基于双偏光数字全息的混合相云三维分布表征及探测机理研究
批准号:
52105553
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
郭婧
依托单位:
学科分类:
机械测试与仪器
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭婧
中文摘要
云中冰晶及过冷水滴的识别探测是飞机结冰环境预警及大气探测的主要研究任务之一。数字全息技术在大气粒子的三维测量上具有巨大应用潜力,但采用数字全息技术针对结冰云或混合相云中的局部冰粒和过冷液滴的区分识别,以及确定云层中液滴和冰晶的三维空间粒子浓度分布等问题还需要进一步探索研究。本课题拟采用双偏振态数字全息技术对云层液滴及冰晶粒子进行识别及三维测量,通过数字全息重建的偏振信息特征来表征云相位信息,根据数字全息图构建云粒子三维空间分布,实现对云层过冷水滴和冰晶粒子的区分识别及浓度分布的探测。研究内容主要包括:过冷水滴及冰晶粒子的光散射全息模型、基于数字全息三维重建的偏振特征提取、数字全息与偏振成像相结合的三维粒子空间分布模拟仿真和实验测量研究等。本项目探测方法可为飞机结冰环境预警和大气探测提供理论依据和实验测试手段。
英文摘要
The identification and detection of ice crystals and supercooled water droplets in clouds is one of the main research tasks of aircraft ice environment warning and atmospheric detection. Digital holography has great potential in the three-dimensional measurement of atmospheric particles. However, using digital holography to distinguish and identify local ice particles and supercooled droplets in iceing clouds or mixed phase clouds and to determine the three-dimensional spatial particle concentration distribution of droplets and ice crystals in clouds needs further exploration. In this project, double polarized digital holography is used to identify and measure cloud droplets and ice crystal particles, and to characterize cloud phase information by polarization information features of digital holographic reconstruction. According to the digital hologram, the three-dimensional spatial distribution of cloud particles is constructed to distinguish and identify cloud supercooled water droplets and ice crystal particles and detect concentration distribution. The research contents mainly include that the optical scattering holographic model of supercooled water droplets and ice crystal particles, polarization feature extraction based on digital holographic 3D reconstruction, simulation and experimental measurement of 3D particle spatial distribution combined with digital holography and polarization imaging. The detection method of this project can provide theoretical basis and experimental test means for aircraft ice environment warning and atmospheric detection.
数字全息技术在大气粒子的三维测量上具有巨大应用潜力,但采用数字全息技术针对结冰云或混合相云中的局部冰粒和过冷液滴的区分识别,以及确定云层中液滴和冰晶的三维空间粒子浓度分布等问题还需要进一步探索研究。本课题采用数字全息技术对云层液滴及冰晶粒子进行识别及三维测量,通过数字全息重建的光学信息特征来表征云相位信息,根据数字全息图构建云粒子三维空间分布,实现对云层粒子的三维表征及浓度分布的探测。通过模拟仿真与测试研究表明,利用光学联合散射理论构建的过冷水滴及冰晶粒子的光散射全息模型,在计算大尺度粒子的光束散射时足够精确和简单,并且计算散射的局限性较小;基于广泛报道的云层优化伽马分布模型,采用数值模拟技术生成了云雾场粒子在三维空间中的二维全息图像,可为粒子场数字全息三维重建提供大量的数据支持;构建的半解析蒙特卡罗模型模拟分析了激光散射信号波形、后向散射率与空间粒子浓度特征系数的确定关系,并分析激光散射光学特征与不同云型粒子场的散射系数和粒子数浓度的关系;利用粒子场数字全息图像实现了三维粒子空间分布的模拟仿真,对于粒子数浓度一定的云层环境,大部分重建粒子与原粒子的位置是重合的,即使有差异也是很小的位置差异,只有个别粒子的重建位置与原位置不在同一位置,这个结果也说明了该方法对三维粒子场的重建是非常有效的。研究结果表明本项目探测方法可为飞机结冰环境预警和大气探测提供理论依据和技术支持。
国内基金
海外基金