水滴吸收特性的测量 - 图文

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昆明理工大学

毕业设计（论文）

题 目： 水滴吸收特性的测量 学 院： 理学院 专 业： 电子科学与技术 年 级： 2010级 学生姓名： 郑庆良 指导教师： 吴尚谦 日 期： 2014年6月

教 务 处 制

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昆 明 理 工 大 学

毕业设计（论文）任务书

理 学院 电子科学与技术 专业 2010 年级 学生姓名： 郑庆良

毕业设计（论文）题目： 水滴吸收特性的测量 毕业设计（论文）内容：

本课题利用所学物理学原理，运用光电检测知识，对水滴吸收特性的测量方法进行系统的比较，了解水滴吸收特性的对雨量测量意义，并且有针对性的进行相关模拟实验。利用光的吸收定律(朗伯定律I?I0e??L)建立模型，在分子吸收光谱理论的基础上，实验中运用FT-IR红外光谱仪对液态水的吸收线进行测量，并将测量结果和利用HITRAN吸收线数据库选取的不同波长范围内的水的吸收线进行比较，最终得到水滴对激光吸收最少的波长及本次光学雨量计选取的激光波长。通过数值计算和实验比较水滴对激光的吸收作用，并得出结论。

毕业设计（论文）指导教师（签字）： 主 管 教 学 院 （部） 长（签字）：

年 月 日

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水滴吸收特性的测量

姓名： 郑庆良 学号： 201011103230 专业： 电子科学与技术 指导教师： 吴尚谦（教授）

Measuring the absorption characteristics of water

droplets

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Name: Zheng Qingliang Student number： 201011103230 Major: Electronic Science and Technology Director: Wu Shang qian(Professor)

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摘要

随着光电传感技术和信息技术的发展，应用光探测技术对降水进行自动观测，成为实现地面气象要素自动观测的重要一环。

本文为了探究水滴对激光的吸收特性，进行了一系列的理论和实验研究。利用光的吸收定律(朗伯定律I?I0e??L)建立模型，在分子吸收光谱理论的基础上，实验中运用FT-IR红外光谱仪对液态水的吸收线进行选取，最终得到水滴对激光吸收最少的波长及本次光学雨量计选取的激光波长。通过数值计算和实验比较水滴对激光的吸收作用，并得出结论。

关键词：

光探测技术;雨滴；吸收特性；激光；光学雨量计

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Abstract

With the development of optical sensor technology and information technology, the application of light detection technology to automatically precipitation observations become realize automatic meteorological elements observed an important part.

In this paper, in order to explore the characteristics of water droplets absorb the laser, conducted a series of theoretical and experimental studies. Using light absorption law (Lambert lawI?I0e??L) build models based onmolecular absorption spectrum theory, experiments using FT-IR infrared spectrometer for liquid water absorption line selection, finally get droplets absorb the laser wavelength and the least times optical gauges selected laser wavelengths. By absorption of water droplets numerical and experimental comparison of the laser, and draw some conclusions.

Keywords:

Light Detection Technology；Raindrop；Absorption characteristics； Laser；Optical Rain Gauge

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前言

随着光学传感技术和其它信息技术的飞速发展，基于光探测技术的降水粒子探测方法在天气现象的自动化观测中不断得到应用，逐渐成为探测降水粒子的主流方向。特别是以图像传感方式测量降水粒子，可以全方位地得到降水粒子信息，结合现代数字信息技术，图像传感方法测量降水粒子将成为未来的发展方向。但，在光探测技术对降水自动观测的技术中同样存在着一些不确定因素的影响，激光在大气中传输时，受到很多因素的影响，导致激光传输过程中激光信号大大衰减，这样，对降水的探测就存在着很大的误差，为了减小激光在传输中的衰减和提高对降雨的探测精度，本文，就雨滴对激光的吸收衰减做了研究分析。

本文为了探究水滴对激光的吸收特性，进行了一系列的理论和实验研究 ，并设计了水滴吸收探测试验模块，这些工作为光学雨量计在激光波长的选取上做了充分的准备。本文的内容包括五章：第一章 介绍了本课题的研究背景、目的和意义，同时对论文的内容和结构做了系统的概括。第二章 主要对雨的分类、雨滴的尺寸形状、雨滴降落末速度做了理论介绍,并分析和比较了三种常用的雨滴谱模型。第三章 介绍了水滴吸收的理论基础，并选取了相应的吸收线。第四章 通过实验对比分析，对水滴的吸收特性有了更深一步的了解。第五章 总结全文，并总结了通过此次课题所获得的心得体会。

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目录

摘要 ....................................................... I ABSTRACT .................................................. II 前言 ..................................................... III 第一章 绪论 ................................................ 4 1.1研究背景 ................................................ 4 1.2 研究目的和意义 ......................................... 4 1.3 研究内容 ............................................... 6 1.4 本文结构安排 ........................................... 6 第二章 雨滴的特性 .......................................... 7 2.1 雨滴的分类 ............................................. 7 2.2 雨滴的尺寸形状 ......................................... 7 2.3 雨滴降落的末速度 ....................................... 9 2.4 常见的雨滴模型 ........................................ 11

2.4.1 Laws一parsons雨滴尺寸分布 ........................ 11 2.4.2 Marshall一Palmer雨滴尺寸分布 ..................... 13 2.4.3 gamma雨滴尺寸分布 ................................. 13 2.5 本章小结 .............................................. 13

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第三章 吸收的基本原理 ..................................... 14 3.1比尔-朗伯吸收定律 ...................................... 14

3.1.1比尔-朗伯定律概述 .................................. 14 3.1.2 比尔-朗伯定律的推导 ................................ 15 3.1.3 比尔-朗伯定律的应用前提 ........................... 17 3.2 分子吸收光谱理论 ...................................... 18 3.3 H2O吸收线的选取 ....................................... 20 3.4 本章小结 .............................................. 21 第四章 水滴吸收的测量方法及实验数据分析 .................... 22 4.1 测量方法 .............................................. 22

4.1.1 红外光谱法的特点 ................................... 22 4.1.2 红外吸收光谱产生的条件 ............................. 22 4.2 仪器介绍及实验内容 .................................... 23

4.2.1 仪器介绍 ........................................... 23 4.2.2 实验内容 ........................................... 29 4.3 测量结果及分析 ........................................ 33

4.3.1 测量结果 ........................................... 33 4.3.2 测量结果分析 ....................................... 34 4.4 结论 .................................................. 40

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4.5 本章小结 .............................................. 40 第五章 总结与体会 ......................................... 41 5.1 全文总结 .............................................. 41 5.2 体会 .................................................. 41 致谢 ...................................................... 42 参考文献 .................................................. 43 英文翻译 .................................................. 45 原文： .................................................... 45 中文译文: ................................................. 50

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第一章 绪论

1.1研究背景

自1960年第一台激光器问世以来，激光因其良好的单色性、相干性、能量高度集中等优点，被快速应用到各个领域。经过近几十年的发展，激光几乎是无处不在，它已经被应用于生活、生产、科研等许多方面。不久的将来，激光定会被应用于更加广阔的领域，激光技术的研究将变得更加重要?1?。

1994年12月18日，中国首台光学雨量计问世。利用光学原理监测降水，可以有效克服传统的翻斗式雨量计人工维护量大、不能分辨降水类型和对固态降水监测存在一定的滞后性等缺点。

在光学雨量计中，激光通信是作为非常好的通信手段。但是，激光信号在大气随机信道中传输时，受到大气中的气体分子、气溶胶粒子和雨雾雪等天气因素的影响，导致激光信号能量的衰减。由于大气层的不均匀分布导致激光信号在大气信道中发生折射和散射效应，导致光束截面上能量起伏分布以及光束的展宽和漂移。随着激光技术的成熟，近地面大气激光通信成为研究的热点。但是各种特殊天气是制约大气激光全天候通信的重要因素。本文主要研究雨滴对激光吸收的衰减特性?5?。

1.2 研究目的和意义

随着光电传感技术和信息技术的发展，应用光探测技术对降水进行自动观测，成为实现地面气象要素自动观测的重要一环。但，在光探测技术对降水自动观测的技术中同样存在着一些不确定因素的影响，引文激光在大气中传输时，受到很多因素的影

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响，导致激光传输过程中激光信号大大衰减，这样，对降水的探测就存在着很大的误差，为了减小激光在传输中的衰减和提高对降雨的探测精度，本文，就雨滴对激光的吸收衰减做了研究分析。

随着光学传感技术和其它信息技术的飞速发展，基于光探测技术的降水粒子探测方法在天气现象的自动化观测中不断得到应用，逐渐成为探测降水粒子的主流方向。特别是以图像传感方式测量降水粒子，可以全方位地得到降水粒子信息，结合现代数字信息技术，图像传感方法测量降水粒子将成为未来的发展方向。

激光在大气中的传输性能是指光波通过大气所引起的光学特性的变化?2?。大气对激光传输的主要影响包括由于大气气体分子散射与吸收造成的辐射能量损失的大气衰减; 大气中悬浮的气溶胶粒子和各种降水粒子( 如: 霾、云、雾、雨、雪、沙尘、烟尘等) 对光波的吸收和散射效应引起的衰减; 由于大气折射率随大气温度、气压和湿度等的随机起伏造成的光束强度的起伏( 闪烁) 、光束的扩展和漂移等大气湍流效应, 使得光束质量变差; 以及光在大气中传输的非线性效应等?2,5?。雨滴对光传输作用属于第二种情况, 相对其它几种情况而言, 雨滴对光传输作用并不十分充分。降雨是常见的自然现象, 它对光波和红外信号产生衰减, 严重的还可以导致无线通信链路的中断。激光产生后一般是通过介质进行传输和应用的，由于光探测降水装置放置在降雨环境中，研究激光在雨中的传输特性是激光探测与激光通信等光电系统设计中的主要问题，因此，研究水滴对激光的作用具有重要的意义。水滴对激光的作用主要有两种：吸收和散射。当激光在雨中传输时，液体分子以及液溶胶粒子由电子和带正电的离子组成，当电磁波照射到液体分子或液溶胶粒子时会发生吸收、散射等作用，此时激光将严重衰减，激光能量大大减弱，降低了激光的传输距离，其中吸收作用最主要的。

近年来对激光的传输特性有了更多的研究，特别是由于激光武器的发展使得激光在军事应用中起到了重要的作用，对激光传输特性的研究显得尤为重要。经过研究已经掌握了激光在海水中的传输特性，这对潜艇通信和海水质量监控具有十分重要的作用，我国已经开始研发此类激光产品。激光在雨滴中的传输特性研究，也取得了很大

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的进展。

1.3 研究内容

本课题主要利用光的吸收定律(朗伯定律I?I0e??L)建立模型，在分子吸收光谱理论的基础上，实验中运用FT-IR红外光谱仪对液态水的吸收线进行测量，并将测量结果和利用HITRAN吸收线数据库选取的不同波长范围内的水的吸收线进行比较，最终得到水滴对激光吸收最少的波长及本次光学雨量计选取的激光波长。通过数值计算和实验比较水滴对激光的吸收作用，并得出结论。

1.4 本文结构安排

本文为了探究水滴对激光的吸收特性，进行了一系列的理论和实验研究 ，并设计了水滴吸收探测试验模块，这些工作为光学雨量计在激光波长的选取上做了充分的准备。本文的内容包括五章。

第一章 介绍了本课题的研究背景、目的和意义，同时对论文的内容和结构做了系统的概括。

第二章 主要对雨的分类、雨滴的尺寸形状、雨滴降落末速度做了理论介绍,并分析和比较了三种常用的雨滴谱模型。

第三章 介绍了水滴吸收的理论基础，并选取了相应的吸收线。 第四章 通过实验对比分析，对水滴的吸收特性有了更深一步的了解。 第五章 总结全文，并总结了通过此次课题所获得的心得体会。

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第二章 雨滴的特性

2.1 雨滴的分类

按成因来分：对流雨、地形雨、锋面雨、气旋雨。

(l)对流雨是因局部地表受热,大气出现不稳定,垂直向上运动,形成垂直发展的积雨云和降水云滴。当降水云滴克服气流阻力下落,形成对流雨。对流雨的特点是降雨强度大,地域范围小,持续时间比较短。

(2)地形雨是大气在运动过程中遇到地形升高而被迫上升,动力冷却形成地形雨,地形雨与空气温湿程度,运动速度以及地形有很大关系,差别较大。一般山脉的迎风坡其降水量比较大,而背风坡降水量则比较小。

(3)锋面雨是由于气团在大气压的作用下产生运动,当两个温湿特性不同的气团相遇,在两气团的接触处产生不连续的锋面,锋面两边温度!湿度和气压等有较大的差别,产生锋面雨\锋面雨的特点是降雨范围广,降水带随锋面产生季节移动,降水量比较小,持续时间长。

(4)气旋雨是由于气旋或低压过境而形成的降雨，气旋雨降雨区域广,降雨区域随气旋移动,持续时间长。

按降雨强度分为：毛毛雨、小雨、中雨、大雨和暴雨?14?。

2.2 雨滴的尺寸形状

雨滴的形状由雨滴的尺寸决定,其直径一般在100um一8mm之间,通常不会大于8mm,大于8m的雨滴形状是不稳定的,在下落的过程中将发生破裂.研究表明,雨滴在

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下落时受到空气阻力的影响,形状将发生变化。半径小于1mm的雨滴,形状基本为球形,但是更大的雨滴,由于空气阻力的作用,雨滴的迎风面会变扁平,上端仍为球形,即上圆下扁其形状如图2.1所示。

图2.1 雨滴形状（标注尺寸等小体积半径）

对于半径大于1mm的雨滴形状,PruPpacher和Pitter经过研究提出了PP近似椭球模型,以a表示雨滴的长轴,b表示雨滴的短轴,a0表示等体积雨滴球半径,单位为mm,则雨滴形状可用下式近似描述:

b/a?1.05?0.131a0 (2.1)

PP模型是首次对雨滴形状的近似描述,和实际雨滴形状还有一定差距。后来

Beard和Chuan又提出了雨滴形状的BC模型,形式如下:

?10?r(?)?a0?1??cncos(n?)? （2.2）

?n?0?其中:r(?)表示?角方向的雨滴半径,a0表示等体积雨滴球半径,单位均为mm，cn值如表2.1所示：

表2.1 BC雨滴模型cn值

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图 4.1 迈克尔逊干涉仪光路图

迈克尔逊干涉仪光路示意图如图 2.1 所示。待测光源发出的光经准直后射向分 束器并被分为两束光，向上的反射光被定镜反射后，透过分束器到达检测器，另一束光经动镜 M2 反射后再被分束器反射同样到达检测器。在探测器上这两束光程 差为 2?x

的相干光将发生干涉，其总光强依赖于两光束的光程差2?x。

2) 干涉方程

设经过定镜反射到达检测器的光波为 E1，经过动镜反射到达检测器的光波为E2。如上所述，E1先后经历了分束器一次反射和透射，E2则先后经历了分束器一次透射和反射，它们的衰减相同，动镜和定镜都采用的是高反射率的材料制作，反射率接近 1，所以两者的振幅应该相等。E2经过动镜后与 E1相比有 τ=2x/c 的时间延迟，两者的光程差为

。因此在检测器上两光束的振幅叠加所得的干涉方程为：

E(t)=E1(t)+E2(t)=E1(t)+E1(t-τ) （4.1）

但振幅的叠加本身并不能成为可观察量，探测器观察到的过程是干涉光的强 度信号。强度的表达式为：

?I?EE??(E1?E2)(E1??E2)

=E1E1????E2E2?E1E2?E2E1?

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=I1??I2?2Re(E1E2) (4.2)

将 E1（t)，E1(t-τ)代入上式，对频率为 w 的单色光而言：

I?2I1?2Re(E1(t)E1(t??)?)

=2I1?2I1cos2??? (4.3)

式中，光的强度由两部分组成，一部分是常数项2?1，另一部分是余弦调制项 2?1 cos 2?w?。在光谱测量中，光谱图通过对干涉图进行傅里叶逆变换来得到，而常数项的傅里叶逆变换始终为零，所以只有余弦调制项的贡献是主要的。干涉图就是由余弦调制项产生的。将时间延迟τ换算成光程差?,单色光通过理想的干涉仪得到的干涉图 I(?)由下面的方程给出：

I??2I(?)cos(2???) （4.4）

v为单色光波数。从式(4.4)可以看出，干涉图 I(?)与单色光的光强I ( v )成正比。然而，真正的单色辐射是不存在的，这里考虑更实际的复色光情况，可将入射光理解为一组频率连续、覆盖一定波段的谐波的迭加，将它表示为 B(v)。则式(1.4) 可以看作是在 dv 范围内无限窄线宽的一个小谱元的干涉光强，则有：

dI(?)?B(?)cos(2????)dV （4.5）

将上式对整个波段进行积分，则有：

???(?)??B(?)cos(2???)d? （4.6）

??这样就建立了光谱分布 B(v)与干涉图 I(?)I(x)之间的对应关系。

3) 干涉图的还原

FTIR 光谱仪将具有一定光谱特征的入射光调制成干涉图并探测，根据（4.6） 式，干涉图又可以通过下式还原为光谱 B(v)，即：

?(?)???(?)cos(2???)d? （4.7）

????

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（4.6)和(4.7)是傅里叶变换光谱学的基本方程。即：干涉图 I(x)是光程差 x 函数，光谱 B(v)是波数 v 的函数，通过傅里叶变换可以实现干涉图 I(x)，和其相应光谱B(v)的相互转换。在傅里叶变换光谱学中，通常由测量得到的时域输出信号获得光谱信息，然后对含有待测物质信息的光谱进行各种分析。

FTIR 光谱仪主要由两部分组成：红外光学台（光学系统）和计算机。 （1） 红外光学台

红外光学台是红外光谱仪的最主要部分。平时所说的红外光谱仪主要是指红外光学台，计算机和打印机是红外光谱仪的辅助设备，红外光谱仪的各项性能指标由红外光学台决定。红外光学台由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、氦氖激光器、控制电路板和电源组成，图（4.1）为IS50 FT-IR光谱仪的的结构图。随着技术的发展，红外光学台体积越来越小，光学台内反射镜越来越少，红外光路越来越短。红外光学台的这种设计有利于提高红外光谱仪的性能指标。

a、红外光源

光源是 FTIR 光谱仪的关键部件之一，红外辐射能量的高低直接影响检测的灵敏度。近年来，虽然傅里叶变换红外光谱技术发展非常迅速，红外光源所用的材料有些改进，但仍然不能大幅度提高光源的能量。理想的红外光源是能够测试整个红外波段，

图4.1 FT-IR 结构图

即能够测试远红外、中红外和近红外。但目前要测试整个红外波段至少需要更换三种

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光源，即中红外光源、远红外光源和近红外光源，红外光谱中用得最多的是中红外波段，目前使用的中红外光源基本上可以分为两类：碳硅棒光源和陶瓷光源。EVER-GLO 光源是一种改进型碳硅棒光源，适用范围为20-9600cm-1，它的发光面积非常小，只有 20mm2左右，但红外辐射很强，而热辐射很弱，使用寿命达十年以上。现在的陶瓷光源基本上都为空气冷却光源，适用范围为 50-9600cm-1。

b、光阑

红外光源发出的红外光经椭圆反射镜反射后、会聚后，先经过光阑，再到达准直镜。光阑的作用是控制光通量的大小，适应不同的分辨率和灵敏度测量场合。加大光阑孔径，光通量增大，有利于提高检测灵敏度。缩小光阑孔径，光通量减少，检测灵敏度降低，但在一些高分辨率红外光谱的测量中是必要的。FTIR 光谱仪光阑孔径的设置分为两种：一种是连续可变光阑；另一种是固定孔径光阑。

c、干涉仪

干涉仪是 FTIR 光谱仪光学系统中的核心部分。FTIR 光谱仪的最高分辨率和其他性能指标主要由干涉仪决定。目前，FTIR 光谱仪使用的干涉仪分为好几种，但不管哪一种类型的干涉仪，其内部的基本组成是相同的，即各种干涉仪的内部都包含有动镜、定镜和分束器这三个部件。目前 FTIR 光谱仪使用的干涉仪分为：空气轴承干涉仪，机械轴承干涉仪，双动镜机械转动式干涉仪，双角镜耦合、动镜扭摆式干涉仪，角镜型迈克尔逊干涉仪，角镜型楔状分束器干涉仪，皮带移动式干涉仪，悬挂扭摆式干涉仪等。

d、检测器

检测器的作用是检测红外干涉光通过红外样品后的能量。因此对使用的检测器有三点要求：具有高的检测灵敏度、快的响应速度和较宽的测量范围。FTIR 光谱仪使用的检测器种类很多，但目前还没有一种检测器能够检测整个红外波段。测定不同波段的红外光谱需要使用不同检测器。测定中红外光谱使用的检测器可以分为两类：一类是 DTGS 检测器；另一类是 MCT 检测器。DTGS 检测器比 MCT检测器灵敏度低很多，响应速度也没有 MCT 的响应速度快，但它的检测范围比MCT 宽，而且可以在室温下

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工作。MCT 类型检测器的检测范围比 DTGS 窄，但它的响应速度比 DTGS 检测器快得多，使用 MCT 检测器采集数据，动镜的移动速度比使用 DTGS 检测器快好几倍，而且 MCT 检测灵敏度大约是 DTGS 的几十倍。

(2) 计算机

现在的 FTIR 光谱仪所使用的计算机都不是专用机，而是便用 PC 机或手提电脑。控制 FTIR 光谱仪工作的计算机，必须安装由红外光谱仪器公司提供的红外光谱专用软件。计算机通过网线、USB、LRT、CAM 接口或安装在计算机里的红外接口板插口与红外光学台的电路板连接。光学台的工作状态完全由光谱仪和计算机来控制。红外样品数据的采集和采集参数的设定，由计算机中的红外软件设置。光谱仪的电路板将光学台中检测器检测到的模拟信号转换为数字信号，传送到计算机内进行傅里叶变换运算处理，并将计算结果（红外光谱图）显示在屏幕上或保存在计算机的硬盘中。

现在计算机的硬盘容量都很大，通常在几百 G 以上，计算机中可以保存大批的红外光谱数据。每张红外光谱数据所占磁盘空间大小，取决于光谱的分辨率和光谱区间。光谱分辨率越高，所占的磁盘空间越大；采集光谱数据时，光谱区间设定得越宽，所占磁盘空间越大。FT-IR工作原理图如图（4.2）所示。

图 4.2 FT-IR工作原理图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lfit.html