CN206638586U - 基于偏振探测的云粒子探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于偏振探测的云粒子探测系统，包括产生偏振光的激光发射光学单元、前向散射探测单元和后向散射探测单元；其中，激光发射光学单元通过使用激光二极管、偏振片和半波片来产生偏振光；通过前向散射探测单元来确定粒子是否被记录并得出云粒子的尺寸；通过后向散射探测单元获得散射光的退偏振度以确定粒子的相态。通过前向散射探测单元和后向散射探测单元共同确定粒子的尺寸和相态等信息，并得出云滴和冰晶的粒径谱分布，进而得到云中固态水含量和液态水含量。

Description

基于偏振探测的云粒子探测系统

技术领域

本实用新型涉及基于偏振探测的云粒子探测系统，具体涉及基于连续光半导体激光器、散射多角度接收、偏振探测的云粒子探测系统，属于云粒子探测技术领域。

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。IPCC第五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，不确定性的一个重要来源是冷云辐射导致的。冷云辐射特性不仅取决于冰水含量，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。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。小冰晶在对流云冰晶形成过程中扮演重要的角色。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。现代化云粒子探测技术促使人们对云物理过程有了进一步认识。但对小冰晶(过冷水)到降水的微物理这一过程的认识并不十分清晰。对这一过程的模型研究需要大量实验数据作为支撑和验证。使用地面云室可以在宽时间尺度内(几个小时)研究冰核的发展和变化，但现代观测要求时间尺度在分钟量级，云室模拟无法完成，而且，云室环境与自然环境不可避免的存在一定的区别。机载云粒子观测是云物理研究的另一重要手段，从四十年代首次进行机载收集冰晶试验至今，机载观测加深了人们对云物理科学的理解。但至今没有相关的机载仪器，能够观测记录到冷云中冰晶的发生、发展过程，导致人们在冷云中降水形成过程的理解上仍有很大的困难。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，利于深入了解云内的微物理变化过程和机制。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，开展冷云中小冰晶探测原理和方法方面的研究十分有必要，可再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认识的难题。

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技术和成像技术。其中50μm以内的云粒子主要使用散射法进行测量，该方法收集云粒子在一定空间立体角内的散射光能量，根据定标结果与球形粒子米散射原理计算云粒子的光学等效粒径。该方法基于球形粒子的米散射原理，仅仅探测散射能量信息，不具有液态水与冰晶的区分能力，对冰晶测量时产生很大的误差。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率和AD转化带来的误差，该仪器探测云粒子的尺度下限为100μm，也无法实现小尺寸冰晶观测。Baumgardner 2001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的同时接收后向散射，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。Lawson 2001年报道了一种高分辨率云粒子成像系统，该系统利用脉冲为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，远不足以记录云中小冰晶的分布。Fugal 2004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：Small Ice Detector)，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，第一代SID使用6个探测器组成的线阵列，角分辨能力有限。Cotton 2010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个/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的分辨率，但由于相机的处理的速度较慢，当冰晶粒子浓度较大时，出现粒子简并现象，实测粒子数小于实际粒子书。由于基于形状检测的相态区分方法会受到粒子简并现象的限制，近年来科学家们又转而研究利用偏振技术来区分粒子相态。

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，基于偏振探测的小冰晶探测则鲜有研究。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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供基于偏振探测的云粒子探测系统，利用云粒子对激光的退偏振区分粒子相态，建立基于偏振探测的云粒子探测系统，实现云滴与冰晶的分相态定量探测。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于偏振探测的云粒子探测系统，包括产生偏振光的激光发射光学单元、前向散射探测单元、后向散射探测单元、四通道采集卡以及数据处理单元；其中，激光发射光学单元包括激光器、偏振片、半波片和第一全反镜；前向散射探测单元包括密封在第一玻璃容器内部的第二全反镜、激光能量监视器、前向散射光收集透镜、窄带滤光片、第三全反镜、第一会聚透镜、分束棱镜、第一光电探测器、小孔光阑和第二光电探测器，第一玻璃容器包括第一窗口玻璃；后向散射探测单元包括密封在第二玻璃容器内部的第一后向散射光收集透镜、第二会聚透镜、第二后向散射光收集透镜、偏振分束棱镜、第三会聚透镜、平行偏振探测器、第四会聚透镜、垂直偏振探测器，第二玻璃容器包括第二窗口玻璃；

所述激光器发射的激光依次通过偏振片、半波片到达第一全反镜，第一全反镜将激光反射到第一窗口玻璃和第二窗口玻璃的中心位置，并产生前向散射光和后向散射光；

所述前向散射光通过第一窗口玻璃后，一部分经第二全反镜传输至激光能量监视器进行能量监视，另一部分由前向散射光收集透镜收集，并经窄带滤光片后由第三全反镜引入第一会聚透镜进行会聚，会聚的散射光由分束棱镜分为3:1，其中，25％进入第一光电探测器，75％经小孔光阑进入第二光电探测器；

所述后向散射光通过第二窗口玻璃后，由第一后向散射光收集透镜收集，经第二会聚透镜和第二后向散射光收集透镜构成的望远镜后，由偏振分束棱镜分为平行偏振光和垂直偏振光，平行偏振光经第三会聚透镜后由平行偏振探测器进行探测，垂直偏振光经第四会聚透镜后由垂直偏振探测器进行探测；

所述第一光电探测器、第二光电探测器、平行偏振探测器、垂直偏振探测器分别与四通道采集卡连接，四通道采集卡与数据处理单元连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一窗口玻璃、第二窗口玻璃均为石英平板。

作为本实用新型的一种优选方案，所述激光器波长为660nm，输出功率为120mW。

作为本实用新型的一种优选方案，所述前向散射光收集透镜所成的接收立体角为4-14°，第一后向散射光收集透镜所成的接收立体角为146-176°。

作为本实用新型的一种优选方案，所述窄带滤光片的中心透过波长为660nm，带宽为10nm，带宽内透过率为90％。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第一全反镜、第二全反镜和第三全反镜均为660nm的45°全反。

作为本实用新型的一种优选方案，所述小孔光阑的尺寸为200μm*200μm。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型利用粒子的退偏确定粒子相态，和传统的云粒子探测器相比加入了偏振的因素，建立的云粒子探测系统具有云滴和冰晶的区分能力，并且现代激光技术和探测技术为本实用新型提供了可行性，目前偏振激光器的偏振纯净度可以达到100:1，偏振分束镜的隔离度可以达到1000:1，都为偏振探测提供便利。

2、本实用新型综合利用实测前向散射和退偏结果，得到云滴和冰晶的粒径谱分布，从而得到云中固态水含量和液态水含量，实现云滴与冰晶的分相态定量探测。

附图说明

图1是本实用新型基于偏振探测的云粒子探测系统的光路示意图。

图2是本实用新型基于偏振探测的云粒子探测系统的流程图。

图3是现有的前向散射机载云粒子探测器对液滴的响应曲线。

图4是粒子等效半径为0.5微米，横纵比为2的非球形粒子和球形粒子的退偏与散射角的关系。

图5是粒子等效半径为0.5微米时，在后向散射方向不同形状粒子退偏与其横纵比的关系。

其中，1-激光器、2-偏振片、3-半波片、4-第一全反镜、5-第一窗口玻璃、6-第二全反镜、7-激光能量监视器、8-前向散射光收集透镜、9-窄带滤光片、10-第三全反镜、11-第一会聚透镜、12-分束棱镜、13-第一光电探测器、14-小孔光阑、15-第二光电探测器、16-第二窗口玻璃、17-第一后向散射光收集透镜、18-第二会聚透镜、19-第二后向散射光收集透镜、20-偏振分束棱镜、21-第三会聚透镜、22-平行偏振探测器、23-第四会聚透镜、24-垂直偏振探测器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型基于偏振探测的云粒子探测系统，实现云滴与冰晶的分相态定量探测，该系统包括产生偏振光的激光发射光学单元、前向散射探测单元、后向散射探测单元、四通道采集卡以及数据处理单元，如图1、图2所示，其中，四通道采集卡和数据处理单元图中未画出。

激光发射光学单元包括：一台光电二极管高功率激光器1、偏振片2、半波片3和第一全反镜4。

前向散射探测单元包括：第一窗口玻璃5、第二全反镜6、激光能量监视器7、前向散射光收集透镜8、窄带滤光片9、第三全反镜10、第一会聚透镜11、分束棱镜12、第一光电探测器13、小孔光阑14和第二光电探测器15。

后向散射探测单元包括：第二窗口玻璃16、第一后向散射光收集透镜17、第二会聚透镜18、第二后向散射光收集透镜19、偏振分束棱镜20、第三会聚透镜21、平行偏振探测器22、第四会聚透镜23、垂直偏振探测器24。

光电二极管高功率激光器1发射的激光，通过旋转偏振片2使透振方向平行于激光的偏振方向，可以压缩激光的垂直分量，得到更为纯净的偏振光，减少背景噪声；半波片3用于旋转激光的偏振方向，使发射激光与后续的偏振分束棱镜20相匹配，从而发射激光能顺利通过偏振分束棱镜20发出，并且后向散射光能经过偏振分束棱镜20进入各自的探测器平行偏振探测器22和垂直偏振探测器24，第一全反镜4将激光反射至测量区域中间即第一窗口玻璃5、第二窗口玻璃16之间中心位置。

通过第一窗口玻璃5后的前向散射光4-14°由前向散射光收集透镜8收集，0-4°的前向散射光经第二全反镜6传输至激光能量监视器7进行能量监视，收集的前向散射光经窄带滤光片9后由第三全反镜10引入第一会聚透镜11，会聚的散射光由能量分束棱镜12分为3:1，25％的前向散射光进入探测通道光电探测器13结合标定时系统响应曲线得出粒子的尺寸，系统响应曲线通过以下方法获得：选用不同尺寸的标准玻璃球粒子，将相同尺寸的玻璃球粒子送入探测系统，每次送入多个玻璃球粒子，测量通道光电探测器用于确定该尺寸粒子的响应幅度，根据该响应幅度，按照米散射转化到系统对水的响应幅度，该部分内容通用于现有的前向散射云粒子探测器。

75％的前向散射光经小孔光阑14进入质量控制通道光电探测器15用以区分云粒子的位置来决定该粒子是否被记录，当粒子从测量区域的中心位置通过时，此时光被聚焦的很小，能够顺利通过小孔，随着粒子进入光路的位置偏离中心位置，成像变大，导致部分光被小孔光阑挡住，偏离中心位置处越多，被挡住的光也就越多，导致质量控制通道光电探测器15和探测通道光电探测器13的输出变为1:1，此时粒子经过的路径为测量敏感区域的最边缘。

通过第二窗口玻璃16的后向散射光146-176°由第一后向散射光收集透镜17收集，经第二会聚透镜18和第二后向散射光收集透镜19构成的望远镜系统后由偏振分束棱镜20将平行偏振和垂直偏振分开，分别经第三会聚透镜21和第四会聚透镜23会聚后由平行偏振探测器22和垂直偏振探测器24进行探测，分别获得平行偏振分量I_//和垂直偏振分量I_⊥，通过公式计算出退偏，其中，和分别为无粒子条件下平行偏振和垂直偏振的背景值。

通过T-矩阵法、有限差分时域法和几何光学算法等方法研究非球形粒子的散射特性，T-矩阵法通过以下方法计算：入射光束和散射光束的Stokes矢量通过一个4*4的穆勒矩阵F相联系，对于每一个散射角θ，有如下关系式：

其中，I_in、Q_in、U_in和V_in分别为入射光的4个Stokes参数；I_sc、Q_sc、U_sc和V_sc分别为散射光的4个Stokes参数；λ为波长；D为粒子到探测器的距离。

这里用4个Stokes参数I、Q、U、V来描述一束光的偏振态，其定义如下：

式中，和表示电场在x和y方向上的振幅，δ_x(t)和δ_y(t)表示该方向上的位相。

上述四个参量作为元素的列矩阵代表一个四维参量，称为斯托克斯Stokes矢量。[I Q U V]^T此组参量可以表示包括偏振度在内的任意偏振光的状态。I、Q、U、V都具有光强度的量纲。I-表示总光强度；Q-表示X轴方向直线偏振光分量；U-表示45°方向直线偏振光分量；V-表示右旋圆偏振光分量。

与上述偏振光状态正交的垂直直线偏振光、-45°直线偏振光及左旋圆偏振光，则用Q、U、V的负值表示。

当激光偏振方向平行于散射截面时，散射光的平行分量和垂直分量可以写为：

当激光偏振方向垂直于散射截面时，散射光的平行分量和垂直分量可以写为：

平行偏振入射光的stokes参量：Q_in＝I_in，U_in＝V_in＝0；

垂直偏振入射光的stokes参量：Q_in＝-I_in，U_in＝V_in＝0；

则通过穆勒矩阵和入射光的Stokes参量相乘可以得到散射光的Stokes参量：

平行偏振入射光的散射光的stokes参量表示为：

垂直偏振入射光的散射光的stokes参量表示为：

波数k和波长λ之间可以通过公式进行换算，对于任意粒子方向都有F₂₁＝F₁₂。

平行偏振入射光的散射光的线性退偏比可以写为：

垂直偏振入射光的散射光的线性退偏比可以写为：

通过上述方法对不同形状、不同尺寸的粒子进行计算，得出其退偏，对于不同粒子模型建立偏振特性数据库。

图4给出了通过T-矩阵方法计算的粒子等效半径为0.5微米，横纵比为2的非球形粒子和球形粒子退偏与散射角的关系。其中球形粒子的退偏比较椭球形粒子以及圆柱形粒子的退偏比小了10个数量级。对这三种粒子后向散射角146°-176°的退偏求平均，得出该种椭球形粒子的退偏为0.227，该种圆柱形粒子的退偏为0.207，等效半径为0.5微米的球形粒子的退偏为2.51*10^-11，几乎接近于0，可以得出一个阈值来区分球形粒子和非球形粒子，考虑多种尺寸与形状的退偏不同，并且为了减少判断本实用新型使用退偏比0.01为阈值，小于该阈值为液态球形粒子，大于等于该阈值为固态粒子。

图5给出了通过T-矩阵方法计算的粒子等效半径为0.5微米时，在后向散射方向不同形状粒子退偏与其横纵比的关系，可以看出椭球粒子的形状在向球形粒子逼近时，退偏值也在向0逼近，但由于我们接收的立体角范围较大，也能保证固态与液态的区别。

系统对每个云粒子的散射信号信息采集，将后向散射模块得到的退偏与退偏阈值进行比较，当大于等于退偏阈值时为非球形粒子，即冰晶粒子；当小于阈值时，可判断为液态。

系统在两个方向上接收云粒子的散射，分别收集前向散射和后向散射，光电探测器将光信号转化为电信号，通过采样率为60M/s的四通道A/D采集卡根据采集信号，可以推断待测粒子的尺寸和相态。

基于偏振探测的云粒子探测系统光路，包括以下步骤：

1)光电二极管高功率激光器输出激光，输出功率为120mW，光斑大小为0.5mm；

2)转动偏振片获得与偏振分束镜相同纯净的偏振光；

3)使用45°第一全反镜将激光反射到测量敏感区域(第一窗口玻璃与第二窗口玻璃之间中心位置处)；

4)系统的敏感区域由景深限制小孔确定。将200μm*200μm小孔放在敏感区域中间位置，并将质量控制通道和测量通道两个通道的探测器链接在示波器上，用来显示其电压值。采用三维调整平台，将小孔微调至两个通道的电压都最大的位置，由于分光棱镜将会聚后的信号分为3:1两部分，透3反1，所以质量控制通道信号的变化大于探测通道信号的变化，此时两通道的比值最大为3:1，分别记录此时两通道的电压值，直到质量控制通道和探测通道的比值小于0.5为止。同样，类似的方法可以用于测量照射激光光束的有效宽度，进而确定系统的采样面积；

5)通过测量敏感区域后的激光直射光由45°第二全反镜反射至激光能量监视器进行监视；

6)前向散射接收器件通过窗口玻璃与外界空气隔离；

7)前向散射透镜收集14°以内的散射光信号；

8)利用窄带滤光片抑制收集的杂散光，增加信噪比；

9)使用全反镜将前向散射光全反；

10)前向散射光由会聚透镜进行会聚；

11)分束棱镜将聚焦后的前向散射光分为3:1两部分，分光棱镜透3反1；

12)分束棱镜反射部分对应质量控制通道，探测器前面放一小孔用于质量控制，透射部分直接由光电探测器探测。

13)后向散射部分光学元件通过窗口玻璃与外界大气隔离；

14)会聚透镜将后向散射光进行会聚；

15)一组望远镜系统进一步将后向散射光进行会聚；

16)偏振分束棱镜将聚焦后的后向散射光分为平行偏振光和垂直偏振光；

17)平行偏振光和垂直偏振光经会聚透镜会聚后分别由平行偏振探测通道和垂直偏振探测通道进行探测；

18)根据测量通道得到的结果，结合已研制的前向散射云粒子探测器对液滴的响应曲线(如图3所示)，查询出云粒子的尺度；

19)根据公式结合平行偏振通道和垂直偏振通道的探测结果计算粒子的退偏，与0.01的阈值进行对比，若大于等于该阈值，则定为冰晶，并在冰晶个数上加一，若小于该阈值，判断为液态水，并在云滴个数上加一；

20)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。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，包括产生偏振光的激光发射光学单元、前向散射探测单元、后向散射探测单元、四通道采集卡以及数据处理单元；其中，激光发射光学单元包括激光器(1)、偏振片(2)、半波片(3)和第一全反镜(4)；前向散射探测单元包括密封在第一玻璃容器内部的第二全反镜(6)、激光能量监视器(7)、前向散射光收集透镜(8)、窄带滤光片(9)、第三全反镜(10)、第一会聚透镜(11)、分束棱镜(12)、第一光电探测器(13)、小孔光阑(14)和第二光电探测器(15)，第一玻璃容器包括第一窗口玻璃(5)；后向散射探测单元包括密封在第二玻璃容器内部的第一后向散射光收集透镜(17)、第二会聚透镜(18)、第二后向散射光收集透镜(19)、偏振分束棱镜(20)、第三会聚透镜(21)、平行偏振探测器(22)、第四会聚透镜(23)、垂直偏振探测器(24)，第二玻璃容器包括第二窗口玻璃(16)；

所述激光器(1)发射的激光依次通过偏振片(2)、半波片(3)到达第一全反镜(4)，第一全反镜(4)将激光反射到第一窗口玻璃(5)和第二窗口玻璃(16)的中心位置，并产生前向散射光和后向散射光；

所述前向散射光通过第一窗口玻璃(5)后，一部分经第二全反镜(6)传输至激光能量监视器(7)进行能量监视，另一部分由前向散射光收集透镜(8)收集，并经窄带滤光片(9)后由第三全反镜(10)引入第一会聚透镜(11)进行会聚，会聚的散射光由分束棱镜(12)分为3:1，其中，25％进入第一光电探测器(13)，75％经小孔光阑(14)进入第二光电探测器(15)；

所述后向散射光通过第二窗口玻璃(16)后，由第一后向散射光收集透镜(17)收集，经第二会聚透镜(18)和第二后向散射光收集透镜(19)构成的望远镜后，由偏振分束棱镜(20)分为平行偏振光和垂直偏振光，平行偏振光经第三会聚透镜(21)后由平行偏振探测器(22)进行探测，垂直偏振光经第四会聚透镜(23)后由垂直偏振探测器(24)进行探测；

所述第一光电探测器(13)、第二光电探测器(15)、平行偏振探测器(22)、垂直偏振探测器(24)分别与四通道采集卡连接，四通道采集卡与数据处理单元连接。

2.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述第一窗口玻璃(5)、第二窗口玻璃(16)均为石英平板。

3.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述激光器(1)波长为660nm，输出功率为120mW。

4.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述前向散射光收集透镜(8)所成的接收立体角为4-14°，第一后向散射光收集透镜(17)所成的接收立体角为146-176°。

5.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述窄带滤光片(9)的中心透过波长为660nm，带宽为10nm，带宽内透过率为90％。

6.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述第一全反镜(4)、第二全反镜(6)和第三全反镜(10)均为660nm的45°全反。

7.根据权利要求1所述基于偏振探测的云粒子探测系统，其特征在于，所述小孔光阑(14)的尺寸为200μm*200μm。