一種云粒子探測方法及探測器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可區(qū)分云粒子相態(tài)的云粒子探測方法及探測器。
【背景技術】
[0002]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。云覆蓋地球表面約60%_70%，云全球平均的凈輻射強迫大約是二氧化碳增多可能引起的溫室效應的4倍。眾多種類云中，冷云對地球輻射收支的影響尤為重要。IPCC第四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，不確定性的一個最主要來源是冷云輻射導致的。冷云輻射特性不僅決定于冰水含量，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(shù)的小于50 μπι的冰晶粒子的認識尤為重要。但目前由于缺乏相應的儀器，對云中小冰晶的觀測還存在一定的困難。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。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。從四十年代首次進行機載收集冰晶試驗至今，云物理的探測有了很大的進步，但在冷云中降水形成過程方面的理解上仍有很大的困難，對由過冷水到降水的微物理過程的認識不十分清晰。針對這一過程，人們使用一些復雜的數(shù)學模型對這一過程進行模擬，但至今沒有相關的機載儀器，能夠觀測記錄到這一現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的過程。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，深入了解云內(nèi)的微物理變化過程與機制。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，導致冷云輻射強迫的不確定性和對降水形成過程的認識不足。為此，開展冷云中小冰晶探測原理與方法方面的研究十分有必要，可在此基礎上建立機載小冰晶探測器，實現(xiàn)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中認識的困難。
[0003]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和成像技術。其中50μπι以內(nèi)的云粒子主要使用散射法進行測量，不具有液態(tài)水與冰晶的區(qū)分能力?；诔上窦夹g的二維粒子探頭使用線陣探測器獲取每個粒子經(jīng)過激光光束時的投影，考慮到探測器空間分辨和AD轉(zhuǎn)化帶來的誤差，該儀器探測云粒子的尺度下限為100 μπι。Baumgardaner 2001年報道了改進的散射式云粒子探測器，系統(tǒng)在接收云粒子前向散射同時，接收后向散射，根據(jù)前向散射和后向散射的比值判斷云粒子的相態(tài)，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(tài)判斷的準確性。Lwason 2001年報道了一種高分辨云粒子成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用脈沖微為20ns的激光器照射云粒子，使用CXD記錄云粒子成像，該系統(tǒng)測量的下限為25 μ m，并且C⑶曝光速度為40Hz。Fugal 2004年建立了用于在線云粒子測量的全息成像系統(tǒng)，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(tǒng)在云粒子數(shù)濃度較大時產(chǎn)生很大的測量誤差。Hirst 2001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(jù)此來判斷云粒子的相態(tài)根據(jù)，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(shù)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/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分辨，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(xiàn)粒子兼并現(xiàn)象，實測粒子數(shù)小于實際粒子數(shù)。我國對云物理的試驗研究大都以機載觀測和云室研究為主，其中機載云粒子探頭均為國外進口，在儀器維護及數(shù)據(jù)深入分析方面存在一定的困難。由于機載云粒子探測器對人工影響天氣和大氣物理學的重要性，國內(nèi)在機載觀測儀器技術、方法方面也開展了一系列的研究。胡敬2013報道完成了 “中兵新型人工影響天氣系統(tǒng)”，前向散射云粒子探測器是其人影系統(tǒng)的一部分。中國科學院大氣物理研究所在氣象行業(yè)專項的支持下，開展機載云粒子探測器技術方面研究，成功研制了二維云粒子探頭。卜令兵2014年研制了基于前向散射技術的一維云粒子探測器，該儀器安裝于山西省人工影響天氣基地運-12飛機上，獲得了云的粒徑譜分布。伍波等也利用前向散射技術原理，開展了一維粒子探頭研究。目前，國內(nèi)還未見有使用機載設備進行50 μπι以下的冰晶粒子研究方面的報道。
[0004]綜合國內(nèi)外云粒子探測器發(fā)展情況，目前出現(xiàn)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(shù)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(chǎn)生簡并現(xiàn)象。因此，冰云或者混合相態(tài)云中小冰晶(小于50 μπι)的探測，仍是一個沒有解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷，提供一種能有效探測混合相態(tài)云中小冰晶(小于50 μ m)的方法。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種云粒子探測方法，通過接收云粒子的后向散射信號，探測云粒子對激光的偏退情況，獲得云粒子相態(tài)；通過接收云粒子的前向散射信號，探測云粒子等效光學粒徑的大小。
[0007]本發(fā)明云粒子探測方法，利用非球形粒子計算理論，計算不同形狀的散射相函數(shù)、退偏度，形成非球形粒子散射的數(shù)據(jù)庫；當獲得的云粒子相態(tài)為冰晶時，結合所述非球形粒子散射的數(shù)據(jù)庫，比對云粒子對激光的退偏振度、前向散射信號，獲得云粒子等效光學粒徑的大小。
[0008]其中云粒子相態(tài)通過以下方法探測:將接收到的云粒子后向散射信號分成平行偏振信號和垂直偏振信號，計算兩者的信號比即為粒子的退偏振比，將計算得到的退偏振比與偏振比閥值進行比較，當大于偏振比閥值時為冰晶粒子，當小于偏振比閥值時為液態(tài)水粒子。由非球形理論計算得知，該偏振比閾值為0.2 ;
本發(fā)明還提供了一種可區(qū)分云粒子相態(tài)的偏振云粒子探測器，包括以下模塊:
激光發(fā)射模塊，用于產(chǎn)生偏振光；
激光接收模塊，包括前向激光接收模塊和后向激光接收模塊，分別用于接收云粒子前向散射信號和后向散射信號；
光電探測模塊，將通過激光接收模塊后的云粒子前向散射信號和后向散射信號轉(zhuǎn)換成電信號； 數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集光電探測模塊的信號；
系統(tǒng)控制模塊，對數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號進行分析。
[0009]其中，光電探測模塊包括測量探測器、質(zhì)量控制探測器、平行型后向散射偏振探測器和垂直型后向散射偏振探測器；前向散射信號的75%進入質(zhì)量控制探測器，25%進入測量探測器；后向散射信號分成平行偏振信號和垂直偏振信號后，分別進入平行型后向散射偏振探測器和垂直型后向散射偏振探測器。
[0010]激光發(fā)射模塊米用發(fā)射波長為685nm的單模二極管激光器。
[0011 ] 前向激光接收模塊包括前向散射光收集透鏡、前向散射光準直鏡和前向散射光分光棱鏡；前向散射信號依次通過前向散射光收集透鏡、前向散射光準直鏡和前向散射光分光棱鏡進入質(zhì)量控制探測器和測量探測器；后向激光接收模塊包括后向散射光收集透鏡、后向散射光準直鏡、濾光片和后向散射光分光棱鏡；后向散射信號依次通過后向散射光收集透鏡、后向散射光準直鏡、濾光片和后向散射光分光棱鏡進入平行型后向散射偏振探測器和垂直型后向散射偏振探測器。
[0012]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點:
1、使用前向散射以及后向散射的退偏情況對云粒子進行探測分析，能有效探測混合相態(tài)云中小冰晶(小于50 μ m)；
2、綜合利用實測前向散射和退偏振度共同反演冰晶的等效尺寸，能夠更科學、有效的描述云中的冰晶的粒徑譜分布；
3、本發(fā)明探測器進入開啟狀態(tài)，就可以進行全天候無人值守探測，探測更加方便、高效。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明云粒子探測方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明云粒子探測器的結構框圖；
圖3本發(fā)明探測器光路部分的結構示意圖。
[0014]圖中，1-質(zhì)量控制探測器，2-圓孔光闌，3-前向散射光分光棱鏡，4-測量探測器，5-前向散射光準直鏡，6-前向散射光收集透鏡，7-光陷講，8-全反鏡，9-激光發(fā)射器，10-后向散射光收集透鏡，11-后向散射光準直鏡，12-濾光片，13-后向散射光分光棱鏡，14-平行型后向散射偏振探測器，15-垂直型后向散射偏振探測器。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細描述。
[0016]實施例1
如圖2所不，本發(fā)明可區(qū)分云粒子相態(tài)的偏振云粒子探測器包括激光發(fā)射模塊、前向激光接收模塊、后向激光接收模塊、光電探測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)控制模塊。本發(fā)明激光發(fā)射模