CN113155683A - 一种云粒子散射函数的探测系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种云粒子散射函数(散射强度随散射角度的分布)的探测系统、方法和装置。云室壁上设置有多个玻璃视窗两两相对，激光发射装置设置在云室外部，其发出的激光束通过多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到云室，并从多个玻璃视窗中与第一玻璃视窗相对的第二玻璃视窗出射；激光束在入射到出射的过程中被云室内的云粒子散射形成散射光。接收装置位于云室外部，分别设置在第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，通过其上包括的光电探测器接收散射光，测量散射光的第一光强信息；第三玻璃视窗位于第一玻璃视窗与第二玻璃视窗所在直线的侧面。计算设备位于云室外部，根据不同接收装置测量得到的第一光强信息确定散射函数。

Description

一种云粒子散射函数的探测系统、方法和装置

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别是涉及一种云粒子散射函数的探测系统、方法和装置。

背景技术

云是影响地气系统辐射收支和气候变化的重要因素。而云对辐射的影响，很大程度上决定于云粒子的散射函数，即云粒子对光的散射能力及其角度分布。散射函数反映了云微物理特性(云粒子数浓度、尺度谱、相态等)，对云微物理过程和云的遥感探测非常重要。在云室实验中，可靠地获取云粒子散射函数是认识实验中云的生消演变进而探究云的辐射效应所必需的。

目前，云室内的云粒子探测主要采用将探测仪器直接置于云室内进行测量的方案。

然而，由于云室中温度、湿度和压强的变化范围很大，如果将探测仪器直接置于云室内，探测仪器可能难以适应温湿压的剧烈变化，并且探测仪器的存在也会影响云室内的运行环境，从而影响探测结果，引入测量误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种云粒子散射函数的探测系统、方法和装置，该探测系统所有设备都位于云室外部，不会影响云室内的运行环境，也不会影响探测系统本身的测量准确性，从而尽量减小对探测结果的影响，减少测量误差。同时通过该系统可以实现前向散射、后向散射和侧向散射，使得不同接收装置的散射角度范围有重叠，进一步提高探测准确性。

第一方面，本申请实施例提供一种云粒子散射函数的探测系统，云室中可通过实验生成云粒子，云室壁上设置有多个玻璃视窗，所述多个玻璃视窗两两相对，所述探测系统包括激光发射装置、接收装置和计算设备：

所述激光发射装置设置在云室外部，所述激光发射装置发出的激光束通过所述多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到所述云室，并从所述多个玻璃视窗中的第二玻璃视窗出射，所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗相对；所述激光束在入射到出射的过程中被所述云室内的云粒子散射形成散射光；

所述接收装置位于所述云室外部，分别设置在所述多个玻璃视窗中的所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，所述接收装置分别透过所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器接收所述散射光，测量所述散射光的第一光强信息；所述第三玻璃视窗位于所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗所在直线的侧面；

所述计算设备设置在所述云室外部，用于获取不同接收装置测量得到的所述第一光强信息，并根据所述第一光强信息确定散射函数。

可选的，所述云室壁围绕的形状的横截面是圆形，所述第一玻璃视窗和所述第二玻璃视窗所在直线为所述圆形的第一条直径，所述第三玻璃视窗位于与所述第一条直径垂直的第二条直径上。

可选的，所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件：

所述激光器用于产生所述探测系统需要的激光；

所述起偏器用于将所述激光器发出的激光转换成线偏振光；

所述扩束元件用于对所述线偏振光进行扩束得到所述激光束。

可选的，所述接收装置还包括检偏器，所述探测系统还包括驱动电机：

所述驱动电机用于驱动所述检偏器旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同偏振状态的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光的偏振状态相同。

可选的，所述探测系统还包括激光能量计：

所述激光能量计设置在所述第二玻璃视窗处，所述激光能量计用于在所述云室内未充满云粒子时测量所述激光束的第二光强信息，所述激光能量计还用于在所述云室内充满云粒子时测量所述激光束的第三光强信息。

可选的，所述计算设备用于控制所述激光发射装置和所述接收装置，并获取所述第一光强信息和所述第二光强信息，根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数，并与所述第三光强信息相互印证。

可选的，所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长：

所述驱动电机用于驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同。

第二方面，本申请实施例提供一种云粒子散射函数的探测方法，所述方法基于第一方面任一项所述的探测系统实现，所述方法包括：

获取不同接收装置测量得到的第一光强信息；

根据所述第一光强信息确定散射函数。

可选的，若所述探测系统包括激光能量计，所述方法还包括：

获取激光能量计测量得到的第二光强信息；

所述根据所述第一光强信息确定散射函数，包括：

根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

可选的，所述方法还包括：

对所述探测系统进行系统标定，所述系统标定包括像元辐射标定、像元投影和所述光电探测器的探测信号标定。

可选的，若所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件，所述接收装置中包括检偏器，所述方法还包括：

根据散射光的偏振状态确定所述云粒子的相态。

可选的，若所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长，所述方法还包括：

控制所述驱动电机驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同；

若所述多种波长包括三种波长，所述获取不同接收装置测量得到的所述第一光强信息，包括：

获取不同接收装置在第一时刻得到的第一波长散射光的第一光强信息，获取不同接收装置在第二时刻得到的第二波长散射光的第一光强信息，以及获取不同接收装置在第三时刻得到的第三波长散射光的第一光强信息；

所述根据所述第一光强信息确定散射函数，包括：

根据所述第一波长散射光的第一光强信息、所述第二波长散射光的第一光强信息以及所述第三波长散射光的第一光强信息确定所述散射函数。

第三方面，本申请实施例提供一种云粒子散射函数的探测装置，所述装置基于第一方面任一项所述的探测系统执行任一项探测方法，所述装置包括：

获取单元，用于获取不同接收装置测量得到的第一光强信息；

确定单元，用于根据所述第一光强信息确定散射函数。

可选的，若所述探测系统包括激光能量计，所述获取单元，还用于：

获取激光能量计测量得到的第二光强信息；

所述确定单元，用于根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

可选的，所述装置还包括：

标定单元，用于对所述探测系统进行系统标定，所述系统标定包括像元辐射标定、像元投影和所述光电探测器的探测信号标定。

可选的，若所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件，所述接收装置中包括检偏器，所述确定单元还用于：

根据散射光的偏振状态确定所述云粒子的相态。

可选的，若所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长，所述装置还包括：

控制单元，用于控制所述驱动电机驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同；

若所述多种波长包括三种波长，所述获取单元，用于：

获取不同接收装置在第一时刻得到的第一波长散射光的第一光强信息，获取不同接收装置在第二时刻得到的第二波长散射光的第一光强信息，以及获取不同接收装置在第三时刻得到的第三波长散射光的第一光强信息；

所述确定单元，用于：

根据所述第一波长散射光的第一光强信息、所述第二波长散射光的第一光强信息以及所述第三波长散射光的第一光强信息确定所述散射函数。

由上述技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

云室中包括云粒子，为了避免将探测仪器放入云室中而影响测量结果，本申请在云室壁上设置有多个玻璃视窗，多个玻璃视窗两两相对，探测系统包括激光发射装置、接收装置和计算设备。激光发射装置设置在云室外部，激光发射装置发出的激光束通过多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到云室，并从多个玻璃视窗中的第二玻璃视窗出射，第一玻璃视窗与第二玻璃视窗相对；激光束在入射到出射的过程中被云室内的云粒子散射形成散射光。接收装置位于云室外部，分别设置在多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，接收装置分别透过第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器接收散射光，测量散射光的第一光强信息；第三玻璃视窗位于第一玻璃视窗与第二玻璃视窗所在直线的侧面。计算设备位于云室外部，用于获取不同接收装置测量得到的第一光强信息，并根据第一光强信息确定散射函数。该探测系统所有设备都位于云室外部，不会影响云室内的运行环境，也不会影响探测系统本身的测量准确性，从而尽量减小对探测结果的影响，减少测量误差。同时通过该探测系统可以实现前向散射、后向散射和侧向散射，使得不同接收装置的散射角度范围有重叠，进一步提高探测准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种云粒子散射函数的探测系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的另一种云粒子散射函数的探测系统的结构图；

图3为本申请实施例提供的一种云粒子散射函数的探测方法的流程图；

图4a为本申请实施例提供的一种激光束的示例图；

图4b为本申请实施例提供的一种根据测量信号进行正态分布拟合的示例图；

图5为本申请实施例提供的一种云粒子散射函数的探测装置的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了解决相关技术中将探测仪器直接置于云室内对云粒子散射函数进行测量，而导致的影响探测结果，引入测量误差，探测结果不准确的问题。本申请提供一种云粒子散射函数的探测系统、方法和装置，该探测系统所有设备都位于云室外部，不会影响云室内的运行环境，也不会影响探测系统本身的测量准确性，从而尽量减小对探测结果的影响，减少测量误差。同时通过该系统可以实现前向散射、后向散射和侧向散射，使得不同接收装置的散射角度范围有重叠，进一步提高探测准确性。

接下来，将结合附图对本申请实施例提供的云粒子散射函数的探测系统进行详细介绍。参见图1，本申请提供的云粒子散射函数探测系统用于对云室101中云粒子的散射函数进行探测，云室中包括云粒子，该云粒子可通过实验生成。本申请为了避免将探测仪器放入云室中而影响测量结果，在云室壁上设置有多个玻璃视窗102，多个玻璃视窗两两相对，该探测系统包括激光发射装置103、接收装置104和计算设备105：

所述激光发射装置103设置在云室101外部，所述激光发射装置103发出的激光束通过所述多个玻璃视窗102中的第一玻璃视窗入射到所述云室101，并从所述多个玻璃视窗102中的第二玻璃视窗出射，所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗相对；所述激光束在入射到出射的过程中被所述云室101内的云粒子散射形成散射光。

其中，云室101可以是BACIC云室。BACIC云室共4层，其中2-4层每层的云室壁上都有两两相对的4个玻璃视窗(图1中的4个小白块)。多个玻璃视窗可以是圆形的，例如每个圆形玻璃视窗的直径400mm，由双层玻璃构成，其间可由机械方式抽真空做隔热防雾处理。多个玻璃视窗用于观测云室101内部情况，也作为探测系统中激光发射装置103的入射窗口和观测窗口。云室壁内侧可以经吸光处理以减小反射率，降低云室壁内侧散射对测量的影响。

需要说明的是，多个玻璃视窗102可以加装挡光罩以防止杂散光进入，避免影响探测结果。

所述接收装置104位于所述云室101外部，分别设置在所述多个玻璃视窗102中的所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，所述接收装置104分别透过所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器1041接收所述散射光，测量所述散射光的第一光强信息；所述第三玻璃视窗位于所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗所在直线的侧面。

其中，光电探测器1041可以是各种能够检测光信号的元件，光电探测器1041例如可以是电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)等。

可选的，所述云室壁围绕的形状的横截面可以是不同的形状，例如正方形、矩形、圆形。若所述横截面的形状是圆形，所述第一玻璃视窗和所述第二玻璃视窗所在直线为所述圆形的第一条直径，所述第三玻璃视窗位于与所述第一条直径垂直的第二条直径上。例如图1所示，第一玻璃视窗可以是图1中左侧的玻璃视窗、第二玻璃视窗可以是图1中右侧的玻璃视窗、第三玻璃视窗可以是图1中下方的玻璃视窗。此时可以实现约5°-175°的广角度覆盖范围，且三个光电探测器1041所测散射角范围有重叠，探测角分辨率<2°。

因此，在激光发射装置103发出的激光束在入射到出射的过程中被云室101内的云粒子散射形成散射光后，散射光可以被位于第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置104接收。在图1中，第一玻璃视窗为入射窗口，因此，位于第一玻璃视窗的接收装置104接收的散射光可以称为后向散射；而位于第二玻璃视窗的接收装置104接收的散射光可以称为前向散射，位于第三玻璃视窗的接收装置104接收的散射光可以称为侧向散射。

当然，图1仅是一种示例，第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗也可以位于其他位置，只要符合上述条件即可，本实施例对此不做限定。例如，第一玻璃视窗可以是图1中左侧的玻璃视窗、第二玻璃视窗可以是图1中右侧的玻璃视窗、第三玻璃视窗可以是图1中上方的玻璃视窗，等等。

所述计算设备105设置在所述云室101外部，用于获取不同接收装置104测量得到的第一光强信息，并根据第一光强信息确定散射函数。

需要说明的是，在本实施例中计算设备105例如可以是计算机、平板电脑等等。

可选的，参见图2所示，所述激光发射装置103包括激光器1031、起偏器1032和扩束元件1033：

所述激光器1031用于产生所述探测系统需要的激光；

所述起偏器1032用于将所述激光器1031发出的激光转换成线偏振光；

所述扩束元件1033用于对所述线偏振光进行扩束得到所述激光束。

激光经过起偏器1032后形成线偏振光，再通过扩束获取足够的采样体积，以减小观测误差。

可选的，所述接收装置104中包括检偏器1042，所述探测系统还包括驱动电机：

所述驱动电机用于驱动所述检偏器1042旋转，以控制所述光电探测器1041在不同时刻接收到不同偏振状态的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器1041在同一时刻接收的散射光的偏振状态相同。

光具有两个偏振方向(平行和垂直)，可以理解为两个不同的分量，检偏器1042就是只允许其中的一个分量(一个方向的偏振光)透过，进入后续的光电探测器1041；驱动电机根据需要旋转对应的检偏器1042控制进入接收装置104的光路。一般来讲，假如云滴是球形的，那么只有一个偏振方向上有明显的散射光，而另一个方向上很小；假如是非球形的(一般冰晶都是非球形的)，则在两个偏振方向上都有明显的散射光，因此，通过检偏器1042可以进一步区分云粒子的相态。

即根据检偏器1042的测量从而对云粒子的非球形性进行判断，一定程度上区分云粒子的不同相态。在这种情况下，计算设备105用于根据所述云粒子的相态选择目标反演算法得到所述云粒子的尺度谱。

通常情况下，云粒子的相态可以包括液相、混合相和冰相，不同相态的云粒子可以采用不同的反演算法来得到对应的尺度谱。若云粒子的相态为液相，则此时的云粒子可以称为云滴，对应的尺度谱为云滴谱。

云滴谱可以是单位体积中云滴的数量随云滴大小的分布，对于辐射和气候变化的研究有着重要意义。

可选的，所述接收装置104还包括滤光片1043，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长：

所述驱动电机用于驱动所述滤光片1043旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置104中的光电探测器1041在同一时刻接收的散射光波长相同。

通常情况下，每个时刻测量的只是单个波长的光，但观测环境中可能有其它波长的光，滤光片1043的作用就是选取一个非常窄的波长范围，如测量532nm波长时，选取一个可以透过530-534nm(数据仅是举例)波长的滤光片，只允许这个波长范围的光透过，进入后续的光电探测器1041；驱动电机根据需要旋转对应的滤光片以控制进入接收装置104的光路。

可选的，所述探测系统还包括激光能量计106：

所述激光能量计106设置在所述第二玻璃视窗处，由于散射光的强度是与入射光成正比的，即需要的是散射光/入射光的比例，所以需要知道入射光的绝对量，也就是激光发射能量，激光发射能量可以在云室内无云的时候由激光能量计测量得到，因为此时的云室内空气对光的衰减很小。因此，所述激光能量计106用于在所述云室101内未充满云粒子时测量所述激光束的第二光强信息(可以指激光发射能量)。在这种情况下，所述计算设备105用于控制所述激光发射装置103和所述接收装置104，并获取所述第一光强信息和所述第二光强信息，根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

需要说明的是，之后在云室内有云的时候，激光能量计能测量得到经过云室内云粒子对激光衰减后的激光能量，即所述激光能量计106还用于在所述云室内充满云粒子时测量所述激光束的第三光强信息(可以指激光投射能量，也是对后续的数据分析工作很重要)，这对后续的数据分析工作很重要。例如可以通过计算设备105将得到的散射函数与所述第三光强信息相互印证。

由上述技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

云室中包括云粒子，为了避免将探测仪器放入云室中而影响测量结果，本申请在云室壁上设置有多个玻璃视窗，多个玻璃视窗两两相对，探测系统包括激光发射装置、接收装置和计算设备。激光发射装置设置在云室外部，激光发射装置发出的激光束通过多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到云室，并从多个玻璃视窗中的第二玻璃视窗出射，第一玻璃视窗与第二玻璃视窗相对；激光束在入射到出射的过程中被云室内的云粒子散射形成散射光。接收装置位于云室外部，分别设置在多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，接收装置分别透过第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器接收散射光，测量散射光的第一光强信息；第三玻璃视窗位于第一玻璃视窗与第二玻璃视窗所在直线的侧面。计算设备位于云室外部，用于获取不同接收装置测量得到的第一光强信息，并根据第一光强信息确定散射函数。该探测系统所有设备都位于云室外部，不会影响云室内的运行环境，也不会影响探测系统本身的测量准确性，从而尽量减小对探测结果的影响，减少测量误差。同时通过该探测系统可以实现前向散射、后向散射和侧向散射，使得不同接收装置的散射角度范围有重叠，进一步提高探测准确性。

接下来，将对本申请实施例提供一种云粒子散射函数的探测方法进行介绍。所述方法基于图1-图2对应的实施例中任一项所述的探测系统实现，参见图3，所述方法包括：

S301、获取不同接收装置测量得到的第一光强信息。

S302、根据所述第一光强信息确定散射函数。

在云室101搭建出图1-图2对应的实施例任一项的探测系统后，激光发射装置103发出的激光束在入射到出射的过程中被云室101内的云粒子散射形成散射光后，散射光可以被位于第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置104接收。每个接收装置104中的光电探测器1041可以得到的第一光强信息，进而对多个接收装置104得到的第一光强信息进行拼接，从而确定散射函数。从而对云室101中云粒子散射实现多角度探测(例如包括前向散射、后向散射和侧向散射)，获取云粒子的散射函数这一重要的光学参数。

需要说明的是，为了准确地得到第一光强信息，在本申请实施例中可以对每个接收装置104中的光电探测器1041接收到的散射光信号进行跨像元数据获取处理，进而得到的第一光强信息。下面对跨像元数据获取方法进行介绍。

跨像元数据获取：激光束具有一定宽度，使得来自同一散射角的散射光会照射到光电探测器1041上垂直于光路方向的若干像元，针对这一问题需要建立跨像元数据的获取方法。考虑对激光束的中心线(图4a中黑线所示)进行拟合，设定合适的宽度后选取该中心线垂直方向上的一列像元(图4a中灰线所示)进行测量信号(每个测量点对应的信号强度)的正态分布拟合得到拟合曲线，如图4b所示。拟合获得的峰值信号即该角度像元的信号，即获得不同散射角的信号强度。

可选的，在完成前述探测系统的搭建后，还可以对该探测系统进行系统标定，所述系统标定包括像元辐射标定、像元投影和所述光电探测器的探测信号标定。下面分别对每种系统标定进行介绍。

(1)像元辐射标定：对光电探测器1041例如CCD探测器进行平场校正，以定量衡量CCD中各像元对光响应能力的差异，并对像元暗噪声进行测量。在平场校正时，通过改变每个像元响应函数的斜率和偏移，使所有像元的响应关系相同，拟采用两点校正法。平场校正需要通过均匀球形光源(积分球)实现，考虑云室玻璃对像元进光量差异的可能影响，将采用在云室101内放置漫反射板的方法进一步修正平场校正的结果。对CCD探测器的暗噪声测量可能受环境温度影响，拟在不同温度条件下进行以评估该影响。

(2)像元投影：光电探测器1041像元的视场角受几何结构、光路等因素影响，需要进行验证和标定。在云室101内加装一个标尺或在云室壁内侧进行点位标记，配合外部三维扫描建立的坐标，对每个像元对应的散射角进行定位。

(3)光电探测器的探测信号标定：主要采用球形粒子和气体两种方式标定。粒径相对单一的水滴或球形聚苯乙烯胶乳(Polystyrene Latex，PSL)标准粒子由云室101喷雾或膨胀成云的方式产生，气体则选用强散射性气体和过滤空气(它对于云粒子/气溶胶散射测量相当于零点)。用探测系统测量多角度散射的同时，对水滴/PSL标准粒子的尺度谱进行原位测量。在云室101内放置光学粒子计数器进行云滴谱的测量，用于理论计算散射函数，即得到散射函数的理论计算结果。其中，光学粒子计数器例如可以是美国DMT(DropletMeasurement Technologies)公司的雾滴谱仪FM-120(测量粒径范围2-50μm)和德国PALAS(Experts for Aerosol Technology)公司的光学粒子计数器Promo2000P(可选择粒径范围为0.2-10μm。当然若测量其他相态的云粒子的尺度谱，可以放入其他尺度谱测量的仪器。将实际探测数据与理论计算结果进行比对，从而实现光电探测器的探测信号标定。

可选的，若激光发射装置103包括激光器1031、起偏器1032和扩束元件1033，则激光器1031发出的激光被起偏器1032转换成线偏振光，扩束元件1033对线偏振光进行扩束得到激光束。

可选的，接收装置104还包括检偏器1042，所述探测系统还包括驱动电机，所述驱动电机控制所述检偏器1042旋转，控制光电探测器1041在不同时刻接收到不同偏振状态的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光的偏振状态相同。进而使得计算设备105可以根据散射光的偏振状态确定云粒子的相态。

即根据检偏器1042的测量从而对云粒子的非球形性进行判断，一定程度上区分云粒子的不同相态。在这种情况下，计算设备105用于根据所述云粒子的相态选择目标反演算法得到所述云粒子的尺度谱。

通常情况下，云粒子的相态可以包括液相、混合相和冰相，不同相态的云粒子可以采用不同的反演算法来得到对应的尺度谱。若云粒子的相态为液相，则此时的云粒子可以称为云滴，对应的尺度谱为云滴谱。

可选的，若所述接收装置104还包括滤光片1043，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长，则计算设备105还可以控制所述驱动电机驱动所述滤光片1043旋转，以控制所述光电探测器1041在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器1041在同一时刻接收的散射光波长相同。

若所述多种波长包括三种波长，例如第一波长、第二波长和第三波长，三个波长可以是任意波长组合，例如第一波长、第二波长和第三波长分别为355nm、532nm、1024nm。此时可以控制所述驱动电机驱动所述滤光片1043旋转，使得某一时刻例如第一时刻不同接收装置104接收到的都是第一波长散射光，则测量得到第一波长散射光的第一光强信息；下一时刻例如第二时刻不同接收装置104接收到的都是第二波长散射光，则测量得到第二波长散射光的第一光强信息；再下一时刻例如第三时刻不同接收装置104接收到的都是第三波长散射光，则测量得到第三波长散射光的第一光强信息。

在这种情况下，获取不同接收装置104测量得到的第一光强信息的方式可以是获取不同接收装置104在第一时刻得到的第一波长散射光的第一光强信息，获取不同接收装置104在第二时刻得到的第二波长散射光的第一光强信息，以及获取不同接收装置104在第三时刻得到的第三波长散射光的第一光强信息。根据所述第一光强信息确定散射函数的方式可以是根据第一波长散射光的第一光强信息、第二波长散射光的第一光强信息以及第三波长散射光的第一光强信息确定散射函数。

可选的，所述探测系统还包括激光能量计106：

所述激光能量计106设置在所述第二玻璃视窗处，所述激光能量计106用于在所述云室101内未充满云粒子时测量所述激光束的第二光强信息。在这种情况下，所述计算设备105用于根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

需要说明的是，所述激光能量计106还可以在所述云室内充满云粒子时测量所述激光束的第三光强信息，此时所述计算设备105用于将得到的散射函数与所述第三光强信息相互印证。

由上述技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

云室中包括云粒子，为了避免将探测仪器放入云室中而影响测量结果，本申请在云室壁上设置有多个玻璃视窗，多个玻璃视窗两两相对，探测系统包括激光发射装置、接收装置和计算设备。激光发射装置设置在云室外部，激光发射装置发出的激光束通过多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到云室，并从多个玻璃视窗中的第二玻璃视窗出射，第一玻璃视窗与第二玻璃视窗相对；激光束在入射到出射的过程中被云室内的云粒子散射形成散射光。接收装置位于云室外部，分别设置在多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，接收装置分别透过第一玻璃视窗、第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器接收散射光，测量散射光的第一光强信息；第三玻璃视窗位于第一玻璃视窗与第二玻璃视窗所在直线的侧面。计算设备位于云室外部，可以获取不同接收装置测量得到的第一光强信息，并根据第一光强信息确定散射函数。该探测方法所使用到的探测系统中所有设备都位于云室外部，不会影响云室内的运行环境，也不会影响探测系统本身的测量准确性，从而尽量减小对探测结果的影响，减少测量误差。同时通过该探测方法可以实现前向散射、后向散射和侧向散射，使得不同接收装置的散射角度范围有重叠，进一步提高探测准确性。

基于前述提供的云粒子散射函数的探测方法，本申请实施例提供一种云粒子散射函数的探测装置，所述装置基于图1-图2任一项所述的探测系统执行任一项探测方法，参见图5所示，所述装置包括：

获取单元501，用于获取不同接收装置测量得到的第一光强信息；

确定单元502，用于根据所述第一光强信息确定散射函数。

可选的，若所述探测系统包括激光能量计，所述获取单元，还用于：

获取激光能量计测量得到的第二光强信息；

所述确定单元，用于根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

可选的，所述装置还包括：

标定单元，用于对所述探测系统进行系统标定，所述标定包括像元辐射标定、像元投影和所述光电探测器的探测信号标定。

可选的，若所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件，所述接收装置中包括检偏器，所述确定单元502还用于：

根据散射光的偏振状态确定所述云粒子的相态。

可选的，若所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长，所述装置还包括：

控制单元，用于控制所述驱动电机驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同；

若所述多种波长包括三种波长，所述获取单元501，用于：

获取不同接收装置在第一时刻得到的第一波长散射光的第一光强信息，获取不同接收装置在第二时刻得到的第二波长散射光的第一光强信息，以及获取不同接收装置在第三时刻得到的第三波长散射光的第一光强信息；

所述确定单元502，用于：

根据所述第一波长散射光的第一光强信息、所述第二波长散射光的第一光强信息以及所述第三波长散射光的第一光强信息确定所述散射函数。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质可以是下述介质中的至少一种：只读存储器(英文：read-only memory，缩写：ROM)、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备及系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种云粒子散射函数的探测系统，其特征在于，云室中包括云粒子，云室壁上设置有多个玻璃视窗，所述多个玻璃视窗两两相对，所述探测系统包括激光发射装置、接收装置和计算设备：

所述激光发射装置设置在云室外部，所述激光发射装置发出的激光束通过所述多个玻璃视窗中的第一玻璃视窗入射到所述云室，并从所述多个玻璃视窗中的第二玻璃视窗出射，所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗相对；所述激光束在入射到出射的过程中被所述云室内的云粒子散射形成散射光；

所述接收装置位于所述云室外部，分别设置在所述多个玻璃视窗中的所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗所在位置，所述接收装置分别透过所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗，通过其上包括的光电探测器接收所述散射光，测量所述散射光的第一光强信息；所述第三玻璃视窗位于所述第一玻璃视窗与所述第二玻璃视窗所在直线的侧面；

所述计算设备设置在所述云室外部，用于获取不同接收装置测量得到的所述第一光强信息，并根据所述第一光强信息确定云粒子散射函数。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述云室壁围绕的形状的横截面是圆形，所述第一玻璃视窗和所述第二玻璃视窗所在直线为所述圆形的第一条直径，所述第三玻璃视窗位于与所述第一条直径垂直的第二条直径上。

3.根据权利要求1或2所述的探测系统，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件：

所述激光器用于产生所述探测系统需要的激光；

所述起偏器用于将所述激光器发出的激光转换成线偏振光；

所述扩束元件用于对所述线偏振光进行扩束得到所述激光束。

4.根据权利要求1或2所述的探测系统，其特征在于，所述接收装置还包括检偏器，所述探测系统还包括驱动电机：

所述驱动电机用于驱动所述检偏器旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同偏振状态的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光的偏振状态相同。

5.根据权利要求1或2所述的探测系统，其特征在于，所述探测系统还包括激光能量计：

所述激光能量计设置在所述第二玻璃视窗处，所述激光能量计用于在所述云室内未充满云粒子时测量所述激光束的第二光强信息，所述激光能量计还用于在所述云室内充满云粒子时测量所述激光束的第三光强信息。

6.根据权利要求5所述的探测系统，其特征在于，所述计算设备用于控制所述激光发射装置和所述接收装置，并获取所述第一光强信息和所述第二光强信息，根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数，并与所述第三光强信息相互印证。

7.根据权利要求1或2所述的探测系统，其特征在于，所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长：

所述驱动电机用于驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同。

8.一种云粒子散射函数的探测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-7任一项所述的探测系统实现，所述方法包括：

获取不同接收装置测量得到的第一光强信息；

根据所述第一光强信息确定散射函数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若所述探测系统包括激光能量计，所述方法还包括：

获取激光能量计测量得到的第二光强信息；

所述根据所述第一光强信息确定散射函数，包括：

根据所述第一光强信息和所述第二光强信息确定所述散射函数。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述探测系统进行系统标定，所述系统标定包括像元辐射标定、像元投影和所述光电探测器的探测信号标定。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若所述激光发射装置包括激光器、起偏器和扩束元件，所述接收装置中包括检偏器，所述方法还包括：

根据散射光的偏振状态确定所述云粒子的相态。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，若所述接收装置还包括滤光片，所述探测系统还包括驱动电机，所述激光束包括多种波长，所述方法还包括：

控制所述驱动电机驱动所述滤光片旋转，以控制所述光电探测器在不同时刻接收到不同波长的散射光，且设置在所述第一玻璃视窗、所述第二玻璃视窗和第三玻璃视窗的接收装置中的光电探测器在同一时刻接收的散射光波长相同；

若所述多种波长包括三种波长，所述获取不同接收装置测量得到的所述第一光强信息，包括：

获取不同接收装置在第一时刻得到的第一波长散射光的第一光强信息，获取不同接收装置在第二时刻得到的第二波长散射光的第一光强信息，以及获取不同接收装置在第三时刻得到的第三波长散射光的第一光强信息；

所述根据所述第一光强信息确定散射函数，包括：

根据所述第一波长散射光的第一光强信息、所述第二波长散射光的第一光强信息以及所述第三波长散射光的第一光强信息确定所述散射函数。

13.一种云粒子散射函数的探测装置，其特征在于，所述装置基于权利要求1-7任一项所述的探测系统执行任一项探测方法，所述装置包括：

获取单元，用于获取不同接收装置测量得到的第一光强信息；

确定单元，用于根据所述第一光强信息确定散射函数。

Images