数字全息云粒子测量技术现状及进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.034

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (7): 661 -674. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.034

综述与评述下一篇

数字全息云粒子测量技术现状及进展

曾庆伟 ¹(

), 刘磊 ¹ ^, ²(

), 胡帅 ¹ ^, ², 刘西川 ¹, 高太长 ¹ ^, ²

^1.国防科技大学气象海洋学院，湖南长沙 410073
^2.电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室，江苏南京 211101

收稿日期:2023-02-15 修回日期:2023-05-16 出版日期:2023-07-10
通讯作者: 刘磊 E-mail:zengqw2021@163.com;liulei17c@nudt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金项目“基于气液两相耦合流动特征的飞秒强激光穿云机理研究”(42105176);湖南省自然科学基金杰出青年基金项目“飞秒激光穿云效应非接触式测量方法”(2021JJ10047)

The Actuality and Progress of Digital Holographic Techniques for Cloud Particle Measurement

Qingwei ZENG ¹( ), Lei LIU ¹ ^, ²( ), Shuai HU ¹ ^, ², Xichuan LIU ¹, Taichang GAO ¹ ^, ²

^1.College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
^2.National Key Laboratory on Electromagnetic Environment and Electro-optical, Engineering, Nanjing 211101, China

Received:2023-02-15 Revised:2023-05-16 Online:2023-07-10 Published:2023-07-19
Contact: Lei LIU E-mail:zengqw2021@163.com;liulei17c@nudt.edu.cn
About author:ZENG Qingwei (1990-), male, Baojing City, Hunan Province, Lecturer. Research areas include atmospheric physics and atmospheric environment. E-mail: zengqw2021@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “Study on the mechanism of femtosecond intense laser pulse penetrating cloudy atmosphere based on gas-liquid two-phase coupled flow characteristics”(42105176);The Hunan Natural Science Foundation Outstanding Youth Project “Contactless measurement method of the penetrating effect of femtosecond laser in cloud”(2021JJ10047)

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准确获取大气中云粒子的原位探测信息，对于揭示气溶胶—云—降水形成物理机制、改进数值预报模式微物理参数化方案、评估人工影响天气催化效果等具有重要的应用价值。数字全息测量技术能够同时获取云粒子的尺度、速度、相态和空间位置等信息，且具有覆盖粒子尺度范围广（μm~mm）、空间采样精度高（可达mm量级）和仪器采样体积可准确确定等诸多优点，在云微物理观测领域具有广阔的应用前景。总结了目前国内外数字全息云粒子测量仪器的研究现状，分析了仪器研制所涉及的全息光路设计、机械防护和全息图处理等几个关键技术问题，并介绍了全息云粒子观测结果在揭示混合云内冰晶冻结机制和云中湍流混合作用影响微物理机制等方面的应用。最后，从技术应用角度对全息光路优化设计、全息图处理方法、仪器结构防护和外场观测试验等方面作了一定的思考和展望，以期为开展相关仪器研制和云微物理观测应用研究提供参考。

关键词: 云粒子, 原位测量, 数字同轴全息, 全息图处理, 混合云观测

The accurate acquisition of in situ particle detection information in clouds is important in revealing the physical mechanism of cloud precipitation formation, improving the parameterization scheme of numerical weather prediction models, and evaluating the seeding effect of weather modification. Digital holographic measurement technology can obtain three-dimensional positioning information of particles and has advantages, including a wide measurement range (μm to mm), high spatial resolution (mm magnitude), and accurate determination of instrument sampling space. Therefore, it has wide application prospects in cloud microphysics observations. This study summarizes the current situation of holographic cloud particle imagers worldwide. Several key technical issues involved in the development of instruments were analyzed, such as the holographic optical path design, mechanical protection design, and hologram processing. Applications of holographic observations to reveal the freezing mechanism of ice crystals in mixed-phase clouds and microphysical mechanisms in clouds with turbulent mixing were introduced. Finally, certain thoughts and prospects were discussed from the perspective of technology application, which can provide a reference for the development of related instruments and research on cloud microphysics observations.

Key words: Cloud particle, In-situ measurement, Digital in-line holography, Hologram processing, Mixed-phase cloud observation

中图分类号:

P414.9

图1 数字同轴全息测量原理示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the principle of digital in-line holography

图2 地基全息云粒子测量仪

Fig. 2 Ground-based holographic cloud particle measuring instrument

图3 机载式全息云粒子测量仪HALOHolo结构图^{［

39
］}

Fig. 3 Structure diagram of airborne holographic cloud particle measuring instrument HALOHolo^{［

39
］}

图4 空基全息云粒子测量仪

Fig. 4 Space-based holographic cloud particle detector

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