機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)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)?？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(yùn)十二作業(yè)飛機(jī)上，在太原市進(jìn)行了兩次機(jī)載探測試驗。試驗中，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(jī)載對比探測試驗。

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(jī)載試驗中成功探測到云粒子并實現(xiàn)成像。

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