[實用新型]基于偏振探測的云粒子探測系統

有效

• 申請號: 201720347670.X
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN206638586U
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 卜令兵;楊巨鑫;儲晨曦;黃興友;郜海陽
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 姜慧勤

技術領域

本實用新型涉及基于偏振探測的云粒子探測系統，具體涉及基于連續光半導體激光器、散射多角度接收、偏振探測的云粒子探測系統，屬于云粒子探測技術領域。

背景技術

云中小冰晶粒徑譜信息在云輻射學和云物理科學研究中具有重要地位。IPCC第五次評估報告中指出云在輻射強迫和氣候變化中的作用還存在很大的不確定性，不確定性的一個重要來源是冷云輻射導致的。冷云輻射特性不僅取決于冰水含量，還取決于其形狀和尺度譜分布信息，為深入認識其輻射傳輸特性，云中的冰晶信息是必不可少的物理參量，特別是對在云中占多數的小于50μm的冰晶粒子的認識尤為重要。在云物理學研究中，冷云也是人工影響天氣的主要對象，在降水的形成過程中扮演著重要角色。小冰晶在對流云冰晶形成過程中扮演重要的角色。云中冰晶無論是在冷云靜力催化還是在積云動力催化過程中，都直接影響著降水的形成。現代化云粒子探測技術促使人們對云物理過程有了進一步認識。但對小冰晶(過冷水)到降水的微物理這一過程的認識并不十分清晰。對這一過程的模型研究需要大量實驗數據作為支撐和驗證。使用地面云室可以在寬時間尺度內(幾個小時)研究冰核的發展和變化，但現代觀測要求時間尺度在分鐘量級，云室模擬無法完成，而且，云室環境與自然環境不可避免的存在一定的區別。機載云粒子觀測是云物理研究的另一重要手段，從四十年代首次進行機載收集冰晶試驗至今，機載觀測加深了人們對云物理科學的理解。但至今沒有相關的機載儀器，能夠觀測記錄到冷云中冰晶的發生、發展過程，導致人們在冷云中降水形成過程的理解上仍有很大的困難。如果能夠觀測到云中冰晶早期的形成過程，將突破我們對混合云中冰晶形成過程的認識，利于深入了解云內的微物理變化過程和機制。總之，冷云中冰晶信息對云輻射和云物理研究十分重要，但由于缺乏相應的機載探測儀器，開展冷云中小冰晶探測原理和方法方面的研究十分有必要，可再此基礎上建立機載小冰晶探測器，實現冷云中小冰晶的有效探測，解決目前對冰晶在云輻射和云物理認識的難題。

目前應用最廣泛的云微物理特性觀測機載儀器主要是基于單粒子散射技術和成像技術。其中50μm以內的云粒子主要使用散射法進行測量，該方法收集云粒子在一定空間立體角內的散射光能量，根據定標結果與球形粒子米散射原理計算云粒子的光學等效粒徑。該方法基于球形粒子的米散射原理，僅僅探測散射能量信息，不具有液態水與冰晶的區分能力，對冰晶測量時產生很大的誤差。基于成像技術的二維粒子探頭使用線陣探測器獲取每個粒子經過激光光束時的投影，考慮到探測器空間分辨率和AD轉化帶來的誤差，該儀器探測云粒子的尺度下限為100μm，也無法實現小尺寸冰晶觀測。Baumgardner 2001年報道了改進的散射式云粒子探測器，系統在接收云粒子前向散射的同時接收后向散射，根據前向散射和后向散射的比值判斷云粒子的相態，但由于云粒子米散射的振蕩性，導致前后向比值振蕩，影響粒子相態判斷的準確性。Lawson 2001年報道了一種高分辨率云粒子成像系統，該系統利用脈沖為20ns的激光器照射云粒子，使用CCD記錄云粒子成像，該系統測量的下限為25μm，并且CCD曝光速度為40Hz，遠不足以記錄云中小冰晶的分布。Fugal 2004年建立了用于在線云粒子測量的全息成像系統，由于CCD響應速度限制以及干涉過程中光場虛部引起的噪聲以及復雜的全息成像算法，使該系統在云粒子數濃度較大時產生很大的測量誤差。Hirst2001年報道了基于散射條紋的小冰晶探測器(SID：Small Ice Detector)，冰晶的散射條紋與云滴艾利條紋形狀相差很大，據此來判斷云粒子的相態，第一代SID使用6個探測器組成的線陣列，角分辨能力有限。Cotton 2010年報道了第二代冰晶探測器SID-2使用定制的同心圓分布的相函數探測器(32個探測器)，探測器的靈敏度也有了很大的提高，但當云粒子濃度超過20個/cm³時，SID-2不能分辨出單個粒子。第三代SID-3使用高分辨相機，對條紋進行二維成像得到高的角的分辨率，但由于相機的處理的速度較慢，當冰晶粒子濃度較大時，出現粒子簡并現象，實測粒子數小于實際粒子書。由于基于形狀檢測的相態區分方法會受到粒子簡并現象的限制，近年來科學家們又轉而研究利用偏振技術來區分粒子相態。

綜合國內外云粒子探測器發展情況，目前出現的小冰晶探測技術主要有散射比測量、全息成像、散射條紋成像三種。散射比測量方法受米散射相函數振蕩的限制，而成像技術由于成像探測器響應等原因，在冰晶粒子較多時會產生簡并現象，基于偏振探測的小冰晶探測則鮮有研究。因此，冰云或者混合相態云中小冰晶(小于50μm)的探測，仍是一個沒有解決的難題。

實用新型內容