测云内双峰液滴粒度分布的装置，所述装置包括：

激光系统，其被配置成将激光束导入所述云；

光学接收器，其被配置成测量从所述激光束接收的所述反向散射信号；以及

处理器，其被配置成分析所述被照明的云的体积内的所述反向散射信号的波动的所述统计值以区分具有双峰液滴粒度分布的云与具有单模粒度分布的云。

10.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器被配置成计算所述反向散射信号的平均值并且识别超出阈值的反向散射信号的波动以确定在所述液滴直径分布中的大液滴的第二模式的存在。

11.根据权利要求11所述的装置，其中所述激光系统发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。