СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА Российский патент 2021 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области определения характеристик подстилающих поверхностей, для дистанционной оценки состояния снежно-ледяного покрова, в частности, к системам обеспечения безопасности транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, а также возможно использование с целью прогнозирования весеннего паводка, схода лавин, в поисково-спасательных операциях.

Известен способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями в СВЧ диапазоне [патент RU 2613810 С1, опубл. 21.03.2017, МПК G01R 27/00], основанный на использовании СВЧ рефлектометра, с помощью которого измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40° до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θ_B, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθ_B)².

Недостатком способа-прототипа является невозможность определения состояния снежно-ледяного покрова, представляющего собой многослойную структуру, поскольку не учитывается преломленная волна проходящая через границы раздела слоев и возвращающаяся обратно, что предопределяет низкий уровень безопасности транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, в частности, невозможностью оценки состояния снежно-ледяного покрова, представляющего собой многослойные структуры с различными плотностями, долями содержания воды и собственными структурами.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова, тем самым повышая уровень безопасности транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, за счет дистанционной оценки состояния снежно-ледяного покрова.

Указанный технический результат достигается тем, что облучают контролируемый участок СВЧ-радиоволнами, принимают отраженный сигнал, определяют зависимость коэффициента отражения Френеля контролируемого участка от угла падения θ в пределах от 40° до 90°, определяют угол Брюстера θ_B, рассчитывают относительную комплексную диэлектрическую проницаемость контролируемого участка по формуле ε=(tgθ_B)², согласно изобретению, если необходимо осуществить транспортировку (доставку) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, то дополнительно последовательно определяют зависимость коэффициентов отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1-границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, определяют углы Брюстера θ_Bi,i+1 i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε_ri+1 снежно-ледяного покрова по формуле ε_ri+1=(tgθ_Bi,i+1)², сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_ri+1=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».

Сущность заявляемого способа состоит в том, что если необходимо осуществить транспортировку (доставку) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, то дополнительно последовательно определяют зависимость коэффициентов отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, определяют углы Брюстера θ_Bi,i+1 i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε_ri+1 снежно-ледяного покрова по формуле ε_ri+1=(fgθ_Bi,i+1)², сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_ri+1=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».

Зондирование контролируемого участка снежно-ледяного покрова линейно-частотным модулированным сигналом [Сигналы с линейной частотной модуляцией: [Электронный ресурс]. Режим доступа: ttps://studme.org/ 171320/tehnika/signaly_lineynoy_chastotnoy_modulyatsiey. (дата обращения: 07.12.2017)] позволяет получить эхо-сигналы от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова, за счет различных значений относительных диэлектрических проницаемостей слоев на разных частотах [патент RU 2262718 С1, опубл. 20.10.2005, МПК G01S 13/95]. Частотный принцип определения глубин слоев снежно-ледяного покрова основанный на выделении частоты биения (разностного сигнала) получаемого при перемножении принятого и зондирующего (опорного) сигналов позволяет также определить комплексные относительные диэлектрические проницаемости слоев при наклонном зондировании раздела слоев контролируемого участка в пределах от 40° до 90° по углам Брюстера θ_Bi,i+1 для i,i+1 - границ раздела слоев, по минимальным коэффициентам отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев, сравнение определенных относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями, на которые заметное влияние оказывают: плотности слоев, доли содержания воды и структуры подстилающих поверхностей (снег, фирн, лед, вода), что позволяет классифицировать слои подстилающей поверхности с целью оценивания состояния снежно-ледяного покрова водоема.

Известно, если зондирующий сигнал падает на границу раздела двух диэлектриков под углом θ₁ равным углу Брюстера θ_B, то отраженный и преломленный θ₂ сигналы перпендикулярны при этом отраженный сигнал будет полностью поляризован (отсутствует), а степень поляризации преломленного луча будет максимальной. Согласно закону Снеллиуса, для волны с углом падения θ₁ и углом преломления θ₂ на границе двух диэлектриков для исследуемых сред (μ=1: снег, фирн, лед) справедливо равенство: где ε₁ и ε₂ - относительные диэлектрические проницаемости первого и второго слоя соответственно; - угол Брюстера. Коэффициент отражения Френеля при зондировании СВЧ-радиоволнами с вертикальной поляризацией определяется [О возможности определения диэлектрической проницаемости верхних слоев подстилающих сред по измеренным коэффициентам отражения при наклонном зондировании плоскими волнами вертикальной и горизонтальной поляризации в СВЧ диапазоне: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/nov99/4/text.html. (дата обращения: 07.12.2017)] по рекуррентной формуле

где h_i+1 - глубина (i+1)-слоя; λ - длина волны зондирующего сигнала;

где

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4, где представлено положение носителя радиолокатора и обозначено: 1 - граница раздела «тропосфера - снежный покров»; 2 - граница раздела «снежный покров - ледяной покров»; 3 - граница раздела «ледяной покров - вода»; 4 - снежный покров; 5 - ледяной покров; 6 - вода; h - высота носителя радиолокатора; h_s - глубина снежного покрова; h_i - толщина ледяного покрова; 7 - передающее устройство; 8 - приемное устройство; 9 - блок определения коэффициентов отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, углов Брюстера θ_Bi,i+1 i,i+1 - границ раздела слоев, и относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_ri+1, где k≠i, k≠i+1 - количество слоев снежно-ледяного покрова; 10 - схема сравнения относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_ri+1 с заданными значениями относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_vrΔ; 11 - блок оценивания состояния снежно-ледяного покрова.

Способ оценки состояния снежно-ледяного покрова при транспортировке (доставке) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, по углу Брюстера при минимальных коэффициентах отражения Френеля, может быть реализован, например, с помощью устройства, размещаемого в нижней части фюзеляжа вертолета, состоит в том, что перед транспортировкой (доставкой) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, осуществляют наклонное зондирование под углом θ₁=40°…90° контролируемого участка снежно-ледяного покрова линейно-частотным модулированным (ЛЧМ) сигналом, сформированным в передающем устройстве 7 с частотой ƒ_tx(t)=ƒ₀+αt_m, ∀ 0 < t_m < T_m, где ƒ₀ - начальная частота, α - скорость изменения частоты (крутизна ЛЧМ), t_m - время в течение отдельного периода модуляции ЛЧМ-сигнала (быстрое время), а T_m - период модуляции (ЛЧМ сигнала) и прием эхо-сигналов приемным устройством 8 с частотой ƒ_гх(t)=ƒ₀+α(t_m-τ), ∀ τ < t_m < T_m собранных по классической схеме. Принятый эхо-сигнал от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова на расстоянии r, имеет временную задержку τ, определяемую выражением τ=2τ/V_ri, где V_ri - скорость распространения электромагнитной волны в i-слое. Частотная составляющая биения ƒ_b непосредственно связана с задержкой эхо-сигнала ƒ_b=ƒ_tx-ƒ_гх=ατ=2rB/V_riT_m, где B - ширина полосы пропускания ЛЧМ сигнала.

В блоке 9, глубины слоев снежно-ледяного покрова определяются возникающей разностью расстояний, которые проходят зондирующие сигналы по формуле r=ƒ_bV_riT_m/2B при нормальном зондировании к поверхности. Относительные диэлектрические проницаемости слоев ε_ri+1, при наклонном зондировании под углом θ₁=40°…90° с вертикально поляризованным зондирующим сигналом контролируемого участка снежно-ледяного покрова, определяются по углам Брюстера θ_Bi,i+1, i,i+1-границ раздела слоев (фиг. 3, фиг. 4), последовательно от 40° до 90° по минимальным коэффициентам отражения Френеля (фиг. 3) из (1) и (2), в момент пропадания пика эхо-сигнала от соответствующей границы раздела слоев, где например, θ_В1,2=49°, θ_В2,3=55°, θ_B3,4=59°, θ_В4,5=61°, θ_В5,6=61°, θ_В6,7=83°. Поскольку плотность снежно-ледяного покрова увеличивается по мере увеличения глубины от ρ_r=10 кг/м³ - для свежевыпавшего снега до ρ_r=917 кг/м³ - для сухого льда без воздушных включений, будет наблюдаться последовательное пропадание пиков эхо-сигналов от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова при соответствующих θ_Bi,i+1.

Коэффициент отражения от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова определяется:

где θ₁ - угол зондирования;

где

…

где

Суммарный коэффициент отражения от снежно-ледяного покрова без учета многократных отражений между границами слоев определяется:

где …; h_ri+1 - глубина (i+1)-слоя; λ - длина волны зондирующего сигнала; - относительная глубина (i+1)-слоя; - длина волны в слое; R_vi,i=0, k≠i, k≠i+1.

Последовательное определение углов Брюстера θ_Bi,i+1, позволяет определить диэлектрическую проницаемость каждого последующего слоя ε_ri+1=(tgθ_B1,i+1)², количество слоев снежного и ледяного покрова, формируемых в естественной среде, будет различной, что связано с их формированием в процессе снегопадов оттепелей, похолоданий и т.д. определяющихся комплексом гидрометеорологических условий.

Полученные значения диэлектрических проницаемостей слоев ε_ri+1 в блоке 10 сравниваются с заданными значениями диэлектрических проницаемостей слоев ε_vrΔ. Блок 11 оценивает состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_ri+1=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».

При отрицательных температурах Т=-1…-40°С действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости слоев ( - снега (s), - фирна (f), - льда (i)) с плотностью слоев ρ_r=100…917 кг/м³ (ρ_s=100…500; ρ_f=500…700; ρ_i=700…917 кг/м³) не зависят от ƒ=1…10 ГГц, а только от T в небольших пределах, определение состояния снежно-ледяного покрова осуществляется по условию где - действительная часть диэлектрической проницаемости i+1 - слоя; - действительная часть заданных значений относительных диэлектрических проницаемостей влажных сред (для общей формулы трехкомпонентной среды): - снега; - фирна; - льда; - чистой воды (pw); - морской воды (sw). Например, при Т=-1…-40°С для снега, как двух компонентной среды воздуха и льда, действительная часть диэлектрической проницаемости находится между воздухом и льдом (сухой плотный лед (без воздушных включений ρ_i=917 кг/м³ ), для фирна (плотно слежавшегося, зернистого и частично перекристаллизованного, обычно многолетнего снега, т.е. промежуточной стадии между снегом и глетчерным льдом) относительная диэлектрическая проницаемость приближается к значениям для льда. Для воды находящейся под снежно-ледяным покровом при T=0°С на частотах ƒ=2…8 ГГц наблюдается плавное снижение действительной части диэлектрической проницаемости для талой воды для морской воды соленостью S_sw=35 г/кг - определяемое Дебаевской моделью.

Значения действительной части диэлектрической проницаемости среды расчитаны по формуле Г. Луэнга [Мачерет Ю.Я. Оценка содержания воды в ледниках по гиперболическим отражениям / Материалы гляциологических исследований // Институт географии РАН. 2000. Вып. 89. С. 3-10] для таких сред с включениями воздуха и льда сферической формы

где ν_i=ρ_r/ρ_i - объемное содержание льда; ρ_r - плотность сухой среды (сухого (dry) снега ρ_ds, фирна ρ_df, льда ρ_di); ρ_i=917 кг/м³ - плотность сухого льда без воздушных включений. - действительная часть диэлектрической проницаемости льда.

При температуре Т=0°С весомый вклад в диэлектрическую проницаемость будет вносить влажность (доля содержания воды в слое) для двух компонентной смеси лед-вода с порами, заполненными водой

где P_w - общая доля содержания воды; и относительная диэлектрическая проницаемость льда и воды соответственно. Общая формула для трехкомпонентной среды [Мачерет Ю.Я. Оценка содержания воды в ледниках по гиперболическим отражениям / Материалы гляциологических исследований // Институт географии РАН. 2000. Вып. 89. С. 3-10], состоящей из льда с включениями воды и воздуха включающая частные случаи (1)и(2)

где P_wa - общая доля содержания воды и воздуха. Выход с блока 11 является выходом устройства.

Вероятность идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова повышается за счет увеличения разрешающей способности по глубине, которая при использовании ЛЧМ-сигнала с частотой от 2 ГГц до 8 ГГц (В=6 ГГц) составляет порядка 4 см при этом погрешность определения диэлектрической проницаемости слоев (фиг. 3) по углам Брюстера θ_Bi,i+1 при заданных расчетных значениях ε_ri+1 и согласно формулы ε_ri+1=(tgθ_B1,i+1)² составляет не более 3%.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявляемый способ оценки состояния снежно-ледяного покрова, обеспечивает определение относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова по углам Брюстера при минимальных коэффициентах отражения Френеля, сравнение определенных относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями и оценивание состояния снежно-ледяного покрова, за счет приема эхо-сигналов с линейно-частотной модуляцией, непосредственно из контролируемого участка снежно-ледяного покрова используемых в оценке состояния снежно-ледяного покрова с целью транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом.

Использование: для дистанционной оценки состояния снежно-ледяного покрова. Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно последовательно определяют зависимость коэффициентов отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40 до 90°, определяют углы Брюстера θ_Bi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε_ri+1 снежно-ледяного покрова по формуле ε_ri+1=(tgθ_Bi,i+1], сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_ri+1=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода». Технический результат: повышение точности идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова. 4 ил.

Способ оценки состояния снежно-ледяного покрова, заключающийся в облучении контролируемого участка СВЧ-радиоволнами, приеме отраженного сигнала, определении зависимости коэффициента отражения Френеля контролируемого участка от угла падения θ в пределах от 40 до 90°, определении угла Брюстера θ_B, расчете относительной комплексной диэлектрической проницаемости контролируемого участка по формуле ε=(tgθ_B)², отличающийся тем, что дополнительно последовательно определяют зависимость коэффициентов отражения Френеля R_vi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40 до 90°, определяют углы Брюстера θ_Bi,i+1, i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε_ri+1 снежно-ледяного покрова по формуле ε_ri+1=(tgθ_Bi,i+1), сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_ri+1=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».