[發明專利]云粒子譜分布測量方法及測量系統

有效

• 申請號: 201410066009.2
• 申請日: 2014-02-26
• 公開（公告）號: CN103868831A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 張紅霞;翟夢冉;呂且妮;劉京;賈大功
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06;G01N21/49
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 李益書;侯力

技術領域

本發明屬于云粒子譜分析與檢測技術領域，具體涉及一種應用于測量大氣中云粒子譜分布和判別云粒子相態的云粒子譜分布測量方法及測量系統。

背景技術

云微物理特征通常用云粒子譜分布(相態、尺度、濃度和含水量等)來描述。云粒子譜分布檢測是云物理學、大氣物理和大氣動力學等研究領域中的一個重要問題，可為人工影響天氣和中小尺度災害天氣的預測提供理論基礎。

已提出基于不同測量原理，適用于不同測量范圍的多種測量技術和方法。如基于光散射法的前向散射光譜儀FSSP?(Forward?Scattering?Spectrometer?probe)和基于數字全息的云微物理檢測。但已有研究多采用精度較低的成像法，根據光強信息確定云粒子粒徑，局限于球形粒子的單粒子測量方式，并且沒有給出云粒子相態的判別方法。專利CN102003936A利用全息技術，由側向散射顆粒全息圖，獲得粒子反射發光點和折射發光點的空間位置和散射光強比，從而獲得粒子的粒徑及復折射率。專利CN102175591A利用云粒子對激光的米氏前向散射信號，將信號分為兩路，分別進行粒度測量和景深內粒子判定，利用散射光強信息實現了云粒子粒徑的準確測量，但該方法的云粒子測量精度相對較低，且該專利沒有提出云粒子相態(液相/冰相)的有效判別方法。

云中水凝結物以粒子形式存在，云粒子根據其相態分為液相的云滴粒子和冰相的冰晶粒子。掌握云粒子相態的判別方法，有效區分液相云粒子和冰相云粒子，能夠實現對云粒子場結構組成的分析，有助于認識云的發展和演變規律，進而實現對氣候和降水的研究和有效預測，推進人工影響天氣裝備技術的進步。

發明內容

本發明目的是提供一種云粒子譜分布測量方法和測量系統，利用這一系統可以實現對云粒子尺度的測量以及相態的判別，進而實現對云粒子尺度分布和含水量等譜分布的自動測量，為云和降水微物理學，人工影響天氣提供技術支持。

本發明首先提供了一種云粒子譜分布測量系統，該系統包括片狀偏振激光束生成系統，粒子散射光探測系統和計算機系統；

片狀偏振激光束生成系統包括，片狀偏振激光束生成箱體，箱體內設置有激光器，以及依次沿激光器出射光光路上設置的擴束透鏡、針孔濾波器、準直透鏡、起偏器、凸柱面透鏡、凹柱面透鏡和第一反射鏡，位于第一反射鏡反射光路上的箱體上開設有一個出射窗，反射光經該出射窗入射到云粒子散射探測區域；?

粒子散射光探測系統包括，粒子散射光探測箱體，箱體上位于云粒子散射光線的光路上開設有一個入射窗，入射窗后的箱體內設置有第二反射鏡，在第二反射鏡反射光路上依次設置有成像鏡頭和分光棱鏡，在分光棱鏡的反射光路上設置有第一光電圖像探測器，該第一光電圖像探測器經導線與計算機系統連接，在分光棱鏡的透射光路上依次設置有退偏器和第二光電圖像探測器，該第二光電圖像探測器同樣經導線與計算機系統連接。

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其次，本發明還提供了一種采用以上所述測量系統的云粒子譜分布測量方法，該方法步驟如下：

第1、片狀偏振激光束生成系統的箱體中的激光器發出的激光束經擴束透鏡、針孔濾波器和準直透鏡準直為平面波，經起偏器形成線偏振光，再經凸柱面透鏡和凹柱面透鏡將光束壓縮為片狀光束，然后經過第一反射鏡由箱體的出射窗入射到云粒子散射探測區域；

第2、云粒子散射光由粒子散射光探測箱體上的入射窗入射到粒子散射光探測系統，然后云粒子散射光經粒子散射光探測系統中的第二反射鏡入射到成像鏡頭和分光棱鏡，分光棱鏡將云粒子散射光分為兩束，經分光棱鏡反射的光束直接用位于離焦像面的第一光電圖像探測器進行離焦干涉條紋的探測，經分光棱鏡透射的光束經退偏器，用位于相同離焦像面的第二光電圖像探測器進行離焦退偏干涉條紋的探測，第一光電圖像探測器和第二光電圖像探測器同時記錄的信號由導線發送到計算機系統中的圖像采集卡，并由計算機系統進行數據分析與處理；

第3、利用第一光電圖像探測器和第二光電圖像探測器采集的圖像信息，對云粒子散射探測區域內的每個粒子的離焦干涉條紋圖和退偏離焦干涉條紋圖進行位置匹配；利用離焦干涉條紋圖和退偏離焦干涉條紋圖對云粒子的相態進行判別：球形粒子和非球形粒子散射光的退偏特性不同，因而直接獲得的離焦干涉條紋圖和經過退偏器獲得的退偏離焦干涉條紋圖存在差異，通過兩干涉條紋圖的差異判定粒子為球形粒子還是非球形粒子，球形粒子為液相粒子即云滴，非球形粒子為冰相粒子；

第4、提取第一光電圖像探測器采集的離焦干涉條紋圖中每個粒子的條紋頻率，反演液相云粒子粒徑以及冰相云粒子等效尺寸；