专利名称：确定云的水滴大小分布的方法
技术领域：
本发明涉及确定云的水滴大小分布(粒度分布)的方法。
背景技术：
空中水滴的检测及其分成小滴大小分布的分类在飞机的工作(运行)中是一项重要的功能。不同的云的形成可以呈现不同的水滴大小分布和相关的云液态水含量(含水量，水含量，liquid water content) (LWC),从而对飞机造成各种危险,例如结冰。可以以各种方式来确定或估计云的水滴大小分布和LWC。几种现有方法是基于衍射滴分级技术。然而，这种衍射分级技术由于大液滴的小角度散射而限于最大可检测的液滴直径。例如，用当前检测系统从激光束本身无法分辨大液滴以探测激光束的发散角内的角度所进行的衍射散射。结果，丢失了关于存在超过最大可分辨的直径的大液滴的分布的信息，可能导致在确定云的水滴大小分布和相关的LWC中出现误差。
发明内容
在一个方面中，本文描述了确定云的水滴大小分布的方法，该方法解决了存在超过最大可检测的液滴直径(水滴直径，droplet diameter)的液滴(水滴)的问题。此外,这里描述的方法考虑使用所确定的水滴大小分布来估计云的LWC。在一些实施方式中，确定云中的水滴大小分布的方法包括:用电磁福射束对云的深度进行采样；在一定范围的视场角上测量从云返回的电磁辐射的散射信号[Pt(rtal( Θ )]，以提供测量的散射曲线；去除测量的散射曲线的一部分；用剩余的测量散射曲线的外推代替所去除的部分，以提供估计的散射曲线；以及从估计的散射曲线中确定第一估计液滴大小分布[ηωΦ)]。在一些实施方式中,利用前向散射模型来确定第一估计液滴大小分布。在一些实施方式中，该方法进一步包括:利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(1)(D)提供计算的散射曲线，并将计算的散射曲线与测量的散射曲线比较，从而确定计算的散射曲线是否在规定公差内符合(follows)测量的散射曲线。在其中计算的散射曲线在规定公差内不符合测量的散射曲线的一些实施方式中，从n(1) (D)中推导出液滴中值体积直径(中位体积直径,median volume diameter)的第一估计值(0_(1))和形状参数的第一估计值(μ (1))。响应于在规定公差内不符合测量的散射曲线的计算的散射曲线来改变Dmvi^的值，以提供液滴中值体积直径的第二估计值D_(2)。利用和μ (1)来提供第二估计水滴大小分布[n(2) (D)]。利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(2) (D)提供第二计算散射曲线，并且将该第二计算散射曲线与测量的散射曲线比较，从而判断第二散射曲线是否在规定公差内符合测量散射曲线。在一些实施方式中，第二计算散射曲线在规定公差内符合测量散射曲线，并且，n(2) (D)说明了具有超过最大可检测的液滴直径的直径的水滴的分布。在这样的实施方式中，该方法可以进一步包括:利用η⑵(D)确定有效液滴直径(Drff),并利用Drff确定云的液态水含量。
可替换地，第二计算散射曲线在规定公差内不符合测量散射曲线，并且，该方法包括附加步骤。在一些实施方式中，例如，该方法进一步包括:响应于在规定公差内不符合测量散射曲线的第二计算散射曲线，改变D_(2)的值，从而提供液滴中值体积直径的第三估计值(D_(3))。利用D_(3)和μ (1)来提供第三估计水滴大小分布[η(3)⑶]。利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(3) (D)提供第三计算散射曲线，并且将第三计算散射曲线与测量散射曲线比较，以判断第三散射曲线是否在规定公差内符合测量散射曲线。在一些实施方式中，第三计算散射曲线在规定公差内符合测量散射曲线，并且，n(3)(D)说明了具有超过最大可检测的液滴直径的直径的水滴的分布。在这样的实施方式中，该方法可以进一步包括:利用n(3) (D)确定有效液滴直径(Deff)，并利用Drff确定云的液态水含量。可替换地，第三计算散射曲线在规定公差内不符合测量散射曲线，并且，该方法包括附加步骤。例如，在一些实施方式中，该方法是包括迭代步骤的迭代方法，重复该迭代步骤，直到计算散射曲线在规定公差内符合测量散射曲线为止。因此，在一些实施方式中，该方法进一步包括:响应于在规定公差内不符合测量散射曲线的第η条计算散射曲线来改变D_(n)的值，以提供液滴中值体积直 径的第η+1个估计值(D.^+1))，其中，η是大于3的整数。利用D_(n+1)和μ⑴提供第η+1个估计液滴大小分布[η(η+1)⑶]。利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(n+1) (D)提供第η+1条计算散射曲线，该第η+1条计算散射曲线在规定公差内符合测量散射曲线，并且，n(n+1) (D)说明了具有超过最大可检测的液滴直径的直径的水滴的分布。在一些实施方式中，该方法进一步包括:利用η(η+1)⑶确定Deff,并利用Deff确定云的LWC。在以下详细描述中更详细地描述这些和其他实施方式。
图1示出了根据这里描述的一些实施方式的测量散射曲线的一个实例。图2示出了图1的测量散射曲线，其中，已经根据这里描述的一些实施方式而去除了测量散射曲线的一部分。图3示出了图2的测量散射曲线，其中，已经根据这里描述的一些实施方式用剩余的测量散射曲线的外推代替了所去除的部分。图4是示出了这里描述的方法的一个实施方式的流程图。
具体实施例方式通过参考以下详细描述和附图，可以更容易地理解这里描述的实施方式。然而，这里描述的元件、设备和方法并不限于在该详细描述和附图中提供的具体实施方式
。应认识至IJ，这些实施方式仅用于说明本发明的原理。对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，许多改进和改造将是容易显而易见的。在一个方面中，这里描述了确定云的水滴大小分布的方法，该方法解决了存在超过最大可检测的液滴直径的液滴的问题。此外，这里描述的方法考虑利用所确定的水滴大小分布来估计云的LWC。现在转到这里描述的方法的具体步骤，这里描述的方法包括用电磁辐射对云的深度进行采样。可以用电磁辐射对云的与本发明的目的一致的任何深度进行采样。在一些实施方式中，对云的不大于以下距离的深度进行采样(对云采样至不大于以下距离的深度)，在该距离上，云是均质的(均匀的)或基本上均质的。在一些实施方式中，对云的可达约30米(m)的深度进行采样。在一些实施方式中，对云的可达约20m的深度进行采样。在一些实施方式中，对云的约IOm到约30m之间的深度进行采样。在一些实施方式中，对云的大于30m的深度进行采样。电磁辐射束可以包括任何与本发明的目的一致的束。在一些实施方式中，电磁辐射束包括从激光发出的束。在一些实施方式中，使该束极化(偏光，polarized)。在一些实施方式中，使该束线性极化或圆形极化。在一些实施方式中，该束包括脉冲激光束或连续波激光束。在一些实施方式中，使连续波激光束中断(改变方向)。此外，在一些实施方式中，从发光二极管发出电磁辐射束。电磁辐射束可以包括任何与本发明的目的一致的波长分布。在一些实施方式中，例如，该束是单色或基本上单色的束。在一些实施方式中，电磁辐射束具有电磁谱的红外(IR)区域中的波长，包括但不限于，谱的近红外(NIR)区域。在一些实施方式中，电磁辐射束具有谱的可见区域中的波长或谱的紫外(UV)区域中的波长。在一些实施方式中，电磁辐射束具有不被水吸收或基本上不被水吸收的波长。在一些实施方式中，电磁辐射束具有一个或多个落在不被水吸收的光学窗口中的波长。在一些实施方式中，例如，电磁辐射束具有约905nm的波长。此外，电磁辐射束可以具有任何与本发明的目的一致的功率。在一些实施方式中，电磁辐射束具有几mW或几十mW的功率。如这里描述的，在一定范围的视场(FOV)角度上测量从云返回的电磁辐射的散射信号[Pt(rtal(9)]，以提供测量散射曲线。可用任何适当的可用来分辨散射信号的角度相关性的检测器或检测系统来测量散射信号。在一些实施方式中，检测器包括固态光检测器，例如光电二极管阵列或同心光电二极管。在一些实施方式中，光电二极管包括娃(Si)、锗(Ge)、砷化镓铟(InGaxASh)、硫化铅(II) (PbS)以及它们的组合中的一种或多种。在一些实施方式中，检测器包括至少一个光敏元件和用于处理所述至少一个光敏元件的输出的一个或多个电路。在一些实施方式中，所述一个或多个电路包括滤波电路和/或放大电路。此外，在其上测量散射信号的FOV角度的范围可以包括任何与本发明的目的一致的FOV角度的范围。在一些实施方式中，FOV角度的范围是约Omrad(全角度)至大约60mrad，或约Omrad至约90mrad。在一些实施方式中，用一台设备来进行云的深度的采样并测量散射信号。在一些实施方式中，将用于采样云的深度并测量散射信号的设备与飞机接合。在一些实施方式中，在飞机正在飞行的同时，进行云的深度的采样并测量散射信号。在美国专利申请公开号2011/0019188中公开了用于采样云的深度并测量散射信号的非限制性设备，将该专利申请的全部内容结合于此以供参考。可替换地，可以用多于一台的设备来采样云的深度并测量散射信号。在适当的情况下，除了确定云的液滴大小分布和/或LWC以外，一个或多个用来采样云的深度并测量散射信号的设备还可以用来获得关于云的其他信息。此外，这里描述的方法包括去除测量散射曲线的一部分并用剩余的测量散射曲线的外推代替所去除的部分，以提供估计散射曲线。可以以任何与本发明的目的一致的方式去除并代替测量散射曲线的一部分。在一些实施方式中，例如，在小于截止角(遮光角，cut-off angle)的FOV角度处去除测量散射曲线。在一些实施方式中，截止角是电磁辐射束的发散角。在一些实施方式中，截止角比电磁辐射束的发散角大。可以根据各种考虑因素来改变截止角，包括但不限于，从测量散射曲线去除的直接反向散射和/或衍射散射的量。在一些实施方式中，测量散射曲线的所去除的部分包括与电磁辐射的直接反向散射相对应的信号[PdiMC;t( Θ )]，并且，剩余的测量散射曲线包括与电磁辐射的前向散射相对应的信号[PSMt(e)]。在一些实施方式中，测量散射曲线的所去除的部分包括与小于截止角的电磁辐射的直接反向散射相对应的信号。在一些实施方式中，选择截止角以确保去除所有或基本上所有的Pdirart (0) °此外，可以以任何与本发明的目的一致的方式外推剩余的测量散射曲线。在一些实施方式中，该外推包括线性外推。在一些实施方式中，该外推包括抛物线外推或单调外推。在一些实施方式中，该外推包括样条函数(spline function)。剩余的测量散射曲线的外推满足以下条件:在截止角处符合剩余的散射曲线并在Θ =0时消失。图1-3说明了测量散射曲线和测量散射曲线上的后续操作的一个非限制性实例，该操作用来去除曲线的一部分并用外推代替所去除的部分，从而提供估计散射曲线。如图1所示，小于截止角的FOV角度处的测量散射曲线是来自采样液滴的激光束的直接反向散射(虚线曲线)和液滴的前向衍射散射(实线曲线)的复合(三角形线)。去除小于截止角的FOV角度处的测量散射曲线，并用剩余的测量散射曲线的线性外推来代替，分别如图2和图3所示。线性外推满足与截止角处的剩余的 测量散射曲线重合或基本上重合并在θ=0时消失或基本上消失的边界条件，以完成估计散射曲线。从估计散射曲线中确定第一估计液滴大小分布[n(1) (D)]。可以以任何与本发明的目的一致的方式从估计散射曲线中确定n(1) (D)。在一些实施方式中，利用前向散射模型从估计散射曲线中确定n(1)(D)。在一些实施方式中，估计散射曲线提供电磁辐射的前向散射的第一估计值[P(1)sc;at(e)]，并且，根据以下函数来确定,⑶:P(1)scat( Θ )=Sn(1) (D)(I) 其中，S是包含前向散射模型的矩阵。可以使用任何适当的前向散射模型。例如，在Hogan, R.J.的“Fast approximate calculation of multiply scattered lidar returns(多次散射激光雷达回波的快速近似计算)”，Applied Optics, 2006,45 (23), pp.5984-5992)和 Eloranta, E.W.的“Practical model for the calculation of multiply scatteredlidar returns (用于多次散射激光雷达回波的计算的实际模型”，Applied Optics, 1998,37 (12) ,pp.2464-2472)中描述了适于在这里描述的一些实施方式中使用的前向散射模型，将它们的全部内容结合于此以供参考(在下文中，分别称作“Hogan”和“Eloranta”)。利用直接反向散射模型和前向散射模型从,⑶计算散射曲线。可以以任何与本发明的目的一致的方式，利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(1) (D)提供计算散射曲线。在一些实施方式中，根据以下函数来确定计算散射曲线:p(1)total(0) = (S+C)n(1) (D)(2)其中，C是包含直接反向散射模型的矩阵，而S是包含前向散射模型的矩阵。可使用任何适当的直接反向散射模型和前向散射模型。例如，在Hogan和Eloranta中描述了适于在这里描述的一些实施方式中使用的直接反向散射模型。此外，在一些实施方式中，矩阵C包括与电磁辐射束的发散、检测器光学装置的焦距和采样云范围的几何形状中的一个或多个相关的元素(要素)。将由n(1)(D)计算的散射曲线与测量散射曲线比较，以判断计算散射曲线是否在规定公差内符合测量散射曲线。可以以任何期望的方式管理曲线的比较。例如，在一些实施方式中，利用整个计算散射曲线和整个测量散射曲线进行比较。在一些实施方式中，仅将计算散射曲线的一部分与测量散射曲线的一部分进行比较。在一些实施方式中，例如，以小角度管理曲线的比较，例如以小于截止角的角度。此外，规定公差可以包括任何与本发明的目的一致的期望公差。在一些实施方式中，规定公差包括基于标准简化X平方测试的计算散射曲线与测量散射曲线之间的一致性，例如，如在 John Mandel, The Statistical Analysis of Experimental Data(实验数据的统计分析)，Dover Publications (多佛出版物)(1964)中讨论的,将其全部内容结合于此以供参考。可如下表示简化的X平方:
权利要求
1.一种确定云中的水滴的大小分布的方法，包括: 用电磁辐射束对云的深度进行采样； 在一定范围的视场角度上测量从云返回的电磁辐射的散射信号[pt(rtal( Θ )]，以提供测量散射曲线； 去除所述测量散射曲线的一部分； 用剩余的测量散射曲线的外推代替所去除的部分，以提供估计散射曲线；以及 利用前向散射模型从所述估计散射曲线确定第一估计液滴大小分布[n(1) (D)]。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(1)(D)提供计算散射曲线。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括将所述计算散射曲线与所述测量散射曲线进行比较，以确定所述计算散射曲线是否在规定公差内符合所述测量散射曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括由n(1)(D)确定液滴中值体积直径的第一估计值(0_(1))，并由η⑴⑶确定形状参数的第一估计值(μ (1))。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括响应于在规定公差内不符合所述测量散射曲线的所述计算散射曲线来改变D_(1)的值，以提供液滴中值体积直径的第二估计值D_(2)，并利用D_(2)和μ (1)提供第二估计液滴大小分布η(2)⑶。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括:利用直接反向散射模型和前向散射模型由η(2)(D)提供第二计算散射曲线，并将所述第二计算散射曲线与所述测量散射曲线进行比较，以确定所述第二计算散射曲线是否在规定公差内符合所述测量散射曲线。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括:响应于在规定公差内不符合所述测量散射曲线的所述第二计算散射曲线来改变的值，以提供所述液滴中值体积直径的第三估计值(Dmvd⑶)。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括利用Dmvi/3)和μω提供第三估计液滴大小分布[η(3) Φ)]。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括:利用直接反向散射模型和前向散射模型由η(3)(D)提供第三计算散射曲线，并将所述第三计算散射曲线与所述测量散射曲线比较，以确定第三散射曲线是否在规定公差内符合所述测量散射曲线。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在小于截止角的视场角度处去除所述测量散射曲线的一部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述截止角是电磁辐射束的发散角。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，剩余的测量散射曲线的外推满足以下条件:在所述截止角处符合剩余的散射曲线并在θ=0时消失。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述测量散射曲线的所去除的部分包括与电磁辐射的直接反向散射相对应的信号[Pdirert(θ )]，并且所述剩余的测量散射曲线包括与电磁辐射的前向散射相对应的信号[PSMt ( Θ )]。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述估计散射曲线提供所述电磁辐射的前向散射的第一估计值[P(1)sc;at(9)]。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，根据以下函数来确定ηα)(D):p(1)scat(0)=Sn(1) ⑶其中，S是包含前向散射模型的矩阵。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，根据以下函数来确定所述计算散射曲线: P(1)totai(0) = (S+C)n(1)⑶ 其中，C是包含直接反向散射模型的矩阵。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，根据以下等式来确定DmvDw:
18.根据权利要求15所述的方法，其中，根据以下等式来确定μ(1):
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第三计算散射曲线在规定公差内符合所述测量散射曲线，并且n(3) (D)说明了具有超过最大可检测的液滴直径的直径的水滴的分布。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，根据以下函数来确定所述第三计算散射曲线: P(U) = (S+C)n(3)(D)。
21.根据权利要求22所述的方法，还包括利用n(3)(D)确定有效液滴直径(Drff)。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括利用Drff确定云的液态水含量。
23.根据权利要求9所述的方法，还包括:响应于在规定公差内不符合所述测量散射曲线的第η条计算散射曲线来改变0_(")的值，以提供液滴中值体积直径的第η+1个估计值(D.—)，其中η是大于3的整数。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括利用D.—和μ(1)提供第η+1个估计液滴大小分布[η(η+1)⑶]。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括:利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(n+1) (D)提供第η+1条计算散射曲线，所述第η+1条计算散射曲线在规定公差内符合所述测量散射曲线。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括利用n(n+1)(D)确定有效液滴直径(Deff)。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括利用Drff确定云的液态水含量。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，在小于截止角的视场角度处去除所述测量散射曲线的一部分。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述截止角是电磁辐射束的发散角。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述测量散射曲线的所去除的部分包括与电磁辐射的直接反向散射相对应的信号[Pdirert ( Θ )]，并且剩余的测量散射曲线包括与电磁辐射的前向散射相对应的信号[PSMt ( Θ )]。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述估计散射曲线提供所述电磁辐射的前向散射的第一估计值[P(1)sc;at(θ)]。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，根据以下函数来确定ηα)(D):p(1)scat(0)=Sn(1)⑶其中，S是包含前向散射模型的矩阵。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，根据以下函数来确定所述计算散射曲线:P(1)totai(0) = (S+C)n(1)⑶其中，C是包含直接反向散射模型的矩阵。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，根据以下等式来确定DmvDw:
35.根据权利要求34所述的方法，其中，根据以下等式来确定μ(1):
全文摘要
在一个方面中，本发明提供了确定云的水滴大小分布的方法。在一些实施方式中，确定云中的水滴大小分布的方法包括用电磁辐射束对云的深度进行采样；在一定范围的视场角度上测量从云返回的电磁辐射的散射信号[ptotal(θ)]，以提供测量散射曲线；去除测量散射曲线的一部分；用剩余的测量散射曲线的外推代替所去除的部分，以提供估计散射曲线；并由估计散射曲线确定第一估计液滴大小分布[n(1)(D)]。
文档编号G01N1/10GK103072695SQ20121025872
公开日2013年5月1日 申请日期2012年7月24日 优先权日2011年10月25日
发明者马克·D·雷, 卡雷·J·安德森, 迈克尔·P·内斯尼达尔 申请人:罗斯蒙德宇航公司