способ радиолокационного определения толщины льда

Формула изобретения

Способ измерения толщины льда радиолокационным методом, заключающийся в том, что для измерения толщины льда с неизвестными параметрами определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда, для чего одновременно зондируют лед короткоимпульсным сигналом посредством широкодиапазонной антенны и второй узкополосной антенной, центральная частота которой ниже нижней частоты рабочего диапазона широкодиапазонной антенны, принимают отраженные сигналы посредством многоканального многочастотного селективного приемника отраженных сигналов в виде массива измерений, в каждом канале которого определяют задержку времени _з= _в- _н между временем _в приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем _н приема отраженного сигнала, при этом время задержки _з зависит от параметров среды: - проводимости, - диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg , по частотной дисперсионной характеристике задержки времени методом максимального правдоподобия определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда, электрическую проводимость льда , относительную диэлектрическую проницаемость льда , по результатам измерений групповой скорости электромагнитной волны определяют толщину льда, при этом для повышения точности измерений изменяют центральную частоту узкополосной антенны и/или центральную частоту узкополосной антенны и характер спектра сигнала так, чтобы последующие уточняющие измерения выполнялись в частотной области, в которой тангенс угла диэлектрических потерь ледовой толщи примерно равнялся единице.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения толщины морских льдов, ледовой разведки, а также для радиозондирования ледников.

Известен способ определения состояния ледяного покрова путем зондирования морских льдов посредством радиолокационных станций с длиной волны 2÷3 см. При этом состояние льда определяется через эффективную площадь рассеивания (Л. 1). Данный способ позволяет выполнить оперативную оценку состояния ледяного покрова в части возрастных стадий льдов и их сплоченности по градациям (молодые/однолетние/старые льды). Однако при этом невозможно определение стадий развития однолетних льдов и точность измерения толщины льда очень низкая.

Известны способы определения толщины льда при облучении его поверхности короткоимпульсным сигналом и определении времени задержки импульсов, отраженных от нижней поверхности льда по отношению к импульсам, отраженным от его верхней поверхности (Л. 2). При этом значение групповой скорости V_гр, необходимое для определения толщины льда D_л, считается либо известным, либо определяется предварительно при помощи одного из методов калибровки.

Известные способы измерения толщины льда имеют очень низкую точность измерения.

Технический результат состоит в повышении точности измерения толщины льда.

Для этого в способе измерения толщины льда радиолокационным методом для измерения толщины льда с неизвестными параметрами определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда, для чего одновременно зондируют лед короткоимпульсным сигналом посредством широкодиапазонной антенны и второй узкополосной антенной, центральная частота которой ниже нижней частоты рабочего диапазона широкодиапазонной антенны, принимают отраженные сигналы посредством многоканального многочастотного селективного приемника отраженных сигналов в виде массива измерений, в каждом канале которого определяют задержку времени _з= _в- _н между временем _в приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем _н приема отраженного сигнала. Так как время задержки _з зависит от параметров среды: - проводимости, - диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg , по частотной дисперсионной характеристике задержки времени методом максимального правдоподобия определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда V_гр, электрическую проводимость льда , относительную диэлектрическую проницаемость льда , по результатам измерений групповой скорости электромагнитной волны определяют толщину льда, при этом для повышения точности измерений изменяют центральную частоту узкополосной антенны и/или центральную частоту узкополосной антенны и характер спектра сигнала так, чтобы последующие уточняющие измерения выполнялись в частотной области, в которой тангенс угла диэлектрических потерь ледовой толщи примерно равнялся единице.

На Фиг.1 показаны сигналы, отраженные от поверхности льда.

На Фиг.2 показана частотная характеристика времени задержки, содержащая в себе информацию о дисперсионных параметрах среды.

На Фиг.3 показана структурная схема, реализующая заявленный способ.

Существо заявленного способа состоит в том, что толщина льда при радиозондировании радиолокатором определяется по результатам измерения времени задержки _з зондирующих импульсов, отраженных от верхней и нижней кромок льда (Фиг.1).

В заявленном изобретении определяют дисперсионные свойства среды по результатам измерения частотной зависимости времени задержки _з сигнала. Для этого одновременно зондируют поверхность льда (Фиг.3) короткоимпульсным сигналом посредством широкодиапазонной антенны 1 и второй узкополосной антенной 2 через сумматор 3, центральная частота которой ниже нижней частоты рабочего диапазона широкодиапазонной антенны, принимают отраженные сигналы посредством многоканального многочастотного селективного приемника 4 отраженных сигналов в виде массива измерений, хранящихся в блоке памяти 5, в каждом канале которого определяют задержку времени _з.

Можно показать, что при отсутствии неоднородности среды толщина льда может быть определена точно в рамках принятой модели по дисперсионным характеристикам среды.

Групповая скорость сигнала, имеющая частотную зависимость в дисперсной среде, может быть определена достаточно четко только для узкополосного сигнала как скорость перемещения его огибающей. Поэтому представим широкополосный импульс в виде суммы узкополосных импульсов, что может быть выполнено с помощью многоканального многочастотного селективного радиоприемника, имеющего множество узкополосных каналов приема. Такой радиоприемник может быть виртуальным имитируемым программным блоком обработки сигнала 6.

На выходе каждого канала сигналы будут иметь время задержки _з, определяемое групповой скоростью льда V _гр и его толщиной D_л:

В свою очередь групповая скорость сигнала V_гр связана с его фазовой скоростью V_ф соотношением:

где: - круговая частота.

Фазовая скорость электромагнитной волны в среде полностью определяется параметрами среды µ и _r, где:

µ - магнитная проницаемость среды;

- комплексная диэлектрическая проницаемость

Величина в свою очередь связана с параметрами среды (проводимость) и относительной диэлектрической проницаемости _r соотношением

- диэлектрическая проницаемость вакуума,

_r - относительная диэлектрическая проницаемость,

Время измерения _з зависит от неизвестных , _r, D_л.

Таким образом, для определения толщины D_л при отсутствии ошибок измерения достаточно иметь три уравнения из массива измерений _з как функции частоты, не являющихся линейными комбинациями друг друга.

Причем, при tg <<1 значения _з являются функцией только , D_л,

а при tg >>1 время задержки является функцией _r и D_л.

Таким образом, третью выборку целесообразно взять на частоте, соответствующей значению

Введя обозначения

и определяя из (1-4) значения при

tg и

tg =1

получаем, что толщина льда D_л определяется соотношением

, где

С=3·10⁸ м/с - скорость света,

,

а значение ,

находится как величина, при которой

.

Приведенная здесь схема расчета является иллюстративной, поясняющей однозначность определения как параметров среды, _r, , tg , так и толщины льда по частотной характеристике сигнала, несущего на себе информацию о параметрах среды. Характерно, что нормированная величина для принятой модели среды является функцией единственной переменной - тангенса угла потерь, следовательно, весь нормированный массив данных измерений t_з должен надежно определить величину tg , если правильно выбран диапазон измерений.

Теоретический характер зависимости (x) и принцип графического определения x_o иллюстрируется на Фиг.2. На этом рисунке в виде ломаной кривой нанесены экспериментальные значения , которые вследствие ошибок измерений отличаются от теоретических значений. По этим экспериментальным значениям величина D _л может быть определена при помощи хорошо разработанных методик обработки, например методом максимального правдоподобия, методом максимальной энтропии или в простейшем случае при помощи разновидности метода максимального правдоподобия - метода наименьших квадратов. В ряде случаев удовлетворительный результат может дать сглаживание графика и расчет по соотношению (9).

Таким образом, для надежного определения толщины льда D_л необходимо иметь массив выборок, соответствующих неравенству

Можно считать, что время задержки _з является функцией следующих неизвестных параметров: толщины льда D_л, относительной диэлектрической проницаемости _r проводимости льда и параметров, связанных с неоднородностью среды. При отсутствии неоднородности определение D_л возможно по любым трем выборкам, однако исключение влияния неоднородностей на результаты измерений толщины льда будет тем надежнее, чем больше число выборок и чем больше частотный диапазон измерений.

Учитывая большой возможный разброс значений проводимости льда, целесообразно выполнять измерения в максимальном технически возможном диапазоне частот. Поэтому целесообразно использовать широкодиапазонные приемопередающие антенны - зеркальные или логопериодические, способные обеспечить перекрытие по частоте порядка 10:

,

- коэффициент перекрытия,

f_в - верхняя частота рабочего диапазона,

f_н - нижняя частота рабочего диапазона.

Для повышения рабочего диапазона частот целесообразно использовать дополнительный, низкочастотный канал приема с тем, чтобы результирующий коэффициент перекрытия находился в пределах

10²,

что позволит выполнять измерения толщины с разбросом проводимости примерно такого же порядка.

Для дальнейшего расширения диапазона измерений можно, например, использовать измерения времени задержки _з при двух-трехкратном отражении от нижней кромки льда.

Определение групповой скорости V_гр одновременно с определением времени задержки _з может существенно повысить точность и оперативность исследований ледовой обстановки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Йоханнессен О.М., Александров В.Ю., Фролов И.Е. и др. Научные исследования в Арктике. Том 3. - СПб.: Наука, 2007, с.79-88.

2. Богородский В.В., Оганесян А.Г. Проникающая радиолокация морских и пресноводных льдов с цифровой обработкой сигналов. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987.