基于同轴数字全息的暖云云滴三维观测技术研究

作     者：赵成成 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王骏;陈佳宁

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0706[理学-大气科学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：同轴数字全息 暖云云滴 云微物理 云滴谱 云室观测 

摘      要：云微物理特性一直以来是大气物理研究的热点之一,而作为云微物理特性之一的云滴谱,对于研究气候变化、天气预测、人工影响天气、飞行安全等众多领域具有重要意义。目前基于碰撞取样式、光学散射式、直接成像式的云滴粒子探测方法,存在成像分辨率受限、需要假设粒子形状、无法得到云滴粒子三维分布等问题。对比目前的云滴粒子测量方法,同轴数字全息测量系统结构简单、分辨率高、记录和处理过程简便,应用于粒子场测量中,不受粒子形状限制、可以获得粒子形状、粒径及三维空间分布特征。论文采用同轴数字全息技术对云滴粒子进行观测,构建了一套同轴全息云滴粒子观测系统,采用分辨率板对系统分辨率进行了验证,系统分辨率达到2.19 μm;对数字全息术的常用再现方法,进行分析与比较,针对云滴粒子特性,选择利用卷积算法对全息图进行再现,结合粒子识别与信息提取算法,编译了一套云滴粒子观测软件;根据云滴粒子的实际观测环境,设计并实现了一套全息云(雾)滴谱仪原理样机,在云室中开展了验证实验。在云滴粒子观测软件中,为了改善全息图再现像质量,研究了利用图像处理方法,对全息图进行预处理操作,采用背景相减法和双边滤波法抑制相关噪声信号,通过滤波后全息图灰度直方图验证了此方法的有效性;为了提高再现全息图中粒子识别率与定位精度,采用了单一阈值法对粒子进行识别,并提出一种基于全息图灰度梯度方差方法,可有效提高粒子z轴的判焦精度。利用构建的同轴全息云滴粒子测量系统开展了相关实验,为了验证粒径观测的准确性,采用粒径为5 μm的玻璃微珠进行验证实验,实验结果符合标准粒径范围;为了在实验室中模拟液相云滴粒子,采用超声波雾化器产生中值直径3.9μm的液相粒子进行实验观测,得到了液相粒子的粒子谱及三维分布情况,实验结果与实际粒子谱相符。在云室实验中,为了满足云室观测需求,将实验室系统结构进行了优化设计。为避免采样区间内风速变化过大,影响采样区间内云滴粒子的原始分布,对外形结构进行了仿真分析,仿真结果符合预期设计需求;采用圆点标定板对该样机的测量精度进行了验证,结果表明测量精度较高;为了进一步验证该样机云滴直径观测的准确性,在云室稳定阶段,将原理样机与雾滴谱仪的粒径观测结果进行了比对,结果表明云滴直径变化趋势相符,验证了原理样机云滴直径观测的准确性。本论文开展的基于同轴数字全息的暖云云滴三维观测研究,可为研究暖云云滴谱分布、数浓度提供有效的支持,为人工影响天气领域研究提供重要的技术支撑。