机载PMS的探测性能及误差来源分析

[摘 要] 针对我国仍采用进口机载PMS进行云物理观测的现状，本文深入剖析了机载PMS的探测性能，并将机载PMS的误差来源分解为：光散射误差、光阵列误差、空速误差、畸变误差、图像识别误差等五个方面，最后对解决各个误差提出了相应的改进方法和途径，以期在未来能更有效探测云微物理情况。

[关键词] 机载PMS 探测性能 误差来源 改进方法

0、引言

人工影响天气技术的发展主要是通过外场观测试验、数值模拟、室内实验和新装备研制使用等手段推动的。外场试验是这项技术的核心，要有科学周到的监测、决策、催化效果检验的技术体系和运作方案，要稳定维持相当长的时期，从而形成有科学把握的人工影响天气业务作业体系，为经济社会服务。但是自然云降水复杂多变，人工影响天气的有利条件和针对性的催化技术方法的掌握以及科学评估人工增雨效果仍有较大难度，就是说，人工影响降水至今仍是一项发展中的技术。

降水过程可以分为两个阶段：即成云和致雨阶段。在成云阶段，上升运动导致水汽绝热膨胀降温产生凝结，这些云中液态水就是产生降水的源泉；在致雨阶段，云中微物理过程使小云滴增长到足够大，从而可以下落到地面形成降水。对这两个阶段进行必要的观测，以便及时了解云和降水系统处于什么状态，才能有针对性的实施催化作业。运用机载平台进行微物理探测就是一种重要的观测方式。

早在上世纪70年代，机载云物理观测仪器便开始在世界各地一些观测试验中使用。1981年，中国气象科学研究院人工影响天气研究中心从美国引进PMS机载粒子测量系统。PMS粒子测量系统(Particle Measuring System)可实时获取云中粒子的尺度、形状及浓度信息，在世界各地的云微物理观测中得到了广泛应用[1]。借助这个系统，气象科学工作者们获取了很多有价值的云微物理资料，对提高我国人工影响天气的整体水平发挥了重要作用。

目前，国内仍依赖进口PMS进行云微物理结构探测和研究。本文从PMS系统结构、探测原理出发，剖析系统的误差来源，并提出了相应的改进方法和途径，以期能更有效探测云微物理情况。

1、系统结构及探测原理

1.1系统结构

PMS可划分为粒子采样设备和数据采集处理设备两部分。整套PMS的硬件设备结构框图如图1所示。

数据采集处理设备包括计算输出设备、数据处理软件及数据接口板。探测过程中，数据处理软件通过对接口板的操作实现对采样探头的远程控制和数据采集、处理及显示等工作。

PMS粒子采样设备各个探头分别挂载于飞机外部的适当部位，并通过数据电缆与机舱内的数据采集处理设备相连。飞行探测时，各探头所采集的原始数据经由电缆传送给舱内的数据采集处理设备进行实时分析处理。

1.2探测原理

根据探测原理可将机载PMS探头划分为光散射探头和光阵列探头[3]。

云滴和气溶胶粒子的探测原理为单粒子散射光强测量技术，即为光散射探测原理。

光散射探头主要包括激光光源模块、光学系统，光检测模块。其中光学系统由聚光透镜、反光镜、直角棱镜及滤光片等组成[4]，光检测模块包括散射光检测模块和遮蔽光检测模块。以5mW的氦氖激光管提供光源，激光束的宽度为0.2mm，当粒子通过激光束时，通过测量穿过采样区的粒子所产生的散射光来获得粒子的尺寸及数目信息。

降水粒子探头为光阵列测量探头。

光阵列探头由激光光源、光学系统及光电阵列三部分组成，结构如图2所示。

图2 光阵列探头光学系统原理示意图

降水粒子探头工作原理为：以一平行光束投射到光电元件阵列上，当云中粒子通过采样区时，由于遮挡激光束形成阴影，阴影经过光学系统投射到光敏元件组成的线性阵列上，若光电阵列的接收光强低于设置阈值，粒子遮蔽形成的一个阴影将被存储在缓冲区中，若单纯计量被阴影遮挡的光电元件个数，由每个光敏元件的尺度及被遮挡元件个数即可以得到粒子的尺度，此为一维光阵列探头，如果以一定的频率对被遮挡状态进行扫描采样，将所有阴影线列组合就会得到粒子完整的二维图像，此为二维光阵列探头。

2、误差来源分析

按误差来源的不同，将机载PMS的误差分解为：光散射误差、光阵列误差、空速误差、畸变误差、图像识别误差等五个方面。

2.1光散射误差

光散射误差分为系统光电特性误差、“死机”效应误差和粒子重合效应误差三种。

系统光电特性误差：有效采样区内光强分布的不均匀性导致的粒子谱畸变而引起的液态水含量低估可达23%，粒子半径测量误差达7%[5]。

“死机”效应：当一个粒子处于有效采样区时，仪器在处理此粒子信号的这段时间内无法对其它粒子进行测量，这段时间称为“死机”时间。当云滴粒子浓度较大时，就会有一定数量的粒子漏测。

粒子重合效应[6]：基于单粒子散射光强度原理测量粒子大小，当多个粒子处于有效采样区时，系统只能将其当成单粒子识别，因此会导致滴谱的畸变，造成粒子尺度及浓度的测量误差。此外，当一个云粒子在有效取样区，同时有另一个云粒子处于离焦位置时，其离焦粒子成像光斑所对应的环形光信号可能使有效云粒子信号失效，也会造成云粒子浓度测量值降低。研究表明，粒子直径误差随粒子浓度增大而增大，在粒子浓度大于500cm-3的时候，浓度测量误差达15%，在粒子浓度达到1500/cm-3时误差高达40%。

2.2光阵列误差

光阵列探头的误差来源主要包括：光学系统景深效应误差和阴影图像提取粒子信息误差两种。

光阵列探头投影系统是一种透镜成像系统，当粒子离焦时，粒子的边缘会模糊，离焦距离增加到一定程度时，粒子无信号输出，从粒子清晰投影处到粒子的模糊消失处的距离为该尺度粒子的景深。

有效景深ZDOF表示为：

图3表明，系统景深随粒子直径增加而增大，相同直径条件下，景深随阈值的增大而增大，最大景深由系统的机械特性决定。有效景深实际上对应了不同尺度粒子的有效采样区间，因此，对于较小的粒子，在计算其浓度时需要使用对应其尺度的景深值。

相同粒子在光轴上不同位置其投影图像大小不一样，即粒子尺度的测量与粒子到物体平面距离有关，因此需建立实际粒子尺度和图像尺度之间的关系。

定义粒子投影图像半径r与粒子实际半径R的比值为伸缩比M。

研究表明M和粒子到物体平面距离Z为线性函数关系[7]。目前，需要对粒子图像进行修正。

2.3空速误差

由于系统响应时间的限制，当空速较大时，粒子以较短的时间通过采样空间，系统因无法及时响应而造成粒子尺度的低估。

光阵列探头的有效采样区域也依赖粒子通过光阵列的速度，即空速。当粒子以较高速度通过光阵列时，由于仪器的响应时间效应，阴影图像的光强未能衰减至有效阈值下，故造成粒子的漏测，光阵列探头通常低估直径小于100μm的粒子浓度。

而且机头处空速通常和探头处空速不一致，在一定程度上也会增大误差[8]。

2.4畸变误差

当粒子通过速度较快时，而采样频率固定，会造成采样图像的畸变 (如图4)。在畸变图像的基础上提取粒子特征参数会造成粒子尺度的低估或高估，影响探测精度。

图4 相同粒子不同速度下图像示意图

提高测量精度。

为解决图像识别误差可添加图像识别软件，实现对图像的实时等效。

4、结束语

本文通过分析机载PMS的探测性能，分析得出了机载PMS探测的误差来源，并对解决相应的误差提出了改进的方法和途径，希望对我国在云微物理学和人工影响天气方面的理论研究和应用技术等方面提供帮助。

参 考 文 献

[1]周秀骥,高等大气物理学[M],北京：气象出版社,1991.5, 347

[2] 刘卫国,李淑日,马培民等，机载PMS粒子测量系统实时处理显示技术系统的研制应用气象学报, 2001,12:169-172.

[3] 刘卫国,苏正军,王广河等，新一代机载PMS粒子测量系统及应用,应用气象学报,2003,14(5):11-18.

[4] 高太长,江志东,熊超超等，机载PMS系统技术原理剖析,大气与环境光学学报,2010,4(5):255-262.■

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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