Estimation of the accuracy of reconstruction of electrophysical and geometric parameters by the polarimetric method of multilayer dielectric medium
Authors: Машков В.Г. , Малышев В.А. 
Published: July 2024

Разработка методов количественной интерпретации результатов контроля электрофизических и геометрических параметров многослойной среды является одной из важнейших проблем оценки ее состояния и имеет как практическое, так и теоретическое значение. Представлены результаты исследования потенциальной информативности метода дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова по отношениям коэффициентов отражения Френеля, использующего сверхширокополосный линейно-частотно-модулированный сигнал при реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических сред. Представлена оценка точности реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических сред, учитывающая значения электрофизических и геометрических параметров слоев среды, уровень шума в измерительных данных и ширину полосы частот измерений. Приведены результаты имитационного моделирования реконструкции относительных диэлектрических проницаемостей и толщин многослойной среды в виде снежно-ледяного покрова при различных значениях среднего квадратического отклонения уровня шума в поляризационных отношениях измеренных коэффициентов отражения электромагнитной волны. Установлено, что точность реконструкции электрофизических параметров слоев снежно-ледяного покрова уменьшается с увеличением уровня шума, а также с уменьшением диэлектрической проницаемости и толщины слоев. Согласно результатам имитационного моделирования и экспериментального исследования многослойной диэлектрической среды в виде снежно-ледяного покрова, при ширине полосы частот измерений 6 ГГц погрешности оценок диэлектрических проницаемостей и толщин слоев составляют не более 10 % с доверительной вероятностью 0,95 при среднем квадратическом отклонении уровня шума 3,8-4,8.

The development of methods for quantitative interpretation of the results of monitoring the electrophysical and geometric parameters of a multilayer medium is one of the most critical problems in assessing its state, both practical and theoretical value. The paper presents the results of a study of the potential informativeness of the method for remote identification of the state of snow-ice cover by the ratio of Fresnel reflection coefficients, using an ultra-wideband linear-frequency-modulated signal in the reconstruction of electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric medium. An estimation of the accuracy of reconstruction of electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric medium is presented, considering the values of electrophysical and geometric parameters of the medium layers, the noise level in the measurement data, and the measurement bandwidth. The results of simulation modeling of the reconstruction of the relative permittivity and thickness of a multilayer medium in the form of snow-ice cover at different values of the mean square deviation of the noise level in the polarization relations of the measured reflection coefficients of the electromagnetic wave are described. It is found that the accuracy of reconstruction of the electrophysical parameters of the layers of snow-ice covers reduces with the increasing noise level, as well as with decreasing permittivity and layer thickness. The results of experimental studies confirm the adequacy of the developed simulation model. The presented model allows us to quantify the potential accuracy of electrophysical parameters of multilayer dielectric medium reconstruction for a specific measuring complex that implements the multi-frequency method of electromagnetic waves. Experimental studies and simulation results of a multi-layer dielectric medium in the form of snow-ice cover have demonstrated the theoretical possibilities of obtaining the relative permittivity and thickness of individual layers with a relative error of no more than 10 %, with a measurement band of 6 GHz and an RMS of the noise level of 3.8–4.8.