СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
METHOD FOR ASSESSING THE STATE OF SNOW AND ICE COVER

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.
B
B
2
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, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθ).
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.
B
B
vi,i+1
Bi,i+1
ri+1
ri+1
Bi,i+1
vrΔ
ri+1
vrΔ
2
2
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, рассчитывают относительную комплексную диэлектрическую проницаемость контролируемого участка по формуле ε=(tgθ), 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, i,i+1-границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, определяют углы Брюстера θ i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε снежно-ледяного покрова по формуле ε=(tgθ), сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».
vi,i+1
Bi,i+1
ri+1
ri+1
Bi,i+1
vrΔ
ri+1
vrΔ
2
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, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, определяют углы Брюстера θ i,i+1 - границ раздела слоев, определяют относительные диэлектрические проницаемости слоев ε снежно-ледяного покрова по формуле ε=(fgθ), сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε и оценивают состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».
Bi,i+1
vi,i+1
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 для i,i+1 - границ раздела слоев, по минимальным коэффициентам отражения Френеля R, 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.
1
B
2
1
2
1
2
Известно, если зондирующий сигнал падает на границу раздела двух диэлектриков под углом θ равным углу Брюстера θ, то отраженный  и преломленный θ 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 θ и углом преломления θ на границе двух диэлектриков для исследуемых сред (μ=1: снег, фирн, лед) справедливо равенство:  где ε и ε - 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
i+1
где h - глубина (i+1)-слоя; λ - длина волны зондирующего сигнала;
где
s
i
vi,i+1
Bi,i+1
ri+1
ri+1
vrΔ
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 - глубина снежного покрова; h - толщина ледяного покрова; 7 - передающее устройство; 8 - приемное устройство; 9 - блок определения коэффициентов отражения Френеля R, i,i+1 - границ раздела слоев контролируемого участка от угла падения в пределах от 40° до 90°, углов Брюстера θ i,i+1 - границ раздела слоев, и относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε, где k≠i, k≠i+1 - количество слоев снежно-ледяного покрова; 10 - схема сравнения относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε с заданными значениями относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε; 11 - блок оценивания состояния снежно-ледяного покрова.
1
tx
0
m
m
m
0
m
m
гх
0
m
m
m
ri
ri
b
b
tx
гх
ri
m
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 θ=40°…90° контролируемого участка снежно-ледяного покрова линейно-частотным модулированным (ЛЧМ) сигналом, сформированным в передающем устройстве 7 с частотой ƒ(t)=ƒ+αt, ∀ 0 < t < T, где ƒ - начальная частота, α - скорость изменения частоты (крутизна ЛЧМ), t - время в течение отдельного периода модуляции ЛЧМ-сигнала (быстрое время), а T - период модуляции (ЛЧМ сигнала) и прием эхо-сигналов приемным устройством 8 с частотой ƒ(t)=ƒ+α(t-τ), ∀ τ < t < T 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, где V - скорость распространения электромагнитной волны в i-слое. Частотная составляющая биения ƒнепосредственно связана с задержкой эхо-сигнала ƒ=ƒ-ƒ=ατ=2rB/VT, где B - ширина полосы пропускания ЛЧМ сигнала.
b
ri
m
ri+1
1
Bi,i+1
В1,2
В2,3
B3,4
В4,5
В5,6
В6,7
r
r
Bi,i+1
3
3
В блоке 9, глубины слоев снежно-ледяного покрова определяются возникающей разностью расстояний, которые проходят зондирующие сигналы по формуле r=ƒVT/2B при нормальном зондировании к поверхности. Относительные диэлектрические проницаемости слоев ε, при наклонном зондировании под углом θ=40°…90° с вертикально поляризованным зондирующим сигналом контролируемого участка снежно-ледяного покрова, определяются по углам Брюстера θ, 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=49°, θ=55°, θ=59°, θ=61°, θ=61°, θ=83°. Поскольку плотность снежно-ледяного покрова увеличивается по мере увеличения глубины от ρ=10 кг/м - для свежевыпавшего снега до ρ=917 кг/м - для сухого льда без воздушных включений, будет наблюдаться последовательное пропадание пиков эхо-сигналов от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова при соответствующих θ.
Коэффициент отражения от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова определяется:
1
где θ - угол зондирования;
где
…
где
Суммарный коэффициент отражения от снежно-ледяного покрова без учета многократных отражений между границами слоев определяется:
ri+1
vi,i
где  …;  h - глубина (i+1)-слоя; λ - длина волны зондирующего сигнала;  - относительная глубина (i+1)-слоя;  - длина волны в слое; R=0, k≠i, k≠i+1.
Bi,i+1
ri+1
B1,i+1
2
Последовательное определение углов Брюстера θ, позволяет определить диэлектрическую проницаемость каждого последующего слоя ε=(tgθ), 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.
ri+1
vrΔ
ri+1
vrΔ
Полученные значения диэлектрических проницаемостей слоев ε в блоке 10 сравниваются с заданными значениями диэлектрических проницаемостей слоев ε. Блок 11 оценивает состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров», либо «вода».
r
s
f
i
i
sw
3
3
3
При отрицательных температурах Т=-1…-40°С действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости слоев  ( - снега (s),  - фирна (f),  - льда (i)) с плотностью слоев ρ=100…917 кг/м (ρ=100…500; ρ=500…700; ρ=700…917 кг/м) 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=917 кг/м), 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=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
i
r
i
r
ds
df
di
i
3
где ν=ρ/ρ - объемное содержание льда; ρ - плотность сухой среды (сухого (dry) снега ρ, фирна ρ, льда ρ); ρ=917 кг/м - 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
w
где P - 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)
wa
где P - общая доля содержания воды и воздуха. Выход с блока 11 является выходом устройства.
Bi,i+1
ri+1
ri+1
B1,i+1
2
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 при заданных расчетных значениях ε и согласно формулы ε=(tgθ) 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.