曾 星，伍 波，史曉丁，樊 冬，呂明愛(ài)，張國(guó)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(wèn)題的關(guān)鍵［1］。利用飛機(jī)直接飛入云系內(nèi)部進(jìn)行有效的觀測(cè)，是近代云物理學(xué)一直采用的研究方法。對(duì)于云、氣溶膠等粒子的微物理觀測(cè)，最為有效的方法是基于激光技術(shù)的直接測(cè)量。早在1970年，KNOLLENBERG就介紹了采用線性陣列光電探測(cè)器對(duì)粒子的投影進(jìn)行成像，從而測(cè)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(cè)試和發(fā)展情況［2］。20世紀(jì)70年代，美國(guó)PMI公司研制了一套自動(dòng)化的商用機(jī)載云粒子測(cè)量系統(tǒng)(particle measurement system，PMS)，可自動(dòng)化連續(xù)取樣，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(guó)外學(xué)者對(duì)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(wèn)題［4］;提出了使用4級(jí)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(cè)量誤差［6］;并通過(guò)云粒子成像儀的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了誤差分析［7-9］。國(guó)內(nèi)氣象部門(mén)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)PMS系統(tǒng)，2000年后引進(jìn)了DMT公司的粒子測(cè)量系統(tǒng)，使用云粒子成像儀開(kāi)展了云微物理的觀測(cè)和研究［10］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研單位也開(kāi)展了一些云粒子探測(cè)儀器和云與氣溶膠雷達(dá)的研究工作［11-15］，但少見(jiàn)云粒子成像儀研制的相關(guān)報(bào)道。

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

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)

1．1 測(cè)量原理

激光云粒子成像儀測(cè)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(cè)器接收信號(hào)。當(dāng)探測(cè)區(qū)域無(wú)粒子通過(guò)時(shí)，光源始終均勻照射在探測(cè)器陣列上。當(dāng)被測(cè)粒子通過(guò)探測(cè)區(qū)域時(shí)，經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)成像到探測(cè)器單元上形成陰影。在任一時(shí)刻，被遮擋的探測(cè)器單元記錄粒子的一個(gè)影像切片并被存儲(chǔ)，這樣當(dāng)粒子通過(guò)采樣區(qū)時(shí)，將會(huì)按照時(shí)間順序依次存儲(chǔ)各個(gè)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(gè)探測(cè)器單元有一定的尺度，正比于一定的粒子尺寸，單個(gè)粒子所有影像切片組合的最大值即對(duì)應(yīng)粒子的直徑。激光云粒子成像儀基于單粒子計(jì)數(shù)的基本原則，當(dāng)兩個(gè)粒子重疊經(jīng)過(guò)采樣區(qū)時(shí)，儀器將無(wú)法分辨而造成測(cè)量誤差，因此采樣區(qū)長(zhǎng)度的需要根據(jù)實(shí)際云粒子的濃度設(shè)計(jì)，既要保證有足夠的粒子采樣率，同時(shí)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(cè)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(zhǎng)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(guò)光束整形為強(qiáng)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(gè)探測(cè)光路長(zhǎng)度小于0.5m，而且在設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)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(huì)對(duì)粒子尺寸的測(cè)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(zhǎng)的要求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)反射鏡形成180°轉(zhuǎn)折光路以縮短系統(tǒng)總長(zhǎng)，兩個(gè)反射鏡之間的區(qū)域?yàn)樵屏Ｗ硬蓸訁^(qū)。采樣區(qū)長(zhǎng)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(guò)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(cè)器上，且像斑清晰。64元1維線性陣列探測(cè)器采用并行輸出方式，各個(gè)單元探測(cè)器同步輸出信號(hào)，單元探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間小于100ns，可以滿足云粒子的高速探測(cè)要求。單元探測(cè)器的寬度為310μm，對(duì)應(yīng)探測(cè)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(guò)的粒子的影響，第1個(gè)和第64個(gè)探測(cè)單元不用于計(jì)算粒子的大小，因此一共有62個(gè)有效探測(cè)單元。探測(cè)粒子的分辨率為25μm，最大可探測(cè)直徑為1550μm的云粒子。陣列探測(cè)器每個(gè)探測(cè)單元有一定的尺度，通過(guò)計(jì)算被陰影遮擋的單元數(shù)可得到粒子的尺寸大小，探測(cè)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(guò)濾掉了那些尺度不夠的小粒子所產(chǎn)生的陰影對(duì)測(cè)量的影響。無(wú)云粒子通過(guò)采樣區(qū)時(shí)，激光一直照射在探測(cè)器上，各個(gè)單元輸出直流信號(hào)。當(dāng)云粒子穿過(guò)光束采樣區(qū)時(shí)，由于遮擋了部分光束，探測(cè)器各單元將根據(jù)遮擋情況輸出脈沖信號(hào)，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(hào)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(chǎng)可編程門(mén)陣列中的信號(hào)處理電路進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，計(jì)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(cè)單元數(shù)設(shè)置了62個(gè)粒子尺度通道。信號(hào)處理時(shí)通過(guò)將各個(gè)時(shí)刻的信號(hào)組合得到粒子的2維圖像信息，并臨時(shí)儲(chǔ)存在內(nèi)存中。在達(dá)到規(guī)定的采集時(shí)間后，數(shù)據(jù)處理模塊將粒子的統(tǒng)計(jì)分布以及2維圖像數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示。由于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間有限，在存儲(chǔ)空間裝滿后就無(wú)法繼續(xù)存儲(chǔ)圖像信息，直到圖像數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送并清空內(nèi)存后才能繼續(xù)存儲(chǔ)。外圍模塊包括了溫/濕度芯片、全球定位系統(tǒng)、空速計(jì)，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(jì)算粒子圖像，當(dāng)用于計(jì)算的空速大于飛行的實(shí)際空速時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理模塊過(guò)采樣，粒子圖像被拉長(zhǎng);當(dāng)用于計(jì)算的空速小于實(shí)際空速時(shí)，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(jī)載設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求極高，在云粒子成像儀的研制過(guò)程中，根據(jù)適航要求，機(jī)械結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)為流線型，云粒子成像儀實(shí)物如圖3所示。內(nèi)部設(shè)計(jì)為高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，并對(duì)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(dòng)檢驗(yàn)。

Fig.3 Photo of cloud particle imaging probe

2 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

激光云粒子成像儀需要通過(guò)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(cè)量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)采用模擬圓形粒子通過(guò)儀器采樣區(qū)的方式。校準(zhǔn)裝置由校準(zhǔn)玻璃圓盤(pán)、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。校準(zhǔn)玻璃圓盤(pán)上制作1組標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)，規(guī)格為25μm，50μm，125μm，250μm，500μm，1000μm，2000μm，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)都位于同一圓心的圓周上。校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使得標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)位于云粒子成像儀的采樣區(qū)內(nèi)，校準(zhǔn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)依次切割探測(cè)光束，在探測(cè)器上成像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)得到了標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)的2維圖像及單位時(shí)間內(nèi)的尺寸統(tǒng)計(jì)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(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)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(chǔ)有效的粒子圖像的原則，對(duì)兩個(gè)粒子圖像之間的無(wú)粒子數(shù)據(jù)不存儲(chǔ)、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(shí)間內(nèi)各尺度粒子的個(gè)數(shù)?？v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(gè)通道進(jìn)行粒子個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。由圖6可知，250μm，500μm，1000μm這3種標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果較好，測(cè)試偏差均為±25μm。2000μm直徑標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)由于超過(guò)量程，軟件默認(rèn)尺寸為 1550μm。而 25μm，50μm，125μm 標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)由于儀器分辨率的原因，測(cè)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(duì)25μm，50μm，125μm標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)測(cè)量是基本準(zhǔn)確的，測(cè)量尺寸偏差不超過(guò) ±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(yùn)十二作業(yè)飛機(jī)上，在太原市進(jìn)行了兩次機(jī)載探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，飛機(jī)飛行的海拔高度最高4100m，機(jī)外環(huán)境溫度最低-4℃。云粒子成像儀在實(shí)驗(yàn)中探測(cè)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(duì)云粒子進(jìn)行成像，充分說(shuō)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(guó)外同類儀器的機(jī)載對(duì)比探測(cè)試驗(yàn)。

Fig.7 Airborne experiment data

3 結(jié)論

研制了一種機(jī)載激光云粒子成像儀，采用64元高速并行光電探測(cè)器測(cè)量云粒子尺寸并通過(guò)影像切片的技術(shù)實(shí)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(diǎn)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)25μm到1550μm標(biāo)準(zhǔn)圓點(diǎn)的尺寸測(cè)量和2維圖像顯示。在山西省太原市的機(jī)載試驗(yàn)中成功探測(cè)到云粒子并實(shí)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).