確定云的液態水含量的方法技術

本發明專利技術提供了確定云的液態水含量的方法。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；用檢測器測量從云返回的電磁輻射的回波強度；由所測回波強度確定所測消光系數；從所測回波強度確定所測反向散射系數；由所測消光系數和所測反向散射系數確定激光雷達比，由激光雷達比確定一值對，其包括水滴的形狀參數（μ）和中值體積直徑（DMVD），并利用該值對（μ,DMVD）確定水滴大小分布。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及確定云的液態水含量(含水量,水含量，liquid water content)的方法。
技術介紹
云的液態水含量(LWC)基于云的類型而變化，并且可以與不同的云的形成和天氣情況相關。另外，具有不同的LWC和相關的水滴大小分布(尺寸分布)的云可在飛機外部(例如機翼)造成不同的形成冰的危險。因此，知道云的LWC對于航空安全來說是重要的。可以以各種方式估計云的LWC。例如，幾種現有的方法僅在研究云的液滴大小分布的在先研究的基礎上假設有效的液滴直徑(水滴直徑，droplet diameter)。然而,這種假設在LWC估計中會引入明顯的誤差。通過使用多個彼此結合地工作以提供估計LWC所必需的參數的感測設備，可實現LWC的更精確的估計。在更精確的同時，隨著系統復雜性的伴隨增加，使用多個傳感器通常是昂貴的。
技術實現思路
在一個方面中，這里描述了估計云的LWC的方法。在一些實施方式中，從云中的水滴大小分布推斷出云的LWC。因此，在另一方面中，這里描述了確定云中的水滴大小分布(粒度分布)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:用電磁福射束對云的深度進行采樣；用檢測器測量從云返回的電磁輻射的回波強度(echo intensity);由所測的回波強度確定測量的消光系數(optical extinction coefficient);由所測的回波強度確定所測的反向散射系數；并從所測的消光系數和所測的反向散射系數確定激光雷達比(激光雷達比率，lidar ratio)。由激光雷達比確定值對(value pair),其包括水滴的形狀參數(μ )和中值體積直徑(中位體積直徑，median volume diameter) (Dmvd),并利用值對(μ ,Dmvd)確定水滴大小分布(n (D))。用水滴大小分布來確定有效液滴直徑(Deff),然后利用該Drff確定云的LWC。在一些實施方式中，從激光雷達比確定多個值對(μ ,Dmvd),并利用該值對來確定多個水滴大小分布。在一些確定多個水滴大小分布的實施方式中，這里描述的方法進一步包括:由該多個液滴大小分布提供多個所計算的消光系數，并將所計算的消光系數與所測的消光系數進行比較。在一些實施方式中，選擇與最接近所測消光系數的所計算的消光系數相關的水滴大小分布，并由該所選的液滴大小分布確定有效液滴直徑(Deff)。然后,利用該Deff確定云的LWC。在一些確定多個水滴大小分布的實施方式中，這里描述的方法進一步包括:由該多個液滴大小分布提供多個所計算的反向散射系數，并將所計算的反向散射系數與所測的反向散射系數進行比較。在一些實施方式中，選擇與最接近所測反向散射系數的所計算的反向散射系數相關的水滴大小分布，并由該所選的液滴大小分布確定有效液滴直徑(Deff)。然后，利用該Drff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不出了包括在這里描述的方法的一些實施方式中有用的圖表的查找表。圖2不出了包括在這里描述的方法的一些實施方式中有用的圖表的查找表。圖3是示出了這里描述的方法的一個實施方式的流程圖。圖4是示出了這里描述的方法的一個實施方式的流程圖。具體實施例方式通過參考以下詳細描述和附圖，可以更容易地理解本文描述的實施方式。然而，這里描述的元件(要素)、設備和方法并不限于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,這里描述了估計云的LWC的方法。在一些實施方式中，從云中的水滴大小分布推斷出云的LWC。因此，在另一個方面中，這里描述了確定云中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:用電磁福射束對云的深度進行采樣，用檢測器測量從云返回的電磁輻射的回波強度，由所測的回波強度確定所測的消光系數，由所測的回波強度確定所測的反向散射系數，并由所測的消光系數和所測的反向散射系數確定激光雷達比。由激光雷達比確定一對值，其包括水滴的形狀參數(μ )和中值體積直徑(Dmvd)，并利用該值對(μ ,Dmvd)確定水滴大小分布。用水滴大小分布來確定有效液滴直徑(Drff),然后利用該Drff確定云的LWC。在一些實施方式中，由激光雷達比確定多個值對(μ ,Dmvd),并利用該值對確定多個水滴大小分布。在一些確定多個水滴大小分布的實施方式中，這里描述的方法進一步包括:由該多個水滴大小分布提供多個所計算的消光系數，并將所計算的消光系數與所測的消光系數進行比較。在一些實施方式中，選擇與最接近所測消光系數的所計算的消光系數相關的水滴大小分布，并由該所選的液滴大小分布確定Deff。然后，利用Deff確定云的LWC。在一些確定多個水滴大小分布的實施方式中，這里描述的方法進一步包括:由該多個液滴大小分布提供多個所計算的反向散射系數，并將所計算的反向散射系數與所測的反向散射系數進行比較。在一些實施方式中，選擇與最接近所測的反向散射系數的所計算的反向散射系數相關的水滴大小分布，并由該所選的液滴大小分布確定Drff。然后，利用Deff確定云的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束對云的深度進行采樣。可用電磁輻射對云的任何與本專利技術的目的一致的深度進行采樣。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，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。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，使激光束極化(偏光，polarized)。在一些實施方式中，使激光束圓形極化(循環極化)。在一些實施方式中，激光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。在一些實施方式中，電磁輻射束具有譜的近紅外(NIR)區域中的波長。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。在一些實施方式中，電磁輻射束具有譜的紫外(UV)區域中的波長。在一些實施方式中，電磁輻射束具有不被水吸收或基本上不被水吸收的波長。在一些實施方式中，電磁輻射束具有一個或多個落在不被水吸收的光學窗口中的波長。在一些實施方式中，例如，電磁輻射束具有約905nm的波長。此外，電磁輻射束可以具有任何與本專利技術的目的一致的功率。在一些實施方式中，電磁福射束具有幾mW至幾十mW的強度。在一些實施方式中，電磁福射束包括校準束。在一些實施方式中，校準束具有充分已知的和/或穩定的特性，以允許測量校準的回波強度。在一些實施方式中，校準的回波強度是指以輻射測量單位測量的回波強度，例如W/cm2，與無量綱的單位相反(例如，相對于另一測量)。電磁輻射束的校準和校準回波強度的測量可取決于一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種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；用檢測器測量從云返回的電磁輻射的回波強度；由所測的所述回波強度確定所測的消光系數；由所測的所述回波強度確定所測的反向散射系數；由所測的所述消光系數和所測的所述反向散射系數確定激光雷達比；由所述激光雷達比確定值對，所述值對包括水滴的形狀參數（μ）和中值體積直徑（DMVD）；以及利用所述值對（μ,DMVD）來確定水滴大小分布。

【技術特征摘要】
2011.10.25 US 13/280,9221.一種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； 用檢測器測量從云返回的電磁輻射的回波強度； 由所測的所述回波強度確定所測的消光系數； 由所測的所述回波強度確定所測的反向散射系數； 由所測的所述消光系數和所測的所述反向散射系數確定激光雷達比； 由所述激光雷達比確定值對，所述值對包括水滴的形狀參數(μ )和中值體積直徑(Dmvd);以及 利用所述值對(μ，Dmvd)來確定水滴大小分布。2.根據權利要求1所述的方法，其中，對云的可達約30m的深度進行采樣。3.根據權利要求1所述的方法，其中，測量所述回波強度包括將所述回波強度解析成范圍分解的片。4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述范圍分解的片具有約Im或更低的厚度。5.根據權利要求1所述的方法，其中，由歸一化的、范圍校正的回波強度確定所述反向散射系數。6.根據權利要求3所述的方法，其中，由所述范圍分解的片的回波強度確定多個反向散射系數并將其平均，從而提供平均所測反向散射系數和所述所測反向散射系數的相應標 準偏差。7.根據權利要求1所述的方法，其中，根據以下等式來確定水滴大小分布:8.根據權利要求7所述的方法，其中，根據以下等式來確定Iici:9.根據權利要求1所述的方法，還包括利用所述水滴大小分布確定有效液滴直徑(Deff)010.根據權利要求9所述的方法，還包括利用Drff確定云的液態水含量。11.根據權利要求1所述的方法，還包括由所述激光雷達比確定多個值對(μ，D_)，并利用所述值對(μ，Dmvd)確定多個水滴大小分布。12.根據權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬克·D·雷，加里·E·哈拉馬，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：