Способ дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова
Владельцы патента RU 2750563:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)
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. Технический результат: повышение вероятности идентификации составляющих элементов структуры снежно-ледяного покрова, повышение уровня безопасности транспортировки грузов по водоему со снежно-ледяным покровом. Сущность: сканируют контролируемый участок под наклоном 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. 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 εvrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию εrm=εvrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода». 5 ил.
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.
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=(tgθB)2 [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.
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 εvrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию εrm=εvrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
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 εvrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию εrm=εvrΔ: «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:
где hi+l - 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)
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; hs - глубина снежного покрова; hi - толщина ледяного покрова; 7 - передающее устройство; 8 - приемное устройство; 9 - блок определения отношений квадратов коэффициентов отражения Френеля Prm сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией от границ раздела слоев и относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова εrm, 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 εrm с заданными значениями относительных диэлектрических проницаемостей слоев снежно-ледяного покрова εvrΔ; 11 - блок идентификации состояния снежно-ледяного покрова.
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 Prm 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) - εrds=1,07-j0,0008, рассчитанной по формуле ε=(tgθB)2 [Патент RU 2613810 С1, опубл. 21.03.2017, МПК G01R 27/00], линейно-частотным модулированным (ЛЧМ) сигналом, сформированным в передающем устройстве 7 с частотой ƒtx (t)= ƒ0+αtm, 
где ƒ0 - начальная частота, α - скорость изменения частоты (крутизна ЛЧМ), tm - время в течение отдельного периода модуляции ЛЧМ - сигнала (быстрое время), а Tm - период модуляции (ЛЧМ сигнала) и прием эхо-сигналов приемным устройством 8 с частотой ƒrx(t)= ƒ0+α(tm-τ), 
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/Vrm, где Vrm - 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 ƒb непосредственно связана с задержкой эхо-сигнала ƒb=ƒtx-ƒrx=ατ=2rB/Vrm Tm, где В - ширина полосы ЛЧМ-сигнала.
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=ƒbVrmTm/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:
где Ptx - мощность передающего устройства; λ - длина волны; G - коэффициент усиления антенны; h - высота носителя радиолокатора.
На обеих поляризациях радиосигнал (4) в конкретный момент времени имеет одни и те же параметры Ptx, 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: εrm, θ и ƒtx.
В блоке 9, относительные диэлектрические проницаемости слоев снежно-ледяного покрова, определяются из отношений квадратов коэффициентов отражения Френеля Prm (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).
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 εrm, 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).
Полученные значения диэлектрических проницаемостей слоев εrm в блоке 10 сравниваются с заданными значениями диэлектрических проницаемостей слоев εvrΔ. Блок 11 идентифицирует состояние снежно-ледяного покрова по условию εrm=εvrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
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 ρr=100…917 кг/м3 (ρs=100…500 кг/м3, ρf=500…700 кг/м3, ρi=700…917 кг/м3) не зависят от ƒ=1…10 ГТц, а только от t в небольших пределах. Идентификация состояния снежно-ледяного покрова осуществляется по условию εrm=εvrΔ, 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).
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 ρi=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 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
где νi=ρr/ρi - объемное содержание льда; ρr - плотность сухой среды (сухого (dry) снега ρds, фирна ρdf, льда ρdi); ρi=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 Pw - 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)
где Pwa - общая доля содержания воды и воздуха. Выход с блока 11 является выходом устройства.
Например, на графиках (фиг. 3) при 0=38° соответствующие поляризационные отношения: 12 - Pr2=9,0589, 13 - Рг3=4,9036, 14 - Pr4=3,5908, 15 - Pr5=3,250, 16 - Pr6=1,2516, что соответствует: εr2=1,3 - j0,0008 - сухому снегу, εr3=2 - j0,0008 - сухому снегу, εr4=2,8 - j0,0008 - сухому фирну, εr5=3,2 - j0,0008 - сухому льду, εr6=74 - j - морской воде соленостью Ssw=35 г/кг.
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 Prm при заданных значениях εrm 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.
Способ дистанционной идентификации состояния снежно-ледяного покрова, заключающийся в том, что облучают контролируемый участок под наклоном 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, отличающийся тем, что сканируют контролируемый участок под наклоном 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 εvrΔ и определяют состояние снежно-ледяного покрова по условию εrm=εvrΔ: «снежный покров», «фирн», «ледяной покров» либо «вода».
