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基于脉冲数字全息干涉术的云滴谱离散度研究.docx
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摘要
为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短
脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探
测云滴粒子的最小尺寸为 2 μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三
天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测
结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过
程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随
着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的
结论。
Abstract
In order to study the correlation between cloud droplet spectrum dispersion and cloud
microphysical parameters, an observation technique based on short pulse modulated
laser based on field programmable gate array, high resolution microscopic optical
system, and coaxial digital holographic interferometry is proposed. The minimum size of
cloud droplet detected by proposed technique is 2 μm, and the complete spectrum width
data of cloud droplet can be obtained. Under different aerosol concentrations for three
consecutive days in an expanding cloud chamber, the three-dimensional positions and
diameters of cloud droplets during the generation and elimination process are observed,
and the cloud microphysical parameters are calculated by using the observation results.
Furthermore, the positive correlation between the dispersion of cloud droplet spectrum
and cloud microphysical parameters in the process of generation and dissipation is
analyzed. By comparing the dispersion distribution of cloud droplet spectrum under
different aerosol number concentrations, it is concluded that with the increase of cloud
droplet concentration, the value range of the dispersion will gradually decrease, and the
dispersion will decrease relative to the fitting line.
1 引言
云降水是大气水循环的重要过程之一,对天气、气候、人工影响天气和大气化学都有着重要
的影响。云与降水相互影响机制是天气和气候模式中最不确定的因子之一,主要原因是对其
认识不充分,将理论仿真模型代入模式中会忽略部分实际情况,而现有的参数化方案中假设
参数过多,不足以描述云降水的关键过程,特别是云微物理过程。其中,云滴谱的离散度对于
参数化方案的研究起着非常重要的作用
[1-4]
。在数值模式中,离散度会影响云滴粒子的有效半
径,从而影响云的光学厚度并改变云直接反射的太阳辐射总量,进而影响云的光学特征。目
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489815/bg2.jpg)
前,国内外观测云微物理参量的主要仪器为陆基或机载的基于光散射或成像理论的云滴谱仪
[5-8]
,上述仪器均存在采样频率较低以及不能实现三维测量的瓶颈问题。特别的是,机载云滴
谱仪的采样频率为 1 Hz,当飞机以 50~100 m/s 的速度前进时,云滴谱仪仅能提供 50~100
m 距离内云滴谱的积分效果,在观测精度和尺度上存在的瓶颈使其无法分析云滴谱的精细结
构与时空演化规律。因此,受到云微物理参量测量手段的限制,目前云滴谱离散度的参数化
方案依然具有极大的不确定性。Martin 等
[9-11]
通过仿真计算得出了云滴数浓度与离散度呈正
相关;Ma 等
[12-13]
研究发现云滴数浓度与离散度呈负相关;Zhao 等
[14]
提出了随着云滴数浓度的
增加,云滴谱离散度的取值范围会逐渐减小。因此,云微物理参量观测手段所存在的瓶颈极
大地限制了离散度与云微物理间相互关系的获得,进而使参数化方案存在不足。
不同于光学全息干涉术,数字全息干涉术(DHI)极大地简化了全息图的记录和处理过程。由
于不需要银盐干板的湿处理,故采用 CCD(Charge Coupled Device)或
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)相机来拍摄数字全息图,因
此 DHI 拥有了快速、实时、无损和全场测量的优点
[15-19]
。随着 DHI 的迅速发展,其被视为实
时测量动态多参量物理场的潜在技术,在粒子场成像
[20-22]
、血红细胞成像
[23]
和超快过程成像
[24]
等科学领域得到了成功的应用。目前,利用 DHI 测量云微物理参数的研究中:Amsler 等
[25]
利用 DHI 在阿尔卑斯山的高海拔研究站进行观测,观测到了从 10 μm 到几毫米的云滴谱分
布;Fugal 等
[26]
研制了机载与陆基 DHI 成像设备并用于云微物理观测,将设计的设备放在飞
机、气象气球和气象塔式上,显著增加了原位云微物理观测的实用性和数据的丰富性;Beals
等
[27]
利用 DHI 研究了云滴谱在夹带和与纯净空气混合的响应,测量结果显示云与空气界面处
的响应存在尖锐的转变,局部云滴粒子的尺寸分布在数密度上波动较大,但平均直径几乎不
变。然而,在上述研究成果中,云滴粒子的最小探测尺寸为 7.5 μm,暖云中云滴粒子的分布区
间为 2~100 μm,由此可知上述方法难以提供完整的云滴谱数据。本文结合基于 FPGA(Field
Programmable Gate Array)的短脉冲调制激光、同轴 DHI 和基于 GPU 与 CPU 融合的多线
程计算技术,在 BACIC(Beijing Aerosol and Cloud Interaction Chamber)中实现了最小尺寸
(粒径为 2 μm)云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用上述数据获得了云微物理参量,进一
步分析了云滴谱离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的关系并获得了它们的相关
性。本文的研究成果可为提高对云降水过程的理论认识和参数化方案的开发奠定数据支持,
也可为天气、气候、人工影响天气和大气化学等领域的研究提供重要的技术支撑。
2 基本原理
同轴 DHI 由于具有光路简单和信息密度大的优点,以及在远场条件下记录的粒子孪生像干扰
较小的特点,故被广泛应用于三维动态物场的记录与重建。当利用光波照明粒子时,粒子的
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489815/bg3.jpg)
衍射光与未经调制的直透光形成干涉,利用 CCD 或 CMOS 来记录数字全息图。当测量路径
中包含 n 个粒子时,根据标量衍射理论,全息图重建平面的强度分布
[28]
可表示为
UR(u,v)=1jλ∫∫∞R(x,y)IH(x,y)×exp[jk(u−x)2+(v−y)2+z2R√](u−x)2+(v−y)2+z2R√dxdy,(1)UR(u,
v)=1jλ∫∫∞R(x,y)IH(x,y)×expjk(u-x)2+(v-y)2+zR2(u-x)2+(v-y)2+zR2dxdy,(1)
式中:(u,v)为重建平面坐标;(x,y)为全息图坐标;λ 为激光波长;R(x, y)为平面参考光波,值为
1;I
H
(x, y)为干涉条纹的强度;k 为波数;z
R
为重建距离。在重建距离平面上的粒子聚焦且可清
晰成像,其余位置的粒子离焦且成像呈现模糊状态。轮廓边界的本质:在粒子所处的环境中,
由于边界处的相态不同,所以复折射率也不同,因此在同轴 DHI 中重建获得的是粒子的数
量、三维空间位置和粒径。
利用同轴 DHI 获得云滴粒子的信息后,根据云微物理理论,数浓度 N
c
、平均直径 D
MVD
、含水
量 C
LWC
可表示为
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪Nc=∑i=1k'n'iDMVD=1N∑i=1k'diCLWC=43πρw∑i=1k'r3i,(2)Nc=∑i=1k'n'iD
MVD=1N∑i=1k'diCLWC=43πρw∑i=1k'r3i,(2)
式中:n'为每档粒子数浓度;k'为档的个数;d 为单个粒子直径;N 为单位时间内粒子个数;r 为每
档半径;ρ
w
为水的质量密度;下标 i 表示数据为第 i 档。云滴谱的离散度 ε 表征了云滴粒径的
离散程度和粒子谱的展宽程度,可表示为
ε=2σDMVD,(3)ε=2σDMVD,(3)
式中:σ 为标准差,可表示为
σ=[1Nc∑i=1k'(ri−DMVD2)2n'i]12
。
(4)σ=1Nc∑i=1k'ri-DMVD22n'i12。(4)
3 实验系统
BACIC 膨胀云室的工作方式是在水汽过饱和的前提下持续降低云室内的压强和温度,将气
溶胶作为云凝结核来产生云滴以模拟云雾的产生过程。图 1 展示了云室中利用脉冲 DHI 系
统测量云微物理参量的示意图,其中 ML 为显微镜头。光路中,利用波长为 532 nm 和重复频
率为 10 Hz 的脉冲激光器作为光源,为了消除全息图中高速运动粒子的拖尾现象,令脉冲激
光的脉宽为 0.15 μs。为了在不同环境下保证激光的稳定性,采用 99∶1 的分光棱镜将光源
分为两部分:1%的反射光由 PD(Photodiode)接收以测量激光的能量波动情况,然后反馈给激
光器控制电路,电路利用 PID(Proportion Integration Differentiation)算法来动态调整激光器
的驱动电流;99%的透射光经过由三片非球面透镜(L1~L3)组成的准直扩束系统后照射到被
测云粒子上。粒子的衍射光与未经调制的透射光形成干涉,经高分辨率、大景深的显微系统
放大(实际放大率为 5.89 倍)后被 CMOS(最大分辨率为 5120 pixel×5120 pixel,像素尺寸为
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