[發(fā)明專利]前向散射云滴粒子探測器的標(biāo)定方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010244363.1
• 申請日: 2010-08-03
• 公開（公告）號: CN101936870A
• 公開（公告）日: 2011-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 卜令兵;黃興友
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儀器的標(biāo)定方法，尤其是涉及一種機(jī)載云粒子測量系統(tǒng)中前向散射云滴粒子探測器的標(biāo)定方法及裝置。

背景技術(shù)

隨著氣象科學(xué)研究的不斷深入與發(fā)展，氣象觀測能力和技術(shù)手段取得了巨大的進(jìn)步。然而，對于云、氣溶膠等粒子的微物理觀測，最為有效的方法是基于激光技術(shù)的直接測量儀器，其中激光粒子計(jì)數(shù)器是一種測量大氣中各種粒子粒徑及其分布的專用儀器，在環(huán)境監(jiān)測、空氣潔凈凈化和大氣科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。上世紀(jì)70年代以來，美國研制了一套自動(dòng)化的機(jī)載云粒子測量系統(tǒng)(PMS)，目前該套儀器在自動(dòng)化測量和探測精度的方面均有了很大的提高。我國雖然是人工影響天氣的大國，但不是強(qiáng)國，目前機(jī)載云滴粒子探測主要是從美國進(jìn)口。該測量系統(tǒng)包括四個(gè)大氣粒子采樣探頭分別覆蓋不同的測量范圍，該系統(tǒng)的總測量范圍為0.1-6200μm。前向散射云滴粒子探測器(FSSP)是PMS云滴粒子測量系統(tǒng)的四個(gè)探頭之一，其進(jìn)行云滴粒子測量的尺寸范圍為4-50μm。FSSP使用固體激光器作為激光照明光源，當(dāng)云中水滴、冰晶粒子穿過照明光束時(shí)，將光向4π方向散射，系統(tǒng)接收4-13°方向的前向散射光。收集的光能量按一定比例被送到質(zhì)量控制通道和測量通道，質(zhì)量控制用于確定粒子是否從設(shè)定的區(qū)域通過，測量通道則根據(jù)光電探測器輸出電信號的光脈沖幅度判斷粒子尺寸大小，處理電路同時(shí)具有光脈沖計(jì)數(shù)功能，因此，該系統(tǒng)可以測量粒子的粒徑分布。但FSSP作為一種精密儀器，測量結(jié)果經(jīng)常受到外界的影響。首先FSSP是基于激光的光學(xué)儀器，本身對準(zhǔn)精度要求高；其次，飛機(jī)在起飛或者著陸時(shí)，加速度或者顛簸會(huì)使系統(tǒng)的光學(xué)部件產(chǎn)生一定的形變，當(dāng)這種形變不能完全恢復(fù)時(shí)，會(huì)影響光路；再次，F(xiàn)SSP工作在云層中，難免玻璃窗口上結(jié)冰或者凝露，窗口污染導(dǎo)致激光的透過率降低，使測量的數(shù)值比實(shí)際值偏小。因此，為保證FSSP測量的準(zhǔn)確性，需要經(jīng)常對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

目前該儀器在出廠時(shí)由廠家進(jìn)行標(biāo)定，儀器的日常標(biāo)定則使用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)粒子進(jìn)行，這種標(biāo)準(zhǔn)粒子實(shí)際上是特殊加工的具有固定尺寸的玻璃球，日常標(biāo)定時(shí)，標(biāo)定者首先使FSSP進(jìn)入工作狀態(tài)，然后使用吸耳球?qū)S家提供的具有一定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)粒子吸入，最后將吸耳出氣嘴對準(zhǔn)FSSP的測量區(qū)域并將標(biāo)準(zhǔn)粒子噴出。標(biāo)準(zhǔn)粒子噴出后，查看儀器對粒子尺寸的輸出結(jié)果與實(shí)際尺寸是否相符，如果相符，該儀器可以觀測使用，如果不同，則需要根據(jù)實(shí)際情況對儀器進(jìn)行微調(diào)。這種標(biāo)定方法存在以下幾個(gè)方面的問題：首先，這種特殊加工的具有固定尺寸的玻璃球由于加工困難，造價(jià)十分昂貴；其次，即便是如此昂貴的玻璃球，也很難保證每個(gè)玻璃球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)球形和尺寸大小與標(biāo)稱相符，若玻璃球呈非球形，則會(huì)與FSSP的設(shè)計(jì)原理相悖，尺寸大小若與標(biāo)稱不同，同樣會(huì)帶來誤差；再次，利用玻璃球進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，玻璃球由吸耳球噴出，顯然，玻璃球的速度與實(shí)際測量過程中粒子速度相比差別很大，這個(gè)差別導(dǎo)致接收系統(tǒng)的光電信號時(shí)域特性不同，電信號在甄別之前要進(jìn)行放大，時(shí)域?qū)挾炔煌瑢?dǎo)致放大器對信號的放大能力不同，產(chǎn)生速度引起的誤差。最后，由于玻璃球粒子本身的差異，以及吸耳球操作過程中的差異，標(biāo)定過程的重復(fù)性差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、使用簡單并具有較高精度的前向散射云滴粒子探測器的標(biāo)定方法及裝置。

本發(fā)明的思路是根據(jù)前向散射云滴粒子探測器對粒子Mie散射與小孔光闌夫瑯和費(fèi)響應(yīng)的相似性，利用小孔光闌代替目前使用的玻璃球來進(jìn)行標(biāo)定；本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

一種前向散射云滴粒子探測器的標(biāo)定方法，其特征在于：使用一組孔徑范圍在5-50μm的小孔光闌模擬云滴粒子進(jìn)行標(biāo)定，具體為：

首先在前向散射云滴粒子探測器正常的情況下使小孔光闌按照不同的速度通過散射云滴粒子探測器的探測區(qū)域，得到散射云滴粒子探測器輸出的各速度下不同孔徑光闌的測量值，根據(jù)測量值得到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定曲線；

日常標(biāo)定時(shí)，使小孔光闌按照不同的速度通過散射云滴粒子探測器的探測區(qū)域，將散射云滴粒子探測器輸出的測量值與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定曲線進(jìn)行比較，如未超出預(yù)先設(shè)定的偏差，則說明前向散射云滴粒子探測器處于正常狀態(tài)，可進(jìn)行正常量測使用；如超出預(yù)先設(shè)定的偏差，則調(diào)整前向散射云滴粒子探測器的光學(xué)部分，直到其輸出與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定曲線吻合。

上述技術(shù)方案中的小孔光闌可以在5-50μm范圍內(nèi)選擇多個(gè)不同的尺寸，本發(fā)明選用孔徑分別為5μm，10μm，20μm、30μm、40μm、50μm的6個(gè)小孔光闌，采用成熟的激光打孔技術(shù)可以十分精確的將孔徑控制在極小的誤差范圍內(nèi)。