Способ определения толщины морского льда Советский патент 1993 года по МПК G01S13/95 

(Л

С

Использование: в радиолокационных измерениях для определения толщины льда, высоты снежного и растительного покровов. Сущность изобретения: способ определения толщины морского льда заключается в излучении электромагнитных зондирующих импульсов метрового диапазона в направлении льда в ортогональных плоскостях поляризации, приеме отраженных сигналов в тех же плоскостях поляризации, объединении сигналов обеих поляризаций и измерении для объединенного сигнала временного интервала, по которому определяют толщину льда. 2 ил.

Изобретение относится к области измерения толщины слоистых сред дистанцион- ными методами с помощью радиолокационных устройств и может быть использовано для измерения толщины льдов, высоты снежного и растительного покровов.

Известны способы определения толщины морского льда, заключающиеся в излучении зондирующих сигналов в направлении льда, приеме отраженных сигналов, обработке сигналов с целью выделения информации о временной задержке распространения радиоволн во льду t и определении толщины h льда по этой задержке при известной скорости v распространения радиоволн во льду

h v At/2.

Целью настоящего изобретения является повышение точности измерений.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется с помощью временных диаграмм на фиг.1.

Реализации Si(t) и Sa(t) представляют собой сигналы на выходах приемников каналов с ортогональной поляризацией отраженных сигналов. Здесь первые, большие ло амплитуде импульсы есть прямые сигналы, попадающие из передающей антенны в приемную и по временному положению практически соответствующие моменту излучения зондирующих сигналов с ортогональными поляризациями т.Из. Вторые сигналы, меньшие по амплитуде, представляют собой сигналы, отраженные от морского льда и детально представленные реализациями 5з(т.)и .1). Время прихода отраженных сигналов torp относительно момента излучения тиз соответствует времени распространения электромагнитных волн от передающей антенны до повер00

00

о

VJ

хности льда и обратно до приемной антенны.

Отраженные от льда сигналы Sa(t) и $4(t) состоят из двух отражейий: первого сигнала, отраженного от верхней границы льда Se(t), и второго сигнала, отраженного от нижней границы льда SH(t). Временной интервал между сигналами SB(t) и Sn(t) At пропорционален толщине льда h.

При зондировании льда, не обладающего свойством анизотропии, амплитуды импульсов SB(t) и SH(t) одинаковы для ортогональных поляризаций зондирующих, а следовательно, и отраженных сигналов 5з(1) и S4(t), а временной интервал между ними идентичен. В случае, когда осуществляется зондирование морского льда, обладающего свойством анизотропии, наблюдается следующее. Если первые импульсы SB(t), отраженные от верхней границы льда, одинаковы по амплитуде и совпадают по времени прихода, то вторые отраженные от нижней границы льда импульсы SH(t) имеют разные амплитуды и отличаются по времени прихода. Это связано с тем, что ориентация кристаллов в верхних слоях льда изотропна, средние же слои льда и особенно нижние содержат кристаллы льда, имеющие преимущественную ориентацию.

При радиолокационном зондировании линейно поляризованными сигналами ориентация вектора поляризации зондирующего сигнала относительной осей анизотропных кристаллов льда оказывается случайной. Возможно как благоприятное взаимное расположение вектора поляризации и осей кристаллов льда, так и неблагоприятное. В результате экспериментальных исследований, проводимых авторами в течении нескольких последних лет на припайных и дрейфующих льдах в Арктике, установлено, что когда поляризация -зондирующего сигнала неблагоприятная, то наблюдается уменьшение амплитуды сигнала 8н(1) и уменьшение временного интервала At. При этом имеется определенная корреляционная связь между амплитудой сигнала SH(t) и изменением его временного положения, а следовательно и значением временного интервала At. При благоприятной ориентации вектора поляризации зондирующего сигнала амплитуда импульса, отраженного от нижней границы льда, максимальна, а его временное положение соответствует расположению SH(t) для случая зондирования льда, не обладающего свойством анизотропии.

Указанные особенности сигналов пред- полагают возможность повышения точности измерения толщины льдов, обладающих свойством анизотропии, путем использования ортогонально поляризованных зондирующих сигналов и объединения отраженных сигналов, полученных на выходах приемников ортогонально поляризованных каналов. Объединение при этом

может осуществляться как путем простого суммирования отраженных сигналов, так и с учетом взаимокорреляционной связи амплитуд Snft) и значений временного интервала At в ортогональных каналах.

Последовательность операций осуществления предлагаемого способа следующая: - излучаются ортогонально поляризованные зондирующие импульсы в направлении льда;

- отраженные от ледового покрова сигналы принимаются с помощью ортогонально поляризованных антенн и приемников в тех же плоскостях поляризации;

- производят объединение выходных сигналов приемников для ортогональных

поляризаций;

- измеряют для объединенного сигнала временной интервал между импульсами, отраженными от границ льда;

0 - пересчитывают измеренное значение временного интервала t между импульсами, отраженными от границ льда, в толщину льда h по формуле h vAt/2,

5 Где v - скорость распространения радиоволн во льду.

Реализация предлагаемого способа при объединении отраженных ортогонально поляризованных сигналов путем суммирова0 ния основана на том физическом свойстве, что временной сдвиг сигналов от нижней границы морского льда для случаев благоприятной и неблагоприятной поляризаций не превышает длительности главного мак5 симума отражённого сигнала. При этом в процессе суммирования отраженных сигналов Sa(t) и S4(t) результирующий сигнал $4(t) будет определяться большим по амплитуде и более точным по временному положе0 нию отраженным сигналом с благоприятной поляризацией.

Реализация заявляемого способа при объединении отраженных сигналов ортогональных поляризаций, например путем их

5

суммирования, поясняется с помощью устройства, представленного на фиг.2.

Устройство содержит синхронизатор 1, соединенный с двумя передатчиками 2 и 3, две передающие антенны 4 и 5, подключен

ные к выходам передатчиков; две приемные антенны 6 и 7, подключенные ко входам приемников 8 и 9 соответственно. С выходов приемников 8 и 9 отраженные сигналы поступают на входы сумматора 10, а с его выхода на измеритель временных интервалов 11. Значение временного интервала между импульсами, отраженными от границ льда, для объединенного сигнала поступает на масштабный преобразователь 12, обеспечивающий преобразование значения временного интервала в толщину льда.

Последовательность операций осуществления предлагаемого способа в данном варианте технической реализации следующая:

- зондирующие импульсы с выходов запускаемых синхронизатором 1 передатчиков 2 и 3 излучаются с помощью- ортогонально поляризованных антенн 4 и 5 в направлении льда;

- отраженные от ледового покрова сигналы принимаются с помощью ортогонально поляризованных антенн 6 и 7 и приемников 8 и 9;

- производят суммирование выходных сигналов приемников 8 и 9 для ортогональных поляризаций с помощью сумматора 10;

- измеряют для объединенного сигнала временной интервал между импульсами, отраженными от границ льда;

- пересчитывают измеренное значение временного интервала At между импульсами, отраженными от границ льда, в толщину льда h по формуле

h vAt/2,

. где v - скорость распространения радиоволн во льду.

Предлагаемый способ приданном варианте технической реализации по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

Рассмотрим на примере.

Пусть амплитуда сигнала SB(t) равна 1 В. Тогда значения SH(t) для ортогонально поляризованных сигналов в случаях благоприятной и неблагоприятной поляризаций составит 0,3 и 0,12 В (результаты экспериментов). При суммировании сигналов для ортогональных поляризаций SB(t) и SH(t) будут равны, соответственно, 2 и 0,42 В. Необходимый потенциал радиолокационного измерителя толщины морского льда, а следовательно и мощность зондирующих сигналов определяются амплитудой сигнала, отраженного от нижней границы льда. При

суммировании отраженных сигналов для ортогональных поляризаций амплитуда SH(t) больше SH(t) в случае зондирования линейно поляризованным сигналом при неблагоприятной поляризации в 3.5 раза. Учитывая, что при зондировании ортогонально поляризованными сигналами мощность излучения удваивается, окончательный выигрыш в потенциале составит 1.7-1.8, что

позволит снизить мощность передатчика на 5д5.

свойств. Возможно снижение максимальных погрешностей (по результатам расчета на модельных сигналах) с 8 до 5%.

Указанные преимущества предлагаемого способа позволяют повысить точность измерения толщины морского льда, а возможно, и других слоистых сред, обладающих свойствами анизотропии, снизить требования к энергетическим характеристикам передатчиков радиолокационных устройств, предназначенных для зондирования таких сред.

Применение в народном хозяйстве радиолокационных устройств, реализующих предлагаемый способ, позволит получить

экономический эффект. Это связано с тем, что предлагаемый способ позволяет повысить эффективность дистанционных радиолокационных методов измерения толщины морского льда, широко использующихся в

настоящее время в Арктике при проводке судов, продлении навигации, ледовой разведке и т.п.

40

Формула изобрете н-и я

Способ определения толщины морского льда, заключающийся в излучении электромагнитных зондирующих импульсов метрового диапазона в направлении льда, приеме отраженных импульсов, измерении временного интервала At между импульсами, отра- женными от границ льда, и пересчете временного интервала в толщину льда h no формуле h vAt/2. где v - скорость распространения радиоволн во льду, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, зондирование производят в ортогональных плоскостях поляризации, принимают отраженные сигналы в тех же плоскостях поляризации, объединяют сигналы обеих поляризаций и для объединенного сигнала производят измерение временного интервала At между импульсами, отраженными от границ льда.

s,(U

Sb(t)

4

se-tt)

SvCt)

H

//