干涉法测量云粒子谱分布的理论和实验研究

The cloud particle spectrum distribution characteristics reveal the physical mechanisms and laws of the cloud and precipitation processes, precipitation forecast, and weather plays an important role. Interferometric particle imaging method has been proposed to detect cloud particle spectrum distribution (phase, size, concentration and water content, etc.), which will provide a new diagnostic method to detect atmospheric particle. Based on Mie scattering theory and the generalized Mie scattering theory, small spherical particle diameter/ non-spherical particles of equivalent size and the interference fringes frequency relationship have been studied, which will solve the problem of cloud particle size measurement. The combination of the defocused interferogram and focused depolarization image has been used for cloud phase discrimination, and a high-precision particle matching algorithm and dynamic threshold discrimination method have been put forward. A new numbers of fringe/ fringe spacing extraction method has been proposed to solve the problem of particle size extracted from the disturbance interferograms. We will design the optimization of experimental optical system, carry out the cloud particle detection experiments, develop the image processing software package to automatic and accurate extract of the particle spectrum distribution information, and realize 0.5μm to 50μm cloud particle spectrum distribution measurement. The results can be used to cloud micro-physical detection, cloud and precipitation microphysics, artificial weather modification to provide technical support to promote the development of the discipline of atmospheric optics, atmospheric physics, atmospheric sounding and atmospheric chemistry.

云粒子谱分布特征对于揭示云和降水过程物理机制与规律，降水预报和人工影响天气具有重要的作用。本课题拟提出一种利用干涉粒子成像法检测云粒子谱分布（相态、尺度、浓度和含水量等）的方法，为大气粒子检测提供一种新的诊断方法。基于Mie理论和广义Mie 理论，研究小球形粒子尺寸/非球形粒子等效尺寸和干涉条纹频率关系，以解决云粒子尺寸测量问题。联合应用云粒子离焦干涉图和聚焦退偏像，提出高精度粒子匹配算法和动态阈值判别法，实现云相态判别。提出一种新的干涉图条纹数/条纹间距提取方法，以解决从扰动的干涉条纹图提取粒子信息问题。设计最优化的实验系统，开展云粒子检测实验，开发自动、高精度提取粒子谱分布信息的图像处理软件包，实现尺寸范围0.5微米 ~50微米云粒子谱分布测量和相态判别。其成果可用于云微物理量探测，为云和降水微物理学，人工影响天气提供技术支持，促进大气光学、大气物理学、大气探测和大气化学等学科的发展。

本课题提出了一种利用干涉粒子成像(IPI)法检测云粒子谱分布（相态、尺度、浓度和含水量等）的方法。采用几何光学近似模型(GOM)研究了非均匀粒子的散射特性，通过与Aden–Kerker法的计算结果对比，验证了GOM方法研究粒子散射特性的可行性。基于均匀球形粒子的散射偏振特性，利用COMSOL软件推导了非球形粒子和非均匀粒子的散射偏振特性，提出了基于偏振特性的粒子形状判别方法，采用热拉伸的方法，用球形粒子制备了椭球粒子样品，实现了球形和椭球粒子判别的实验和算法，解决了粒子的相态判别问题。搭建并优化了干涉粒子成像实验系统，利用Zemax软件模拟分析了样品池不同摆放角度对干涉条纹图像的影响，通过实验与数据分析确定了合理的样品池摆放方式。为了实现粒子的浓度测量，研究了聚焦和离焦IPI系统的采样体积。推导了采样体积的计算公式，搭建聚焦和离焦IPI实验系统，采集网格标定板图像，实验验证了聚焦IPI系统的采样体积；在离焦IPI系统中，分析了离焦条纹圆尺寸与后向离焦距及其在CCD靶面上位置的关系，推导了离焦IPI系统采样体积的计算公式，并提出了粒子是否在采样体积内的判别方法，从理论和实验实现了不同浓度粒子场的测量。提出了迭代均值滤波方法，混合粒子场的测量误差由12%降到5%，解决了从扰动的干涉条纹图提取粒子信息问题。设计、搭建、调试和完善了实验光路系统，分别搭建了双光路测量系统和云室粒子测量系统，开发自动、准确提取粒子场信息的图像处理软件包，实现了球形和椭球混合粒子、球形粒子混合场的谱分布测量。已录用和发表5篇SCI论文（3篇二区，2篇三区），二审论文1篇，即将投稿2篇论文，已申请国家发明专利7项（授权1项）。该项目可用于云微物理量探测，对揭示云和降水过程物理机制与规律，降水预报和人工影响天气具有重要的作用，在其他粒子场测量中同样具有广阔的应用前景。