СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЯ СНЕЖНО-ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА
METHOD FOR REMOTE IDENTIFICATION OF ICE-SNOW COVER STATE

Изобретение относится к области определения характеристик подстилающих поверхностей, для дистанционной идентификации 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
2
Известен способ 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 В, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθ) [Патент RU 2613810 С1, опубл. 21.03.2017, МПК G01R 27/00 «Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями в СВЧ диапазоне»].
Недостатком способа 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 дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова, представляющего собой многослойные структуры с различными плотностями, долями содержания воды и собственными структурами.
Наиболее близким к заявленному способу по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ, в котором на основе облучения контролируемого участка морской поверхности СВЧ-радиоволнами на наклонной поляризации, регистрируют рассеянный назад сигнал одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях, вычисляют поляризационное отношение и рассчитывают относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей атмосфера-океан [Патент RU 2623668 С1, опубл. 28.06.2017, МПК G01N 27/06 «Способ дистанционного определения 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 дистанционной идентификации 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.
vrΔ
rm
vrΔ
Указанный технический результат достигается тем, что облучают контролируемый участок под наклонном плоскими СВЧ-радиоволнами с вертикальной и горизонтальной поляризацией, принимают отраженный сигнал, одновременно с вертикальной и горизонтальной поляризацией, определяют относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей раздела сред согласно изобретению, сканируют контролируемый участок под наклонном линейно-частотно-модулированным сигналом с вертикальной и горизонтальной поляризацией под углом θ в интервале от 25° до 45°, где θ - угол между направлением сканирования и нормалью к поверхности исследуемого участка, дополнительно определяют  отношения квадратов коэффициентов отражения Френеля сигналов с горизонтальной  и вертикальной  поляризацией от границ раздела слоев и относительные диэлектрические проницаемости слоев снежно-ледяного покрова , где m=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, индекс m=2 соответствует первому слою снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
vrΔ
rm
vrΔ
Сущность заявляемого способа состоит в том, что сканируют контролируемый участок под наклонном линейно-частотно-модулированным сигналом с вертикальной и горизонтальной поляризацией под углом θ в интервале от 25° до 45°, где θ - угол между направлением сканирования и нормалью к поверхности исследуемого участка, дополнительно определяют  отношения квадратов коэффициентов отражения Френеля сигналов с горизонтальной  и вертикальной  поляризацией от границ раздела слоев и относительные диэлектрические проницаемости слоев снежно-ледяного покрова , где m=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, индекс m=2 соответствует первому слою снежно-ледяного покрова, сравнивают полученные значения относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями ε и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
Зондирование контролируемого участка снежно-ледяного покрова линейно-частотно-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 отношениям квадратов коэффициентов отражения Френеля сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией, на которые заметное влияние оказывают: плотности слоев, доли содержания воды и структуры подстилающих поверхностей (снег, фирн, лед, вода), что позволяет идентифицировать слои подстилающей поверхности с целью дистанционного определения состояния снежно-ледяного покрова водоема.
Известно, что коэффициент отражения Френеля для многослойной среды (суммарный) при наклонном зондировании плоскими СВЧ-радиоволнами с вертикальной и горизонтальной 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+l
где h - глубина (i+l) -слоя; λ - длина волны зондирующего сигнала;
для i,i+l границы раздела слоев снежно-ледяного покрова с вертикальной поляризацией (vv - первый индекс зондирующего, второй принятого радиосигнала)
где ; для i,i+l границы раздела слоев снежно-ледяного покрова с горизонтальной поляризацией (hh - первый индекс зондирующего, второй принятого радиосигнала)
s
i
rm
rm
rm
vrΔ
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5, 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 отношений квадратов коэффициентов отражения Френеля P сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией от границ раздела слоев и относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε, где m=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, индекс m=2 соответствует первому слою снежно-ледяного покрова; 10 - блок сравнения относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε с заданными значениями относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова ε; 11 - блок идентификации состояния снежно-ледяного покрова.
rm
rds
B
tx
0
m
0
m
m
rx
0
m
2
Способ дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова при транспортировке (доставке) грузов и объектов по водоему, со снежно-ледяным покровом, по отношениям квадратов коэффициентов отражения Френеля P 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°…45° контролируемого участка снежно-ледяного покрова, определяемого меньшим угла Брюстера θ В=46° для слоя снежно-ледяного покрова с наименьшей относительной диэлектрической проницаемостью сухого снега (dry snow) - ε=1,07-j0,0008, рассчитанной по формуле ε=(tgθ) [Патент RU 2613810 С1, опубл. 21.03.2017, МПК G01R 27/00], линейно-частотным модулированным (ЛЧМ) сигналом, сформированным в передающем устройстве 7 с частотой ƒ (t)= ƒ+αt,  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),  собранных по классической схеме.
rm
rm
b
b
tx
rx
rm
m
Принятый эхо-сигнал от границ раздела слоев снежно-ледяного покрова на расстоянии r, имеет временную задержку τ, определяемую выражением τ=2r/V, где V - скорость распространения электромагнитной волны в 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 непосредственно связана с задержкой эхо-сигнала ƒ=ƒ-ƒ=ατ=2rB/V T, где В - ширина полосы ЛЧМ-сигнала.
b
rm
m
При нормальном зондировании подстилающей поверхности глубины слоев снежно-ледяного покрова определяются возникающей разностью расстояний, которые проходит зондирующий сигнал по нормали к подстилающей поверхности по формуле r=ƒVT/2 В.
Известно, мощность отраженного сигнала от снежно-ледяного покрова [Sudarsan, Krishnan В.Е. Modeling and simulation analysis of an FMCW radar for measuring snow thickness / B.E. Sudarsan Krishnan // Electronics and communication engineering. University of Madras, 2000. P. 33] определяется формулой:
tx
где P - мощность передающего устройства; λ - длина волны; G - коэффициент усиления антенны; h - высота носителя радиолокатора.
tx
rm
tx
На обеих поляризациях радиосигнал (4) в конкретный момент времени имеет одни и те же параметры P, λ, G, h и поскольку эта зависимость нивелируется при вычислении отношения квадратов коэффициентов отражения Френеля вертикально и горизонтально поляризованных сигналов, отношение будет определяться тремя параметрами: ε, θ и ƒ.
rm
В блоке 9, относительные диэлектрические проницаемости слоев снежно-ледяного покрова, определяются из отношений квадратов коэффициентов отражения Френеля P (по мощности) (фиг. 3) сигналов с горизонтальной  (фиг. 4) полученных по рекуррентной формуле (1) с учетом каждой границы раздела слоев снежно-ледяного покрова формула (3) и  вертикальной (фиг. 5) полученных по рекуррентной формуле (1) с учетом каждой границы раздела слоев с нежно-ледяного покрова (2) поляризацией:
Где  - коэффициенты отражения Френеля по мощности (отражательная способность) измеренные на горизонтальной (hh) и вертикальной (vv) поляризациях соответственно (первый индекс поляризация зондирующего, второй - принятого радиосигнала); m - количество пиков эхо-сигнала (границ раздела слоев снежно-ледяного покрова с разными относительными диэлектрическими проницаемостями).
rm
Количество слоев снежного и ледяного покрова, формируемых в естественной среде, будет различной, поскольку это связано с их формированием в процессе снегопадов оттепелей, похолоданий и т.д., определяющихся комплексом гидрометеорологических условий. Последовательно определяя диэлектрическую проницаемость каждого последующего слоя ε, где m=2, 3, …, n - номер слоя снежно-ледяного покрова, индекс m=2 соответствует первому слою снежно-ледяного покрова, по формуле:
что соответствует графикам (фиг. 3) зависимости (5).
rm
vrΔ
rm
vrΔ
Полученные значения диэлектрических проницаемостей слоев ε в блоке 10 сравниваются с заданными значениями диэлектрических проницаемостей слоев ε. Блок 11 идентифицирует состояние снежно-ледяного покрова по условию ε=ε: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
r
s
f
i
rm
vrΔ
3
3
3
3
Действительная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости слоев, при температурах ниже 0°С в интервале t=- 1 … - 40°С,  ( - снега (snow),  - фирна (firn),  - льда (ice)) с плотностью слоев ρ=100…917 кг/м (ρ=100…500 кг/м, ρ=500…700 кг/м, ρ=700…917 кг/м) не зависят от ƒ=1…10 ГТц, а только от t в небольших пределах. Идентификация состояния снежно-ледяного покрова осуществляется по условию ε=ε, где  - действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости w-слоя;  - действительная и мнимая часть заданных значений относительных диэлектрических проницаемостей влажных сред (для общей формулы трехкомпонентной среды):  - снега,  - фирна,  - льда,  - чистой воды (pure water),  - морской воды (sea water).
i
3
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=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 ГТц 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
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 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
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 (7) и (8)
wa
где P - общая доля содержания воды и воздуха. Выход с блока 11 является выходом устройства.
r2
г3
r4
r5
r6
r2
r3
r4
r5
r6
sw
Например, на графиках (фиг. 3) при 0=38° соответствующие поляризационные отношения: 12 - P=9,0589, 13 - Р=4,9036, 14 - P=3,5908, 15 - P=3,250, 16 - P=1,2516, что соответствует: ε=1,3 - j0,0008 - сухому снегу, ε=2 - j0,0008 - сухому снегу, ε=2,8 - j0,0008 - сухому фирну, ε=3,2 - j0,0008 - сухому льду, ε=74 - j - морской воде соленостью S=35 г/кг.
rm
rm
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 методическая погрешность определения диэлектрической проницаемости слоев (фиг. 3) по отношениям квадратов коэффициентов отражения Френеля P при заданных значениях ε и согласно формулы (6) составляет не более 1,5%.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявляемый способ дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова, обеспечивает определение относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова по отношениям квадратов коэффициентов отражения Френеля, сравнение определенных относительных диэлектрических проницаемостей слоев с заданными значениями и идентификацию составляющих элементов 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.