异质核化中云滴相态识别方法与云室实验研究

作     者：杨晨遇 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王骏

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：同轴数字全息 粒子相态识别 冰晶 云微物理参数 

摘      要：云微物理过程是大气水循环中影响天气、气候和大气化学成分的重要过程之一。冰晶作为云滴谱的重要组成部分,全球气候变化、人工影响天气作业等与冰晶的影响息息相关。然而,目前,粒径为2～100μm的冰晶和液滴的混合相态很难区分,冰晶的微物理参数存在难以获取的瓶颈问题。同时,现有仪器的测量方法(如:碰撞采样、主动/被动遥感探测、偏振散射技术和光学成像等),存在将冰晶与液滴一同假设为球形采样、测量仪器结构缺陷和粒子相互作用而测量精度会受到影响等缺点。论文为了解决以上两个问题,主要的研究工作如下: 提出基于数字全息理论,利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和多角度包围粒子法,结合特定圆度概念,实现云中固液相粒子(液滴和冰晶混合)相态识别。再结合光学图像识别技术,获得冰晶粒子的形态学数据(周长、面积、凸包和最小外接矩形数据),进而获得固液分离粒子的云微物理参数。在剥离冰晶粒子之后,结合云微物理参数的理论计算公式,得到更加准确的液滴粒子平均直径和液水含量。 采用同轴数字全息技术对云滴进行观测,用卷积法对数字全息图进行再现。为了验证仪器及算法的可行性,对仪器进行了高低温测试(-35℃～40℃)、USAF1951分辨率板标定、2μm的点阵列衍射板标定、标准粒子标定和超声雾化器液相粒径标定。为验证论文提出的识别算法的准确性,设计并进行了云室中真实的冰晶和液滴的观测实验,实验中粒子以生物冰核为催化剂发生异质核化产生,实验结果表明识别算法实现了混合相中液滴和冰晶的准确识别。实验表明,在特定的圆度阈值下,液滴与冰晶粒子平均的识别率大于93%,得到了更准确的平均直径和液水含量。并且,获得了冰晶粒子的形态学数据,通过冰晶的形态学数据得到了冰晶的微物理参数。 在可以固定温度的冰云室中加入碘化银后,异质核化发生。通过观测不同温度下(-10℃、-15℃、-20℃、-25℃和-30℃)的异质核化过程,进一步验证了仪器及算法的适用性。分析对比测量结果,得到了不同温度下冰晶的形貌观测以及平均直径和液水含量。结果表明:随着温度降低,选取的加入碘化银催化剂1分30秒后1s内的冰晶含量增加,选取的从冰晶刚开始出现到持续1分钟内的冰晶含量增加快;并且,随着时间的增加,冰云室的冰晶含量也会增加。 论文开展的研究,提升了云中粒子的识别精度,对人工冷云降雨、飞机结冰预警、电线结冰预警具有的重大意义。同时,解决了冰晶现有观测技术无法区分相态,以及获取微物理参数完整度不高的瓶颈问题。