CN105115862A - 一种云粒子探测方法及探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云粒子探测方法及探测器。本发明云粒子探测方法，通过接收云粒子的后向散射信号，探测云粒子对激光的偏退情况，获得云粒子相态；通过接收云粒子的前向散射信号，探测云粒子等效光学粒径的大小。利用本发明云粒子探测器及探测方法能有效探测混合相态云中小冰晶（小于50μm）。

Description

一种云粒子探测方法及探测器

技术领域

本发明涉及一种可区分云粒子相态的云粒子探测方法及探测器。

背景技术

云中小冰晶粒径谱信息在云辐射学和云物理科学研究中具有重要地位。云覆盖地球表面约60%-70%，云全球平均的净辐射强迫大约是二氧化碳增多可能引起的温室效应的4倍。众多种类云中，冷云对地球辐射收支的影响尤为重要。IPCC第四次评估报告中指出云在辐射强迫和气候变化中的作用还存在很大的不确定性，不确定性的一个最主要来源是冷云辐射导致的。冷云辐射特性不仅决定于冰水含量，还取决于其形状和尺度谱分布信息，为深入认识其辐射传输特性，云中的冰晶信息是必不可少的物理参量。特别是对在云中占多数的小于50μm的冰晶粒子的认识尤为重要。但目前由于缺乏相应的仪器，对云中小冰晶的观测还存在一定的困难。在云物理学研究中，冷云也是人工影响天气的主要对象，在降水的形成过程中扮演着重要角色。云中冰晶无论是在冷云静力催化还是在积云动力催化过程中，都直接影响着降水的形成。从四十年代首次进行机载收集冰晶试验至今，云物理的探测有了很大的进步，但在冷云中降水形成过程方面的理解上仍有很大的困难，对由过冷水到降水的微物理过程的认识不十分清晰。针对这一过程，人们使用一些复杂的数学模型对这一过程进行模拟，但至今没有相关的机载仪器，能够观测记录到这一现象发生、发展的过程。如果能够观测到云中冰晶早期的形成过程，将突破我们对混合云中冰晶形成过程的认识，深入了解云内的微物理变化过程与机制。总之，冷云中冰晶信息对云辐射和云物理研究十分重要，但由于缺乏相应的机载探测仪器，导致冷云辐射强迫的不确定性和对降水形成过程的认识不足。为此，开展冷云中小冰晶探测原理与方法方面的研究十分有必要，可在此基础上建立机载小冰晶探测器，实现冷云中小冰晶的有效探测，解决目前对冰晶在云辐射和云物理中认识的困难。

目前应用最广泛的云微物理特性观测机载仪器主要是基于单粒子散射和成像技术。其中50μm以内的云粒子主要使用散射法进行测量，不具有液态水与冰晶的区分能力。基于成像技术的二维粒子探头使用线阵探测器获取每个粒子经过激光光束时的投影，考虑到探测器空间分辨和AD转化带来的误差，该仪器探测云粒子的尺度下限为100μm。Baumgardaner2001年报道了改进的散射式云粒子探测器，系统在接收云粒子前向散射同时，接收后向散射，根据前向散射和后向散射的比值判断云粒子的相态，但由于云粒子米散射的振荡性，导致前后向比值振荡，影响粒子相态判断的准确性。Lwason2001年报道了一种高分辨云粒子成像系统，该系统利用脉冲微为20ns的激光器照射云粒子，使用CCD记录云粒子成像，该系统测量的下限为25μm，并且CCD曝光速度为40Hz。Fugal2004年建立了用于在线云粒子测量的全息成像系统，由于CCD响应速度限制以及干涉过程中光场虚部引起的噪声以及复杂的全息成像算法，使该系统在云粒子数浓度较大时产生很大的测量误差。Hirst2001年报道了基于散射条纹的小冰晶探测器（SID：SmallIceDetector），冰晶的散射条纹与云滴艾利条纹形状相差很大，据此来判断云粒子的相态根据，第一代SID使用6个探测器组成的线阵列，角分辨能力有限。Cotton2010年报道了第二代冰晶探测器SID-2使用定制的同心圆分布的相函数探测器（32个探测器），探测器的灵敏度也有了很大的提高，但当云粒子浓度超过20/cm³时，SID-2不能分辨出单个粒子。第三代SID-3使用高分辨相机，对条纹进行二维成像得到高的角分辨，但由于相机的处理的速度较慢，当冰晶粒子浓度较大时，出现粒子兼并现象，实测粒子数小于实际粒子数。我国对云物理的试验研究大都以机载观测和云室研究为主，其中机载云粒子探头均为国外进口，在仪器维护及数据深入分析方面存在一定的困难。由于机载云粒子探测器对人工影响天气和大气物理学的重要性，国内在机载观测仪器技术、方法方面也开展了一系列的研究。胡敬2013报道完成了“中兵新型人工影响天气系统”，前向散射云粒子探测器是其人影系统的一部分。中国科学院大气物理研究所在气象行业专项的支持下，开展机载云粒子探测器技术方面研究，成功研制了二维云粒子探头。卜令兵2014年研制了基于前向散射技术的一维云粒子探测器，该仪器安装于山西省人工影响天气基地运-12飞机上，获得了云的粒径谱分布。伍波等也利用前向散射技术原理，开展了一维粒子探头研究。目前，国内还未见有使用机载设备进行50μm以下的冰晶粒子研究方面的报道。

综合国内外云粒子探测器发展情况，目前出现的小冰晶探测技术主要有散射比测量、全息成像、散射条纹成像三种。散射比测量方法受米散射相函数振荡的限制，而成像技术由于成像探测器响应等原因，在冰晶粒子较多时会产生简并现象。因此，冰云或者混合相态云中小冰晶（小于50μm）的探测，仍是一个没有解决的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效探测混合相态云中小冰晶（小于50μm）的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种云粒子探测方法，通过接收云粒子的后向散射信号，探测云粒子对激光的偏退情况，获得云粒子相态；通过接收云粒子的前向散射信号，探测云粒子等效光学粒径的大小。

本发明云粒子探测方法，利用非球形粒子计算理论，计算不同形状的散射相函数、退偏度，形成非球形粒子散射的数据库；当获得的云粒子相态为冰晶时，结合所述非球形粒子散射的数据库，比对云粒子对激光的退偏振度、前向散射信号，获得云粒子等效光学粒径的大小。

其中云粒子相态通过以下方法探测：将接收到的云粒子后向散射信号分成平行偏振信号和垂直偏振信号，计算两者的信号比即为粒子的退偏振比，将计算得到的退偏振比与偏振比阀值进行比较，当大于偏振比阀值时为冰晶粒子，当小于偏振比阀值时为液态水粒子。由非球形理论计算得知，该偏振比阈值为0.2；

本发明还提供了一种可区分云粒子相态的偏振云粒子探测器，包括以下模块：

激光发射模块，用于产生偏振光；

激光接收模块，包括前向激光接收模块和后向激光接收模块，分别用于接收云粒子前向散射信号和后向散射信号；

光电探测模块，将通过激光接收模块后的云粒子前向散射信号和后向散射信号转换成电信号；

数据采集模块，用于采集光电探测模块的信号；

系统控制模块，对数据采集模块采集的信号进行分析。

其中，光电探测模块包括测量探测器、质量控制探测器、平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器；前向散射信号的75%进入质量控制探测器，25%进入测量探测器；后向散射信号分成平行偏振信号和垂直偏振信号后，分别进入平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器。

激光发射模块采用发射波长为685nm的单模二极管激光器。

前向激光接收模块包括前向散射光收集透镜、前向散射光准直镜和前向散射光分光棱镜；前向散射信号依次通过前向散射光收集透镜、前向散射光准直镜和前向散射光分光棱镜进入质量控制探测器和测量探测器；后向激光接收模块包括后向散射光收集透镜、后向散射光准直镜、滤光片和后向散射光分光棱镜；后向散射信号依次通过后向散射光收集透镜、后向散射光准直镜、滤光片和后向散射光分光棱镜进入平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、使用前向散射以及后向散射的退偏情况对云粒子进行探测分析，能有效探测混合相态云中小冰晶（小于50μm）；

2、综合利用实测前向散射和退偏振度共同反演冰晶的等效尺寸，能够更科学、有效的描述云中的冰晶的粒径谱分布；

3、本发明探测器进入开启状态，就可以进行全天候无人值守探测，探测更加方便、高效。

附图说明

图1为本发明云粒子探测方法的流程图；

图2为本发明云粒子探测器的结构框图；

图3本发明探测器光路部分的结构示意图。

图中，1-质量控制探测器,2-圆孔光阑，3-前向散射光分光棱镜，4-测量探测器，5-前向散射光准直镜，6-前向散射光收集透镜，7-光陷阱，8-全反镜，9-激光发射器，10-后向散射光收集透镜，11-后向散射光准直镜，12-滤光片，13-后向散射光分光棱镜，14-平行型后向散射偏振探测器，15-垂直型后向散射偏振探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

如图2所示，本发明可区分云粒子相态的偏振云粒子探测器包括激光发射模块、前向激光接收模块、后向激光接收模块、光电探测模块、数据采集模块和系统控制模块。本发明激光发射模块采用激光发射器9，激光发射器9采用单模二极管激光器，出射波长为685nm的单模激光（激光光斑直径为2mm，功率为50mw），经整形光纤整形、准直镜准直后，射向云粒子。前向激光接收模块包括光陷阱7、前后散射光收集透镜6、前后散射光准直镜5、前后散射光分光棱镜3和圆孔光阑2；后向激光接收模块包括全反镜8、后向散射光收集透镜10、后向散射光准直镜11、滤光片12和后向散射光分光棱镜13。光电探测模块包括四个探测器：测量探测器4、质量控制探测器1、垂直型后向散射偏振探测器15和平行型后向散射偏振探测器14。如图3所示，光陷阱7为贴在收集透镜6外侧的一个黑色激光吸收体，其作用在于吸收掉激光发射器9直接发射的光，使接收系统接收到的光仅仅为云粒子的散射光。全反镜8贴在后向散射光收集透镜10外侧，其作用在于引导激光，并将尽可能多的激光照射在云粒子上，云粒子才会产生对激光的前向散射和后向散射。云粒子的前向散射信号经前向散射光收集透镜6、前向散射光准直镜5、前向散射光分光棱镜3后，75%进入质量控制探测器、25%进入测量探测器（7分光比例可以通过对前向散射光分光棱镜3的镀膜过程对膜系的控制得到）。云粒子的后向散射信号经后向散射光收集透镜10、滤光片12、后向散射光分光棱镜13后，分成平行偏振信号和垂直偏振信号后，分别进入平行型后向散射偏振探测器14和垂直型后向散射偏振探测器15。滤光片12的中心频率为685nm，中心透过率为98%。四个探测器均采用高精度光电倍增管，将接收到的光信号转换成电信号后，输送给数据采集模块。数据控制模块采用上下位机相结合的方式，下位机是一套独立的嵌入式计算机系统。数据采集模块采用4通道并行数据采集方法，采集精度为14位，采样速率为10M/s，采集的原始数据存入嵌入式计算机系统（系统控制模块的下位机）的固态硬盘中。嵌入式计算机系统对来自四个探测器的信号进行处理分析得到退偏振度与粒径谱等信息，这些信息通过串行通讯送给上位机，在上位机中显示。并由系统控制模块的上位机设置用于设置系统工作方式、工作时间、系统初值等，用于控制激光的出光模式和光电探测系统的探测方式，参数设置后控制系统将设置命令发至下位机，对云粒子探测器进行整体控制。

本发明探测云粒子相态和大小的方法，利用非球形粒子计算理论，计算不同形状的散射相函数，以及退偏度，形成非球形粒子散射的数据库文件；对不同形状、不同放置方式的冰晶粒子，根据电磁场散射理论，采用时域有限差分法（20um以内的粒子）和几何光学算法（20~50um的粒子）研究非球形粒子的散射特性。具体过程如下：

1）利用非球形粒子计算理论，计算不同形状的散射相函数，以及退偏度，形成非球形粒子散射数据库（理论计算数据库）；

2）通过控制系统上位机设置控制程序，选择激光发射器9的工作方式、采集方式及反演计算中的初值设定等，并对下机位发送指令；

3）将激光发射器9打开，激光发射模块开始工作，射出波长685nm、功率为50mw的连续光，激光光斑直径为2mm；

4）前向激光接收模块及后向激光接收模块将回波信号输送给以下4个通道：测量通道接收25%前向散射信号，脉冲宽度与平均脉冲宽度进行比较，确定脉冲信号的可信度，当小于平均脉冲高度时，表明受边缘效应影响较大；质量控制通道接收75%的前向散射信号，质量控制通道和测量通道的比值与景深控制比值进行比较，确定该粒子是否出现在测量景深处。平行型后向散射偏振探测通道以及垂直型后向散射偏振探测通道分别接收平行后向散射信号和垂直后向散射信号，将计算得到的后向散射信号比即退偏振比与偏振比阈值进行比较来确定粒子的相态。

5）将各个通道接收的回波信号通过光电探测模块，将光信号转化为电信号；

6）数据采集模块采用采样率为10M/S的AD采集卡（NI5105）采集信号；

7）系统控制模块对采集的数据进行实时分析，根据云中固、液态水的反演原理，实时计算显示保存云粒子等效尺度普。

如图2所示，平行型后向散射偏振探测通道（平行通道）以及垂直型后向散射偏振探测通道（垂直通道）的输出用于计算粒子的退偏振比，将计算得到的退偏振比与偏振比阈值进行比较，当大于偏振比阈值时为冰晶粒子，当小于阈值是为液态水粒子，相态信息用于后续的粒径谱反演过程。云粒子的粒径信息由质量控制探测器和测量探测器分别接收质量控制通道和测量通道的信号）输出得到：质量控制探测器和测量探测器的输出比值，将与景深控制比值进行比较，确定该粒子是否出现在测量景深处；将测量探测器所得脉冲宽度与平均脉冲宽度进行比较。当满足景深控制和脉宽要求时，系统读取前面得到的粒子相态信息，如果是冰晶则查询非球形粒子标定结果表格（使用云降水实验中云室产生标准非球形粒子，采用非球形粒子测量标定设备可以得到该表格），并结合理论计算数据库，比对退偏振度、前向散射信号强度信息，获得冰晶的等效尺度，并在冰晶个数上加一；若为液态水，则查液态水表格，获得云滴的大小，并在云滴个数上加一。对每一个粒子散射信号进行上述处理，则可以得到单位时间内的不同相态粒子个数，考虑系统的测量敏感面积和飞机飞行速度，则可以得到云滴和冰晶的粒径谱分布，进而可以得到云中固态水含量和液态水含量。

其中，控制系统对云粒子固液态含量分析的初值退偏比的阈值设定，可根据步骤（1）中所得非球形粒子散射数据库的数据进行，该阀值设定为0.2。

本发明利用不同云粒子散射强度以及退偏振度的不同，使用单模激光器，出射波波长685nm，光斑直径2mm，通过4个光学探测通道接收：两个后向散射退偏振度用以区分云粒子相态，两个前向散射通道探测粒子的等效光学粒径。后向散射信号的退偏振度结合前向散射信号可用于反演非球形粒子等效尺度谱。

Claims (7)

1.一种云粒子探测方法，其特征在于，通过接收云粒子的后向散射信号，探测云粒子对激光的偏退情况，获得云粒子相态；通过接收云粒子的前向散射信号，探测云粒子等效光学粒径的大小。

2.根据权利要求1所述的云粒子探测方法，其特征在于，利用非球形粒子计算理论，计算不同形状的散射相函数、退偏度，形成非球形粒子散射的数据库；当获得的云粒子相态为冰晶时，结合所述非球形粒子散射的数据库，比对云粒子对激光的退偏振度、前向散射信号，获得云粒子等效光学粒径的大小。

3.根据权利要求2所述的云粒子探测方法，其特征在于，所述云粒子相态通过以下方法探测：将接收到的云粒子后向散射信号分成平行偏振信号和垂直偏振信号，计算两者的信号比即为粒子的退偏振比，将计算得到的退偏振比与偏振比阀值进行比较，当大于偏振比阀值时为冰晶粒子，当小于偏振比阀值时为液态水粒子。

4.一种采用权利要求1至3任一所述云粒子探测方法的探测器，其特征在于，包括以下模块：

激光发射模块，用于产生偏振光；

激光接收模块，包括前向激光接收模块和后向激光接收模块，分别用于接收云粒子前向散射信号和后向散射信号；

光电探测模块，将通过激光接收模块后的云粒子前向散射信号和后向散射信号转换成电信号；

数据采集模块，用于采集光电探测模块的信号；

系统控制模块，对数据采集模块采集的信号进行分析。

5.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述光电探测模块包括测量探测器、质量控制探测器、平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器；所述前向散射信号的75%进入所述质量控制探测器，25%进入所述测量探测器；所述后向散射信号分成平行偏振信号和垂直偏振信号后，分别进入平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器。

6.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述激光发射模块采用发射波长为685nm的单模二极管激光器。

7.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述前向激光接收模块包括前向散射光收集透镜、前向散射光准直镜和前向散射光分光棱镜；所述前向散射信号依次通过前向散射光收集透镜、前向散射光准直镜和前向散射光分光棱镜进入所述质量控制探测器和测量探测器；所述后向激光接收模块包括后向散射光收集透镜、后向散射光准直镜、滤光片和后向散射光分光棱镜；所述后向散射信号依次通过后向散射光收集透镜、后向散射光准直镜、滤光片和后向散射光分光棱镜进入平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器。