確定云的水滴大小分布的方法技術

在一個方面中，本發明專利技術提供了確定云的水滴大小分布的方法。在一些實施方式中，確定云中的水滴大小分布的方法包括：用電磁輻射束對云的深度進行采樣；在一定范圍的視場角度上測量從云返回的電磁輻射的散射信號[ptotal(θ)]，以提供測量散射曲線；去除測量散射曲線的一部分；用剩余的測量散射曲線的外推代替所去除的部分，以提供估計散射曲線；并由估計散射曲線確定第一估計液滴大小分布[n(1)(D)]。

【技術實現步驟摘要】
確定云的水滴大小分布的方法
本專利技術涉及確定云的水滴大小分布（粒度分布）的方法。
技術介紹
空中水滴的檢測及其分成小滴大小分布的分類在飛機的工作（運行）中是一項重要的功能。不同的云的形成可以呈現不同的水滴大小分布和相關的云液態水含量（含水量，水含量，liquidwatercontent）（LWC），從而對飛機造成各種危險，例如結冰。可以以各種方式來確定或估計云的水滴大小分布和LWC。幾種現有方法是基于衍射滴分級技術。然而，這種衍射分級技術由于大液滴的小角度散射而限于最大可檢測的液滴直徑。例如，用當前檢測系統從激光束本身無法分辨大液滴以探測激光束的發散角內的角度所進行的衍射散射。結果，丟失了關于存在超過最大可分辨的直徑的大液滴的分布的信息，可能導致在確定云的水滴大小分布和相關的LWC中出現誤差。
技術實現思路
在一個方面中，本文描述了確定云的水滴大小分布的方法，該方法解決了存在超過最大可檢測的液滴直徑（水滴直徑，dropletdiameter）的液滴（水滴）的問題。此外，這里描述的方法考慮使用所確定的水滴大小分布來估計云的LWC。在一些實施方式中，確定云中的水滴大小分布的方法包括：用電磁輻射束對云的深度進行采樣；在一定范圍的視場角上測量從云返回的電磁輻射的散射信號[ptotal(θ)]，以提供測量的散射曲線；去除測量的散射曲線的一部分；用剩余的測量散射曲線的外推代替所去除的部分，以提供估計的散射曲線；以及從估計的散射曲線中確定第一估計液滴大小分布[n(1)(D)]。在一些實施方式中，利用前向散射模型來確定第一估計液滴大小分布。在一些實施方式中，該方法進一步包括：利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(1)(D)提供計算的散射曲線，并將計算的散射曲線與測量的散射曲線比較，從而確定計算的散射曲線是否在規定公差內符合（follows）測量的散射曲線。在其中計算的散射曲線在規定公差內不符合測量的散射曲線的一些實施方式中，從n(1)(D)中推導出液滴中值體積直徑（中位體積直徑，medianvolumediameter）的第一估計值（DMVD(1)）和形狀參數的第一估計值（μ(1)）。響應于在規定公差內不符合測量的散射曲線的計算的散射曲線來改變DMVD(1)的值，以提供液滴中值體積直徑的第二估計值DMVD(2)。利用DMVD(2)和μ(1)來提供第二估計水滴大小分布[n(2)(D)]。利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(2)(D)提供第二計算散射曲線，并且將該第二計算散射曲線與測量的散射曲線比較，從而判斷第二散射曲線是否在規定公差內符合測量散射曲線。在一些實施方式中，第二計算散射曲線在規定公差內符合測量散射曲線，并且，n(2)(D)說明了具有超過最大可檢測的液滴直徑的直徑的水滴的分布。在這樣的實施方式中，該方法可以進一步包括：利用n(2)(D)確定有效液滴直徑（Deff），并利用Deff確定云的液態水含量。可替換地，第二計算散射曲線在規定公差內不符合測量散射曲線，并且，該方法包括附加步驟。在一些實施方式中，例如，該方法進一步包括：響應于在規定公差內不符合測量散射曲線的第二計算散射曲線，改變DMVD(2)的值，從而提供液滴中值體積直徑的第三估計值（DMVD(3)）。利用DMVD(3)和μ(1)來提供第三估計水滴大小分布[n(3)(D)]。利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(3)(D)提供第三計算散射曲線，并且將第三計算散射曲線與測量散射曲線比較，以判斷第三散射曲線是否在規定公差內符合測量散射曲線。在一些實施方式中，第三計算散射曲線在規定公差內符合測量散射曲線，并且，n(3)(D)說明了具有超過最大可檢測的液滴直徑的直徑的水滴的分布。在這樣的實施方式中，該方法可以進一步包括：利用n(3)(D)確定有效液滴直徑（Deff），并利用Deff確定云的液態水含量。可替換地，第三計算散射曲線在規定公差內不符合測量散射曲線，并且，該方法包括附加步驟。例如，在一些實施方式中，該方法是包括迭代步驟的迭代方法，重復該迭代步驟，直到計算散射曲線在規定公差內符合測量散射曲線為止。因此，在一些實施方式中，該方法進一步包括：響應于在規定公差內不符合測量散射曲線的第n條計算散射曲線來改變DMVD(n)的值，以提供液滴中值體積直徑的第n+1個估計值（DMVD(n+1)），其中，n是大于3的整數。利用DMVD(n+1)和μ(1)提供第n+1個估計液滴大小分布[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條計算散射曲線，該第n+1條計算散射曲線在規定公差內符合測量散射曲線，并且，n(n+1)(D)說明了具有超過最大可檢測的液滴直徑的直徑的水滴的分布。在一些實施方式中，該方法進一步包括：利用n(n+1)(D)確定Deff，并利用Deff確定云的LWC。在以下詳細描述中更詳細地描述這些和其他實施方式。附圖說明圖1示出了根據這里描述的一些實施方式的測量散射曲線的一個實例。圖2示出了圖1的測量散射曲線，其中，已經根據這里描述的一些實施方式而去除了測量散射曲線的一部分。圖3示出了圖2的測量散射曲線，其中，已經根據這里描述的一些實施方式用剩余的測量散射曲線的外推代替了所去除的部分。圖4是示出了這里描述的方法的一個實施方式的流程圖。具體實施方式通過參考以下詳細描述和附圖，可以更容易地理解這里描述的實施方式。然而，這里描述的元件、設備和方法并不限于在該詳細描述和附圖中提供的具體實施方式。應認識到，這些實施方式僅用于說明本專利技術的原理。對于本領域的技術人員來說，在不背離本專利技術的精神和范圍的前提下，許多改進和改造將是容易顯而易見的。在一個方面中，這里描述了確定云的水滴大小分布的方法，該方法解決了存在超過最大可檢測的液滴直徑的液滴的問題。此外，這里描述的方法考慮利用所確定的水滴大小分布來估計云的LWC。現在轉到這里描述的方法的具體步驟，這里描述的方法包括用電磁輻射對云的深度進行采樣。可以用電磁輻射對云的與本專利技術的目的一致的任何深度進行采樣。在一些實施方式中，對云的不大于以下距離的深度進行采樣（對云采樣至不大于以下距離的深度），在該距離上，云是均質的（均勻的）或基本上均質的。在一些實施方式中，對云的可達約30米（m）的深度進行采樣。在一些實施方式中，對云的可達約20m的深度進行采樣。在一些實施方式中，對云的約10m到約30m之間的深度進行采樣。在一些實施方式中，對云的大于30m的深度進行采樣。電磁輻射束可以包括任何與本專利技術的目的一致的束。在一些實施方式中，電磁輻射束包括從激光發出的束。在一些實施方式中，使該束極化（偏光，polarized）。在一些實施方式中，使該束線性極化或圓形極化。在一些實施方式中，該束包括脈沖激光束或連續波激光束。在一些實施方式中，使連續波激光束中斷（改變方向）。此外，在一些實施方式中，從發光二極管發出電磁輻射束。電磁輻射束可以包括任何與本專利技術的目的一致的波長分布。在一些實施方式中，例如，該束是單色或基本上單色的束。在一些實施方式中，電磁輻射束具有電磁譜的紅外（IR）區域中的波長，包括但不限于，譜的近紅外（NIR）區域。在一些實施方式中，電磁輻射束具有譜的可見區域中的波長或譜的紫外（UV）本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種確定云中的水滴的大小分布的方法，包括：用電磁輻射束對云的深度進行采樣；在一定范圍的視場角度上測量從云返回的電磁輻射的散射信號[ptotal(θ)]，以提供測量散射曲線；去除所述測量散射曲線的一部分；用剩余的測量散射曲線的外推代替所去除的部分，以提供估計散射曲線；以及利用前向散射模型從所述估計散射曲線確定第一估計液滴大小分布[n(1)(D)]。

【技術特征摘要】
2011.10.25 US 13/280,8771.一種確定云中的水滴的大小分布的方法，包括：用電磁輻射束對云的深度進行采樣，所述電磁輻射束包括從激光發出的束；在一定范圍的視場角度上測量從云返回的電磁輻射的散射信號ptotal(θ)，以提供測量散射曲線；去除所述測量散射曲線的一部分；用剩余的測量散射曲線的外推代替所去除的部分，以提供估計散射曲線；利用前向散射模型從所述估計散射曲線確定第一估計液滴大小分布n(1)(D)；利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(1)(D)提供計算散射曲線；將所述計算散射曲線與所述測量散射曲線進行比較，以確定所述計算散射曲線是否在規定公差內符合所述測量散射曲線；由n(1)(D)確定液滴中值體積直徑的第一估計值DMVD(1)，并由n(1)(D)確定形狀參數的第一估計值μ(1)；以及響應于在規定公差內不符合所述測量散射曲線的所述計算散射曲線來改變DMVD(1)的值，以提供液滴中值體積直徑的第二估計值DMVD(2)，并利用DMVD(2)和μ(1)提供第二估計液滴大小分布n(2)(D)，其中θ是視場角度，D是液滴的直徑。2.根據權利要求1所述的方法，還包括：利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(2)(D)提供第二計算散射曲線，并將所述第二計算散射曲線與所述測量散射曲線進行比較，以確定所述第二計算散射曲線是否在規定公差內符合所述測量散射曲線。3.根據權利要求2所述的方法，還包括：響應于在規定公差內不符合所述測量散射曲線的所述第二計算散射曲線來改變DMVD(2)的值，以提供所述液滴中值體積直徑的第三估計值DMVD(3)。4.根據權利要求3所述的方法，還包括利用DMVD(3)和μ(1)提供第三估計液滴大小分布n(3)(D)。5.根據權利要求4所述的方法，還包括：利用直接反向散射模型和前向散射模型由n(3)(D)提供第三計算散射曲線，并將所述第三計算散射曲線與所述測量散射曲線比較，以確定第三散射曲線是否在規定公差內符合所述測量散射曲線。6.根據權利要求5所述的方法，其中，在小于截止角的視場角度處去除所述測量散射曲線的一部分。7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述截止角是電磁輻射束的發散角。8.根據權利要求6所述的方法，其中，剩余的測量散射曲線的外推滿足以下條件：在所述截止角處符合剩余的散射曲線并在θ＝0時消失。9.根據權利要求6所述的方法，其中，所述測量散射曲線的所去除的部分包括與電磁輻射的直接反向散射相對應的信號pdirect(θ)，并且所述剩余的測量散射曲線包括與電磁輻射的前向散射相對應的信號pscat(θ)。10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述估計散射曲線提供所述電磁輻射的前向散射的第一估計值p(1)scat(θ)。11.根據權利要求10所述的方法，其中，根據以下函數來確定n(1)(D)：p(1)scat(θ)＝Sn(1)(D)其中，S是包含前向散射模型的矩陣。12.根據權利要求11所述的方法，其中，根據以下函數來確定所述計算散射曲線：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陣。13.根據權利要求11所述的方法，其中，根據以下等式來確定DMVD(1)：

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬克·D·雷，卡雷·J·安德森，邁克爾·P·內斯尼達爾，
申請(專利權)人：羅斯蒙德宇航公司，
類型：發明
國別省市：