基于干涉粒子成像技术的云室粒子粒径分布的测量

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云是由悬浮在空气中的液态水滴、冰晶和雪花等物质所组成的气溶胶体。研究云粒子的粒径分布和粒子浓度,对研究云的演化、指导人工影响天气等具有重要意义。干涉粒子成像技术(Interferometric Particle Imaging,IPI)是一种基于粒子散射理论的粒子测量技术,利用该技术检测云粒子场,可获得每个云粒子的粒径大小。本文利用散射光相位差法及传输矩阵法分别分析了球形粒子的计算公式;以气泡粒子场为例,通过实验验证了IPI系统对宽粒径分布粒子场测量的有效性;进一步搭建了云室粒子检测仪,并在云室内对云室粒子场进行了检测。本论文的主要工作:(1)在典型的干涉粒子成像系统下,对干涉成像测量进行了理论分析;分别利用散射光相位差法及传输矩阵法,建立了粒子干涉图像与粒子直径之间的函数关系,并将两种方法进行了对比分析。(2)利用OPENCV编写了用于云粒子粒径测量的图像处理程序,用以实现云粒子干涉条纹圆的定位及条纹频率的提取;分析了基于模板匹配算法的条纹圆定位算法,基于2D傅里叶变换以及高斯插值的条纹频率提取算法;使用半自动云粒子图像检测算法对图像进行处理,该算法对优质干涉条纹圆进行自动定位的方法,而对像质较差的干涉条纹圆,使用手动截取的方法对其进行定位。(3)在实验室中验证了IPI系统对宽粒径分布的粒子场的检测性能,以气泡粒子场作为样品,分析了45°~120°散射角下气泡粒子测量理论,并分别在45°与90°散射角下进行实验,获取气泡场的粒径分布。(4)搭建了云室粒子粒径检测系统,对5μm、21.3μm、45μm的标准粒子进行测量,以验证该仪器测量的准确性;使用该仪器在云室中进行实验,分别在雾化水压为1、2、3、4、5个大气压下对云室粒子粒径分布进行测量。
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