[发明专利]通过激光雷达反向散射中的统计波动的大液滴检测

说明书

一种光学检测大气中双峰液滴粒度分布的存在的方法。所述方法包括监视从导入云中的一系列脉冲激光束接收的反向散射信号中的统计波动以及分析所述反向散射信号的波动的所述统计值以识别较大直径液滴的存在。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及传感器，例如在飞机上的飞行传感器，并且更具体来说涉及检测具有双峰液滴粒度分布的云。

2.相关技术描述

检测机载液滴及其根据液滴粒度的分类是在飞机上的飞行传感器的重要功能。大液滴虽然在数量上比较小的液滴少得多，但是对于飞机结冰存在较大威胁。检测结冰云中的双峰液滴粒度分布的能力对于飞机结冰条件传感器是重要的。

光冰探测器(OID)是机载结冰条件传感器的实例，其具有两个不同波长(例如905nm和1550nm)的脉冲激光束。当将激光束导入云中时，分析来自液滴的反向散射的所接收的激光回波以估算中值体积直径(MVD)、最大液滴直径(D_max)和云的液态水含量(LWC)。每个激光脉冲一次采样许多不同的液滴粒度并且产生复合反向散射信号。用于将结冰云分类的当前方案是测量两个颜色比率(在905nm与在1550nm的反向散射光的强度的比率)、在905nm的光学消光系数和激光雷达比率(在905nm的光学消光与反向散射的比率)。

这三个测量值很好地用于将具有单一模式液滴粒度分布的云分类。然而，自然产生的云中的液滴粒度分布常常是双峰的，这主要归因于液滴凝聚。模式中的一个发生在小液滴直径(～10至20μm)，而较大的液滴根据云的性质在大于～40μm直径产生第二模式。因为小液滴更多，所以小液滴(无论其较小的横截面积)比大液滴产生更多的复合消光和反向散射。结果是即使双峰云中的较少的大液滴可以占总液态水含量的相当大的部分，消光、两个颜色比率和激光雷达比率还是由来自小液滴的散射控制。因此，本领域中仍需改进的系统和方法用于确定具有双峰液滴粒度分布的云中的大液滴的存在。

发明内容

本发明涉及使用光冰探测器(OID)检测云内的双峰液滴粒度分布的新的和有用的方法。

在本发明的一个方面中，公开了一种光学检测大气中双峰液滴粒度分布的存在的方法。该方法包括监视从导入云中的一系列脉冲激光束接收的反向散射信号中的统计波动以及分析反向散射信号的波动的统计值以识别较大直径液滴的存在。分析的步骤可包括计算反向散射信号的波动的特性大小并且识别大于通常用于单模小液滴云的反向散射信号的波动的那些以确定云是否存在双峰液滴粒度分布。该方法还可包括引导波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。计算的步骤还可包括通过光学接收器从激光束接收反向散射信号。

在本发明的另一个方面中，公开了一种光学检测云内的双峰液滴粒度分布的方法。首先，该方法包括将激光束导入云的空间体积。接着，测量从激光束接收的反向散射信号。监视反向散射信号中的统计波动并且计算来自被照明的云的平均反向散射信号。最后，识别超出阈值的反向散射信号波动以确定云的液滴粒度分布内的大液滴第二模式的存在。

在本发明的另一个方面中，识别大于40μm的第二液滴直径模式的存在。

在本发明的又一个方面中，发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。

在本发明的另一个方面中，通过光学接收器接收对应于激光束的反向散射信号。

在本发明的另一个方面中，公开了一种光学检测云内的双峰液滴粒度分布的装置。该装置包括被配置成将激光束导入云中的激光系统以及被配置成测量从激光束接收的反向散射信号的光学接收器。处理器被配置成分析被照明的云的体积内的反向散射信号的波动的统计值以区分具有双峰液滴粒度分布的云与具有单模粒度分布的云。该处理器被配置成计算反向散射信号的平均值并且识别超出阈值的反向散射信号的波动以确定在液滴直径分布中的大液滴的第二模式的存在。激光系统可发射波长在905nm和1550nm的脉冲激光束。