确定云的水滴大小分布的方法技术

在一个方面中，本发明专利技术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)]。

【技术实现步骤摘要】
确定云的水滴大小分布的方法
本专利技术涉及确定云的水滴大小分布（粒度分布）的方法。
技术介绍
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，liquidwatercontent）（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。
技术实现思路
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，dropletdiameter）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：用电磁辐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[ptotal(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[n(1)(D)]。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，medianvolumediameter）的第一估计值（DMVD(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DMVD(1)的值，以提供液滴中值体积直径的第二估计值DMVD(2)。利用DMVD(2)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n(2)(D)确定有效液滴直径（Deff），并利用Deff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DMVD(2)的值，从而提供液滴中值体积直径的第三估计值（DMVD(3)）。利用DMVD(3)和μ(1)来提供第三估计水滴大小分布[n(3)(D)]。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Deff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n条计算散射曲线来改变DMVD(n)的值，以提供液滴中值体积直径的第n+1个估计值（DMVD(n+1)），其中，n是大于3的整数。利用DMVD(n+1)和μ(1)提供第n+1个估计液滴大小分布[n(n+1)(D)]。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n+1条计算散射曲线，该第n+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n(n+1)(D)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。附图说明图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。应认识到，这些实施方式仅用于说明本专利技术的原理。对于本领域的技术人员来说，在不背离本专利技术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专利技术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10m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专利技术的目的一致的束。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专利技术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）本文档来自技高网...

【技术保护点】
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[ptotal(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)]。

【技术特征摘要】
2011.10.25 US 13/280,8771.一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，所述电磁辐射束包括从激光发出的束；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；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)；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；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；由n(1)(D)确定液滴中值体积直径的第一估计值DMVD(1)，并由n(1)(D)确定形状参数的第一估计值μ(1)；以及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DMVD(1)的值，以提供液滴中值体积直径的第二估计值DMVD(2)，并利用DMVD(2)和μ(1)提供第二估计液滴大小分布n(2)(D)，其中θ是视场角度，D是液滴的直径。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(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。3.根据权利要求2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DMVD(2)的值，以提供所述液滴中值体积直径的第三估计值DMVD(3)。4.根据权利要求3所述的方法，还包括利用DMVD(3)和μ(1)提供第三估计液滴大小分布n(3)(D)。5.根据权利要求4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(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。6.根据权利要求5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。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述截止角是电磁辐射束的发散角。8.根据权利要求6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。9.根据权利要求6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pdirect(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pscat(θ)。10.根据权利要求9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)scat(θ)。11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据以下函数来确定n(1)(D)：p(1)scat(θ)＝Sn(1)(D)其中，S是包含前向散射模型的矩阵。12.根据权利要求11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)total(θ)＝(S+C)n(1)(D)其中，C是包含直接反向散射模型的矩阵。13.根据权利要求11所述的方法，其中，根据以下等式来确定DMVD(1)：

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·D·雷，卡雷·J·安德森，迈克尔·P·内斯尼达尔，
申请(专利权)人：罗斯蒙德宇航公司，
类型：发明
国别省市：