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

Изобретение относится к области определения характеристик подстилающих поверхностей, для дистанционного определения 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 дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан [патент RU 2623668 С1, опубл. 28.06.2017, МПК G01N 27/06], основанный на облучении контролируемого участка морской поверхности СВЧ-радиоволнами на наклонной поляризации, регистрации рассеянного назад сигнала одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях, вычислении поляризационного отношения и расчета относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан.

Недостатком способа-прототипа является невозможность определения состояния слоев среды, что предопределяет низкий уровень безопасности транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, в частности, невозможностью дистанционного определения 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 дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова.

Указанный технический результат достигается тем, что облучают контролируемый участок СВЧ-радиоволнами с наклонной поляризацией в интервале от 25° до 75°, принимают отраженный сигнал, одновременно с вертикальной и горизонтальной поляризациями, определяют поляризационное отношение и относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей раздела сред, согласно изобретению, если необходимо осуществить транспортировку (доставку) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, то дополнительно определяют поляризационные отношения P_rk нормированных сечений обратного рассеяния и относительные диэлектрические проницаемости ε_rk слоев снежно-ледяного покрова, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_rk=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 определяют поляризационные отношения P_rk нормированных сечений обратного рассеяния и относительные диэлектрические проницаемости ε_rk слоев снежно-ледяного покрова, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_rk=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, по поляризационным отношениям сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями, 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 дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова водоема.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, 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 поляризационных отношений сигналов P_rk и относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_rk, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова; 10 - схема сравнения относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_rk с заданными значениями относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε_vrΔ; 11 - блок определения состояния снежно-ледяного покрова.

Способ дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова при транспортировке (доставке) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, по поляризационным отношениям 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 θ=25°...75° контролируемого участка снежно-ледяного покрова линейно-частотным модулированным (ЛЧМ) сигналом, сформированным в передающем устройстве 7 с частотой , 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 собранных по классической схеме. Принятый эхо-сигнал от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова на расстоянии r, имеет временную задержку τ, определяемую выражением τ=2r/V_rk, где V_rk - скорость распространения электромагнитной волны в k-слое [Малышев В.А., Машков В.Г. Скорость распространения электромагнитной волны в снежно-ледяной подстилающей поверхности // Радиотехника. М.: Радиотехника. 2020. №3 (5). С. 40-54]. Частотная составляющая биения ƒ_b непосредственно связана с задержкой эхо-сигнала ƒ_b=ƒ_tx-ƒ_rx=ατ=2rB/V_rkT_m, где В - ширина полосы пропускания ЛЧМ сигнала.

Глубины слоев снежно-ледяного покрова определяются возникающей разностью расстояний, которые проходят зондирующие сигналы в надир по формуле r=ƒ_bV_rkT_m/2B.

Нормированное сечение обратного рассеяния в случае распространения резонансных составляющих поля волн по плоской поверхности можно представить формулой [патент RU 2623668 С1, опубл. 28.06.2017, МПК G01N 27/06]:

где рр - вид поляризации, первый индекс соответствует поляризации излучаемого сигнала, второй - принимаемого; k_rk - волновое число радиоволны; - спектр снежной, ледяной или водной поверхности, согласно соответствующему волновому вектору резонансной компоненты.

На обеих поляризациях сигнал с одним и тем-же волновым чистом k_rk пропорционален шероховатости снежной, ледяной и водной поверхности соответственно, и поскольку эта зависимость нивелируется при вычислении поляризационного отношения вертикально и горизонтально поляризованных сигналов, поляризационное отношение будет определяться тремя параметрами: ε_rk, θ и ƒ. Зная поляризационные отношения сигналов P_rk, угол зондирования θ и частоту ƒ, итерационно определяют диэлектрическую проницаемость каждого последующего слоя ε_rk, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, поскольку 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.

В блоке 9, относительные диэлектрические проницаемости слоев снежно-ледяного покрова, определяются из поляризационных отношений обратного рассеяния P_rk (фиг. 3) сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризациями:

где - нормированное сечение обратного рассеяния измеренные на вертикальной (vv) и горизонтальной (hh) поляризациях соответственно (первый индекс поляризация зондирующего, второй -принятого сигнала); k - количество пиков эхо-сигнала (границ раздела слоев снежно-ледяного покрова с разными диэлектрическими проницаемостями, соответствующее количеству слоев снежно-ледяного покрова); - геометрические коэффициенты, зависящие от вида поляризации, угла падения радиоволн на границу раздела слоев и электрофизических (диэлектрических проницаемостей) параметров слоев снежно-ледяного покрова водоема [Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Влияние длинных волн на резонансное рассеяние морской поверхностью радиоволн миллиметрового диапазона // Журнал радиоэлектроники. М.: Институт радиотехники и электроники РАН. 2015. №9. С. 1-15],

θ=25°…75° - угол зондирования контролируемого участка снежно-ледяного покрова водоема определяемый резонансным (брэгговским) механизмом рассеяния.

Комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев снежно-ледяного покрова, полученная из формул (1)-(3) определяется:

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

При отрицательных температурах T=-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 ε_rk=ε_vrΔ, состоящих из действительных и мнимых частей - действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости k-слоя; -действительная и мнимая часть заданных значений относительных диэлектрических проницаемостей влажных сред (для общей формулы трехкомпонентной среды): - снега, - фирна, - льда, - чистой воды (pw), - морской воды (sw).

Например, при T=-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 Т=0°С на частотах ƒ=2…8 ГГц наблюдается плавное снижение действительной части диэлектрической проницаемости для талой воды , для морской воды соленостью определяемое Дебаевской моделью [Малышев В.А., Машков В.Г. Скорость распространения электромагнитной волны в снежно-ледяной подстилающей поверхности // Радиотехника. М.: Радиотехника. 2020. №3 (5). С. 40-54].

Значения действительной части диэлектрической проницаемости среды рассчитаны 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 v_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 T=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; 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 (5) и (6)

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

Например, на графиках (фиг. 3) при θ=65° соответствующие поляризационные отношения: 12 - P_r2=2,391, 13 - P_r3=7,96, 14 - Ρ_r4=18,31, 15 - P_r5=25,07, соответствуют: ε_r2=1,3-j0,0008 - сухому снегу, ε_r3=2-j0,0008 - сухому снегу, ε_г4=2,8-j0,0008 - сухому фирну, ε_r5=3,2-j0,0008 - сухому льду.

Повышение вероятности идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова, тем самым повышение уровня безопасности транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, достигается за счет более точного дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова, т.к. увеличивается разрешающая способность по глубине и составляет порядка 4 см, при использовании ЛЧМ-сигнала с частотой от 2 ГГц до 8 ГГц (В=6 ГГц), при этом погрешность определения диэлектрической проницаемости слоев (фиг. 3) по поляризационным отношениям P_rk нормированных сечений обратного рассеяния при заданных значениях ε_rk и согласно формулы (4) составляет не более 1%.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявляемый способ дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова, обеспечивает определение относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова по поляризационным отношениям, сравнение определенных относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями и определение состояния снежно-ледяного покрова, за счет приема эхо-сигналов с линейно-частотной модуляцией, одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях, непосредственно из контролируемого участка снежно-ледяного покрова используемых в определении состояния снежно-ледяного покрова с целью транспортировки (доставки) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом.

Использование: для дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова. Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно определяют поляризационные отношения P_rk нормированных сечений обратного рассеяния и относительные диэлектрические проницаемости ε_rk слоев снежно-ледяного покрова, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_rk=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода». Технический результат: повышение вероятности идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова. 3 ил.

Способ дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова, заключающийся в облучении контролируемого участка СВЧ-радиоволнами с наклонной поляризацией в интервале от 25° до 75°, приеме отраженного сигнала одновременно с вертикальной и горизонтальной поляризациями, определении поляризационного отношения и относительной диэлектрической проницаемости среды под границей раздела сред, отличающийся тем, что дополнительно определяют поляризационные отношения P_rk нормированных сечений обратного рассеяния и относительные диэлектрические проницаемости ε_rk слоев снежно-ледяного покрова, где k=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε_vrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε_rk=ε_vrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».