機載激光云粒子成像儀研制與校準(zhǔn)研究

曾 星，伍 波，史曉丁，樊 冬，呂明愛，張國娟，李少波，周 昕*

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610064;2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041)

引 言

如何準(zhǔn)確了解云系的結(jié)構(gòu)是人工影響天氣科學(xué)問題的關(guān)鍵［1］。利用飛機直接飛入云系內(nèi)部進(jìn)行有效的觀測，是近代云物理學(xué)一直采用的研究方法。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。早在1970年，KNOLLENBERG就介紹了采用線性陣列光電探測器對粒子的投影進(jìn)行成像，從而測量云與降水粒子譜分布的光電技術(shù)，并介紹了幾種云粒子成像儀器的測試和發(fā)展情況［2］。20世紀(jì)70年代，美國PMI公司研制了一套自動化的商用機載云粒子測量系統(tǒng)(particle measurement system，PMS)，可自動化連續(xù)取樣，實現(xiàn)實時記錄、處理和粒子成像顯示等功能。云粒子成像儀就是該套系統(tǒng)的重要組成部分之一。國外學(xué)者對云粒子成像儀行了大量深入的研究，如采用菲涅耳衍射理論分析了透明球體粒子的成像［3］;研究了成像儀采樣體積的空速校正問題［4］;提出了使用4級灰度圖像提高云滴尺度估算精度的方法［5］;研究了粒子衍射造成的測量誤差［6］;并通過云粒子成像儀的實際應(yīng)用進(jìn)行了誤差分析［7-9］。國內(nèi)氣象部門從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)PMS系統(tǒng)，2000年后引進(jìn)了DMT公司的粒子測量系統(tǒng)，使用云粒子成像儀開展了云微物理的觀測和研究［10］。近年來，國內(nèi)科研單位也開展了一些云粒子探測儀器和云與氣溶膠雷達(dá)的研究工作［11-15］，但少見云粒子成像儀研制的相關(guān)報道。

作者報道了一種采用64元高速并行光電探測器測量云粒子尺寸并成像的機載激光云粒子成像儀，可實現(xiàn)25μm～1550μm云粒子譜分布測量;研制了標(biāo)定裝置，通過標(biāo)準(zhǔn)圓點校準(zhǔn)了云粒子成像儀，該成像儀在機載測試中獲得了云粒子圖像。

1 測量原理與系統(tǒng)

1．1 測量原理

激光云粒子成像儀測量原理如圖1所示。激光云粒子成像儀采用635nm半導(dǎo)體激光器為光源，64×1線性陣列光電探測器接收信號。當(dāng)探測區(qū)域無粒子通過時，光源始終均勻照射在探測器陣列上。當(dāng)被測粒子通過探測區(qū)域時，經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)成像到探測器單元上形成陰影。在任一時刻，被遮擋的探測器單元記錄粒子的一個影像切片并被存儲，這樣當(dāng)粒子通過采樣區(qū)時，將會按照時間順序依次存儲各個影像切片，將此影像切片同步組合，便可以得到完整的粒子2維圖像。每個探測器單元有一定的尺度，正比于一定的粒子尺寸，單個粒子所有影像切片組合的最大值即對應(yīng)粒子的直徑。激光云粒子成像儀基于單粒子計數(shù)的基本原則，當(dāng)兩個粒子重疊經(jīng)過采樣區(qū)時，儀器將無法分辨而造成測量誤差，因此采樣區(qū)長度的需要根據(jù)實際云粒子的濃度設(shè)計，既要保證有足夠的粒子采樣率，同時也要將粒子重疊的可能性降到最低。

Fig.1 Measuring principle

1．2 系統(tǒng)構(gòu)成

Fig.2 Diagram of cloud particle imaging probe system

激光云粒子成像儀由帶尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器、光發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)、線性陣列光電探測器、數(shù)據(jù)處理模塊以及外圍模塊組成，如圖2所示。半導(dǎo)體激光器波長為635nm，最大輸出功率30mW，單模，輸出光纖纖芯直徑為4μm，數(shù)值孔徑為0.12。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)首先將激光準(zhǔn)直，然后通過光束整形為強度均勻的光束發(fā)射出去。激光束的發(fā)散角調(diào)試為3mrad，由于整個探測光路長度小于0.5m，而且在設(shè)計成像系統(tǒng)時也考慮到了激光束的發(fā)散角，因此在采用區(qū)內(nèi)激光束的發(fā)散角不會對粒子尺寸的測量產(chǎn)生影響。成像光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)云粒子的大小、像放大倍率及成像系統(tǒng)總長的要求，設(shè)計了兩個反射鏡形成180°轉(zhuǎn)折光路以縮短系統(tǒng)總長，兩個反射鏡之間的區(qū)域為云粒子采樣區(qū)。采樣區(qū)長度為80mm，采樣面積為120mm2。然后以消色差物鏡使光束匯聚，最后通過調(diào)節(jié)顯微成像物鏡放大倍率，使云粒子放大后成像在陣列探測器上，且像斑清晰。64元1維線性陣列探測器采用并行輸出方式，各個單元探測器同步輸出信號，單元探測器的響應(yīng)時間小于100ns，可以滿足云粒子的高速探測要求。單元探測器的寬度為310μm，對應(yīng)探測最小直徑為25μm的云粒子，因此成像光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率調(diào)節(jié)為12.4倍。為了消除從采樣區(qū)邊緣通過的粒子的影響，第1個和第64個探測單元不用于計算粒子的大小，因此一共有62個有效探測單元。探測粒子的分辨率為25μm，最大可探測直徑為1550μm的云粒子。陣列探測器每個探測單元有一定的尺度，通過計算被陰影遮擋的單元數(shù)可得到粒子的尺寸大小，探測單元被遮擋與否的量化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為其面積被遮擋的50%，等于或高于此標(biāo)準(zhǔn)即認(rèn)為被遮擋，這樣也從一定程度上過濾掉了那些尺度不夠的小粒子所產(chǎn)生的陰影對測量的影響。無云粒子通過采樣區(qū)時，激光一直照射在探測器上，各個單元輸出直流信號。當(dāng)云粒子穿過光束采樣區(qū)時，由于遮擋了部分光束，探測器各單元將根據(jù)遮擋情況輸出脈沖信號，各單元組合得到的脈沖波形與粒子的大小相關(guān)。每一路信號分別經(jīng)放大器放大后送入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列中的信號處理電路進(jìn)行相應(yīng)計算，計算出粒子的大小，并將不同大小的粒子歸入不同粒子尺度通道中，根據(jù)探測單元數(shù)設(shè)置了62個粒子尺度通道。信號處理時通過將各個時刻的信號組合得到粒子的2維圖像信息，并臨時儲存在內(nèi)存中。在達(dá)到規(guī)定的采集時間后，數(shù)據(jù)處理模塊將粒子的統(tǒng)計分布以及2維圖像數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到控制計算機上進(jìn)行顯示。由于圖像數(shù)據(jù)的存儲空間有限，在存儲空間裝滿后就無法繼續(xù)存儲圖像信息，直到圖像數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送并清空內(nèi)存后才能繼續(xù)存儲。外圍模塊包括了溫/濕度芯片、全球定位系統(tǒng)、空速計，分別獲取激光云粒子成像儀所處的環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)、地理位置信息，以及真空速。真空速數(shù)據(jù)將送入數(shù)據(jù)處理模塊計算粒子圖像，當(dāng)用于計算的空速大于飛行的實際空速時，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理模塊過采樣，粒子圖像被拉長;當(dāng)用于計算的空速小于實際空速時，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理模塊欠采樣，粒子圖像被壓短。由于機載設(shè)備對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高，在云粒子成像儀的研制過程中，根據(jù)適航要求，機械結(jié)構(gòu)外形設(shè)計為流線型，云粒子成像儀實物如圖3所示。內(nèi)部設(shè)計為高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，并對所用的重要光電元器件進(jìn)行了挑選。根據(jù)飛行環(huán)境的要求，進(jìn)行了低溫與振動檢驗。

Fig.3 Photo of cloud particle imaging probe

2 校準(zhǔn)實驗結(jié)果與分析

激光云粒子成像儀需要通過校準(zhǔn)的方式調(diào)試顯微成像物鏡的放大倍數(shù)，才能保證測量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)采用模擬圓形粒子通過儀器采樣區(qū)的方式。校準(zhǔn)裝置由校準(zhǔn)玻璃圓盤、電機、電機驅(qū)動器、調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。校準(zhǔn)玻璃圓盤上制作1組標(biāo)準(zhǔn)圓點，規(guī)格為25μm，50μm，125μm，250μm，500μm，1000μm，2000μm，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)圓點都位于同一圓心的圓周上。校準(zhǔn)時，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)使得標(biāo)準(zhǔn)圓點位于云粒子成像儀的采樣區(qū)內(nèi)，校準(zhǔn)盤轉(zhuǎn)動后，標(biāo)準(zhǔn)圓點依次切割探測光束，在探測器上成像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后傳輸?shù)接嬎銠C上進(jìn)行顯示，實時得到了標(biāo)準(zhǔn)圓點的2維圖像及單位時間內(nèi)的尺寸統(tǒng)計分布，如圖5、圖6所示。

Fig.4 Schematic diagram of a calibrated glass disk

Fig.5 Standard particle image

Fig.6 Particle size distribution

圖5 是激光云粒子成像儀測量的標(biāo)準(zhǔn)圓點的圖像。由于激光云粒子成像儀中緩存空間較小，采用只存儲有效的粒子圖像的原則，對兩個粒子圖像之間的無粒子數(shù)據(jù)不存儲、不顯示，因此顯示的粒子圖像是串聯(lián)在一起的。圖6顯示的是設(shè)定的采樣時間內(nèi)各尺度粒子的個數(shù)。縱坐標(biāo)為粒子數(shù)量，橫坐標(biāo)為粒子尺寸，單位μm，最小25μm，最大1550μm，共分為62個通道進(jìn)行粒子個數(shù)的統(tǒng)計。由圖6可知，250μm，500μm，1000μm這3種標(biāo)準(zhǔn)圓點的測試結(jié)果較好，測試偏差均為±25μm。2000μm直徑標(biāo)準(zhǔn)圓點由于超過量程，軟件默認(rèn)尺寸為 1550μm。而 25μm，50μm，125μm 標(biāo)準(zhǔn)圓點由于儀器分辨率的原因，測量結(jié)果互相重疊較多，但是從通道的粒子總數(shù)分析可知，對25μm，50μm，125μm標(biāo)準(zhǔn)圓點測量是基本準(zhǔn)確的，測量尺寸偏差不超過 ±25μm。

2013年10 月，云粒子成像儀安裝于山西省人工影響天氣中心的運十二作業(yè)飛機上，在太原市進(jìn)行了兩次機載探測試驗。試驗中，飛機飛行的海拔高度最高4100m，機外環(huán)境溫度最低-4℃。云粒子成像儀在實驗中探測到云中粒子，得到了云粒子的譜分布，顯示了相應(yīng)的2維圖像，如圖7所示。成功對云粒子進(jìn)行成像，充分說明了云粒子成像儀的可用性，下一步將進(jìn)行云粒子成像儀與國外同類儀器的機載對比探測試驗。

Fig.7 Airborne experiment data

3 結(jié)論

研制了一種機載激光云粒子成像儀，采用64元高速并行光電探測器測量云粒子尺寸并通過影像切片的技術(shù)實現(xiàn)粒子2維成像。研制了粒子尺寸校準(zhǔn)裝置，采用7種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)圓點校準(zhǔn)實時調(diào)試成像光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，系統(tǒng)校準(zhǔn)后實現(xiàn)了對25μm到1550μm標(biāo)準(zhǔn)圓點的尺寸測量和2維圖像顯示。在山西省太原市的機載試驗中成功探測到云粒子并實現(xiàn)成像。

［1］ TAO S W，LIU W G，LI N T，et al.A study of real-time identification of seedability of cold stratiform clouds［J］.Quarterly Journal of Applied Meteorology，2001，12(s1):14-22(in Chinese).

［2］ KNOLLENBERG R G.Optical array:an alternative to scattering or extinction for airborne particle size determination［J］.Journal of Applied Meteorology，1969，9(1):86-103.

［3］ KOROLEV A V，KUZNETSOV S V，MAKAROV Y E，et al.Evaluation of measurements of particle size and sample area form optical array probes［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1991，8(4):514-522.

［4］ BAUMGARDNER D，KOROLEV A V.Airspeed corrections for optical array probe sample volumes［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1997，14(5):1224-1229.

［5］ REUTER A，BAKAN A.Improvements of cloud particle sizing with a 2-D-grey probe［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1998，15(5):1196-1202.

［6］ KOROLEV A V，STRAPP J W，ISAAC G A.Evaluation of accuracy of PMS optical array probes［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1998，15(3):708-720.

［7］ JENSEN J B，GRANEK H.Optoelectronic simulation of the PMS 260X optical array probe and application to drizzle in a marine stratocumulus［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2002，19(5):568-585.

［8］ SMEDLEY A R D，SAUNDERS C P R，WEBB A R.Small-particle size determination by optical array probe oversampling［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2003，20(11):1568-1575.

［9］ FIELD P R，HEYMSFIELD A J，BANSEMER A.Shattering and particle interarrival times measured by optical array probes in ice clouds［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2006，23(10):1357-1371.

［10］ LIU W G，SU Z J，WANG G H.A new PMS particle detection system and its application［J］.Journal of Applied Meteorological Science，2003，14(s1):11-18(in Chinese).

［11］ BU L B，SHAN K L，HUANG X Y.Studies on probe of cloud droplet［J］.Chinese Journal of Lasers，2009，36(1):216-218(in Chinese).

［12］ BU L B，WANG M ，HUANG X Y，et al.Study of cloud droplet probe and its calibration［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(8):0808005(in Chinese).

［13］ BO G Y，LIU D ，WANG B X，et al.Two-wavelength polarization airborne lidar for observation of aerosol and cloud［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39(10):1014002(in Chinese)

［14］ HUANG X Y，CHANG Y N，BU L B.Development on one-dimensional probe of cloud droplet and its data analysis［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25(8):2101-2105(in Chinese).

［15］ BU L B，GAO A Z，YUAN J，et al．New cloud droplet probe and its first observation results［J］.Journal of Acta Photonica Sinica，2014，43(1):0101005(in Chinese).