云粒子光散射特性及探测系统研究

【摘要】：为深入认识冷云辐射传输特性,云中冰晶粒子信息是必不可少的,特别是对在云中占多数的小于50μm的冰晶粒子的认识尤为重要。机载云粒子观测是研究云物理的一种重要手段,为研制出偏振云粒子探测器,本文介绍了粒子散射的基础理论并使用T矩阵等方法对典型的非球形粒子散射特性进行模拟,设计并搭建了一套偏振云粒子探测系统。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度上的退偏比和总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏大小来分辨球形粒子。同时计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测外,也可用于非球形粒子探测的形状及大小探测。进行了探测器的光路设计、机械结构设计、信号接收系统设计以及信号采集程序设计,研制了具有偏振探测能力的云粒子探测系统。探测系统使用单模光纤耦合激光光源波长为660nm,通过透镜组合,收集粒子的前向(4-14°)和后向(176-146°)散射光。完成的系统分为四个通道,分别为前向的质量控制通道和探测通道,后向的平行偏振通道和垂直偏振通道。最后进行了敏感区域标定,对球形和非球形粒子分别进行了探测实验,并分析了探测器的探测性能,实验结果表明所研制的探测系统具有一定的粒子探测能力。