機載激光云粒子成像儀研制與校準研究

曾 星，伍 波，史曉丁，樊 冬，呂明愛，張國娟，李少波，周 昕*

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

引 言

如何準確了解云系的結構是人工影響天氣科學問題的關鍵［1］。利用飛機直接飛入云系內部進行有效的觀測，是近代云物理學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行成像，從而測量云與降水粒子譜分布的光電技術，并介紹了幾種云粒子成像儀器的測試和發展情況［2］。20世紀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(particle measurement system，PMS)，可自動化連續取樣，實現實時記錄、處理和粒子成像顯示等功能。云粒子成像儀就是該套系統的重要組成部分之一。國外學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用進行了誤差分析［7-9］。國內氣象部門從20世紀80年代開始引進PMS系統，2000年后引進了DMT公司的粒子測量系統，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的研究工作［11-15］，但少見云粒子成像儀研制的相關報道。

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25μm～1550μm云粒子譜分布測量;研制了標定裝置，通過標準圓點校準了云粒子成像儀，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

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半導體激光器為光源，64×1線性陣列光電探測器接收信號。當探測區域無粒子通過時，光源始終均勻照射在探測器陣列上。當被測粒子通過探測區域時，經由光學系統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，這樣當粒子通過采樣區時，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粒子的直徑。激光云粒子成像儀基于單粒子計數的基本原則，當兩個粒子重疊經過采樣區時，儀器將無法分辨而造成測量誤差，因此采樣區長度的需要根據實際云粒子的濃度設計，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 系統構成

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體激光器、光發射和接收光學系統、線性陣列光電探測器、數據處理模塊以及外圍模塊組成，如圖2所示。半導體激光器波長為635nm，最大輸出功率30mW，單模，輸出光纖纖芯直徑為4μm，數值孔徑為0.12。發射光學系統首先將激光準直，然后通過光束整形為強度均勻的光束發射出去。激光束的發散角調試為3mrad，由于整個探測光路長度小于0.5m，而且在設計成像系統時也考慮到了激光束的發散角，因此在采用區內激光束的發散角不會對粒子尺寸的測量產生影響。成像光學系統根據云粒子的大小、像放大倍率及成像系統總長的要求，設計了兩個反射鏡形成180°轉折光路以縮短系統總長，兩個反射鏡之間的區域為云粒子采樣區。采樣區長度為80mm，采樣面積為120mm2。然后以消色差物鏡使光束匯聚，最后通過調節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，對應探測最小直徑為25μm的云粒子，因此成像光學系統的放大倍率調節為12.4倍。為了消除從采樣區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可得到粒子的尺寸大小，探測單元被遮擋與否的量化標準設定為其面積被遮擋的50%，等于或高于此標準即認為被遮擋，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生的陰影對測量的影響。無云粒子通過采樣區時，激光一直照射在探測器上，各個單元輸出直流信號。當云粒子穿過光束采樣區時，由于遮擋了部分光束，探測器各單元將根據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。每一路信號分別經放大器放大后送入數據處理模塊進行數字化處理，經現場可編程門陣列中的信號處理電路進行相應計算，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，根據探測單元數設置了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，并臨時儲存在內存中。在達到規定的采集時間后，數據處理模塊將粒子的統計分布以及2維圖像數據通過串口發送到控制計算機上進行顯示。由于圖像數據的存儲空間有限，在存儲空間裝滿后就無法繼續存儲圖像信息，直到圖像數據向上位機發送并清空內存后才能繼續存儲。外圍模塊包括了溫/濕度芯片、全球定位系統、空速計，分別獲取激光云粒子成像儀所處的環境溫度、濕度數據、地理位置信息，以及真空速。真空速數據將送入數據處理模塊計算粒子圖像，當用于計算的空速大于飛行的實際空速時，將導致數據處理模塊過采樣，粒子圖像被拉長;當用于計算的空速小于實際空速時，將導致數據處理模塊欠采樣，粒子圖像被壓短。由于機載設備對系統的穩定性要求極高，在云粒子成像儀的研制過程中，根據適航要求，機械結構外形設計為流線型，云粒子成像儀實物如圖3所示。內部設計為高穩定性結構，并對所用的重要光電元器件進行了挑選。根據飛行環境的要求，進行了低溫與振動檢驗。

Fig.3 Photo of cloud particle imaging probe

2 校準實驗結果與分析

激光云粒子成像儀需要通過校準的方式調試顯微成像物鏡的放大倍數，才能保證測量的準確性。校準采用模擬圓形粒子通過儀器采樣區的方式。校準裝置由校準玻璃圓盤、電機、電機驅動器、調節機構組成。校準玻璃圓盤上制作1組標準圓點，規格為25μm，50μm，125μm，250μm，500μm，1000μm，2000μm，如圖4所示。標準圓點都位于同一圓心的圓周上。校準時，通過調節機構使得標準圓點位于云粒子成像儀的采樣區內，校準盤轉動后，標準圓點依次切割探測光束，在探測器上成像，經數據處理后傳輸到計算機上進行顯示，實時得到了標準圓點的2維圖像及單位時間內的尺寸統計分布，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準圓點的圖像。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據不存儲、不顯示，因此顯示的粒子圖像是串聯在一起的。圖6顯示的是設定的采樣時間內各尺度粒子的個數。縱坐標為粒子數量，橫坐標為粒子尺寸，單位μm，最小25μm，最大1550μm，共分為62個通道進行粒子個數的統計。由圖6可知，250μm，500μm，1000μm這3種標準圓點的測試結果較好，測試偏差均為±25μm。2000μm直徑標準圓點由于超過量程，軟件默認尺寸為 1550μm。而 25μm，50μm，125μm 標準圓點由于儀器分辨率的原因，測量結果互相重疊較多，但是從通道的粒子總數分析可知，對25μm，50μm，125μm標準圓點測量是基本準確的，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飛機上，在太原市進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，顯示了相應的2維圖像，如圖7所示。成功對云粒子進行成像，充分說明了云粒子成像儀的可用性，下一步將進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實現粒子2維成像。研制了粒子尺寸校準裝置，采用7種規格的標準圓點校準實時調試成像光學系統的放大倍數，系統校準后實現了對25μm到1550μm標準圓點的尺寸測量和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成像。

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