Способ измерения толщины снежного покрова

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для дистанционного измерения толщины снежного покрова. Физической основой способа измерения толщины снежного покрова является различная степень проницаемости снежного слоя электромагнитными волнами различных диапазонов частот, что связано с диэлектрическими характеристиками снега. Отличительным признаком способа измерения толщины снежного покрова является облучение заснеженной земной поверхности одновременно электромагнитными волнами сантиметрового диапазона на несущей частоте ƒ₁, на которой происходит отражение от границы раздела сред снег - почва, и электромагнитными волнами оптического диапазона на несущей частоте ƒ₂, на которой происходит отражение от границы раздела сред тропосфера - снег, и определении, возникающей разности расстояний, которые проходят зондирующие сигналы. Данный способ позволяет дистанционно определять толщину снежного покрова, что дает возможность прогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур, определять степень опасности весенних наводнений и паводков, оценивать опасность схода лавин в горных местностях, устанавливать метеорологические законы формирования климата на определенной территории, что и является достигаемым техническим результатом. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для дистанционного измерения толщины снежного покрова.

Известен фазовый метод измерения расстояния [1], согласно которому объект облучают электромагнитными волнами несущей частоты f₀, модулированными по амплитуде гармоническим низкочастотным опорным сигналом с частотой f_M, выделяют модуляционную составляющую огибающей отраженных электромагнитных волн, измеряют разность фаз Δϕ между отраженным и опорным сигналами на частоте f_M и вычисляют дальность до объекта D по формуле

где D - расстояние до объекта;

Δϕ - измеряемая разность фаз между принятым и опорным колебаниями на частоте модуляции f_M;

f_M - частота опорного модулирующего сигнала;

с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.

Если разность фаз Δϕ измеряют со среднеквадратической ошибкой δϕ, то дальность до объекта определяется со среднеквадратической ошибкой:

где δD - среднеквадратическая ошибка определения расстояния до объекта;

δϕ - среднеквадратическая ошибка измерения разности фаз Δϕ.

Выбрав достаточно большое значение масштабной частоты f_M, можно обеспечить необходимую точность измерения дальности, одновременно с этим диапазон однозначно измеряемых расстояний уменьшается.

Данный метод характеризуется высокой точностью определения расстояний.

Недостатком метода являются ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности измерения характеристик покровов земной поверхности.

Известно, что снежные покровы земной поверхности в сантиметровом диапазоне длин волн характеризуются усредненной диэлектрической проницаемостью ε=1,2, удельной проводимостью γ=2·10^-4 См/м [2], и вследствие этого снег хорошо проницаем для электромагнитных волн с длиной волны λ=1,25...9 см [2-4]. Практически подтверждено, что самолетные радиовысотомеры при работе в зимних условиях эксплуатации измеряют дальность до земной поверхности, а не до снежного покрова. В то же время электромагнитные волны оптического диапазона (λ=0,01...100 мкм) хорошо отражаются от снежного покрова, при этом среднее значение коэффициента отражения по мощности составляет k_p=0,67 [5]. Практически установлено, что в зимних условиях эксплуатации оптические дальномеры, установленные на борту летательного аппарата, позволяют фиксировать профиль снежной поверхности [6]. Различие в проникающей способности электромагнитных волн оптического и сантиметрового диапазона длин волн служит физическим основанием для дистанционного измерения толщины снежного покрова.

Отличительным признаком способа измерения толщины снежного покрова является облучение заснеженной земной поверхности одновременно электромагнитными волнами сантиметрового диапазона с несущей частотой f₁, на которой происходит отражение рассеянного сигнала от границы раздела сред снег - почва, и электромагнитными волнами оптического диапазона с несущей частотой f₂, на которой происходит отражение рассеянного сигнала от границы раздела сред тропосфера - снег, и определении возникающей разности расстояний, которые проходят зондирующие сигналы (см. чертеж).

Сущность способа измерения толщины снежного покрова заключается в следующем:

1) производится синхронная амплитудная модуляция опорным сигналом с частотой f_M электромагнитных волн сантиметрового диапазона на несущей частоте f₁ и электромагнитных волн оптического диапазона на несущей частоте f₂;

2) заснеженный участок подстилающей поверхности облучается сформированными )амплитудно-модулированными сигналами с несущими частотами f₁ и f₂;

3) принимаются отраженный от границы раздела сред снег-почва сигнал с несущей частотой f₁ и отраженный от границы раздела сред тропосфера-снег сигнал с несущей частотой f₂;

4) производится выделение модуляционной составляющей с абсолютной фазой ϕ₁ на частоте f_M из огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₁ и модуляционной составляющей с абсолютной фазой ϕ₂ на частоте f_M из огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₂;

5) измеряется разность фаз между модуляционными составляющими огибающих обоих отраженных сигналов (ϕ₁-ϕ₂) на частоте f_M,

6) вычисляется толщина снежного покрова D_CH по формуле

где D_CH - толщина снежного покрова;

ϕ₁ - абсолютная фаза модуляционной составляющей на частоте f_M огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₁;

ϕ₂ - абсолютная фаза модуляционной составляющей на частоте f_M огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₂;

f_M - частота опорного модулирующего сигнала;

с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.

Современные цифровые фазометры [6] обеспечивают точность измерения фазы δϕ≈0,5 град. При частоте модуляции f_M=15 МГц среднеквадратическая ошибка измерения толщины снежного покрова составляет δD_CH≈0,014 м, а интервал однозначно измеряемой толщины снега равен 0÷10 м.

Данный способ позволяет дистанционно определять толщину снежного покрова, что дает возможность прогнозировать урожайность сельскохозяйственных культур, определять степень опасности весенних наводнений и паводков, оценивать опасность схода лавин в горных местностях, устанавливать метеорологические законы формирования климата на определенной территории.

Источники информации

1. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Советское радио, 1975. - 336с.

2. Красюк Н.П., Коблов В.Л., Красюк В.Н. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. - М.: Радио и связь, 1988. - 216с.

3. Воздушная навигация: справочник / А.М. Белкин, Н.Ф. Миронов, Ю.И. Рублев, Ю.С. Сарайский. - М.: Транспорт, 1988. - 303с.

4. Назиров М., Пичугин А.П., Спиридонов Ю.Г. Радиолокация Поверхности Земли из космоса. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

5. Мусьяков М.П., Миценко И.Д., Ванеев Г.Г. Проблемы ближней лазерной локации. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 295с.

6. Лазерная дальнометрия / Л.А. Аснис, В.П. Васильев, В.Б. Волконский и др.; Под ред. В.П. Васильевап и Х.В. Хинрикус. - М.: Радио и связь, 1995. - 256с.

Способ измерения толщины снежного покрова, заключающийся в амплитудной модуляции опорным сигналом с частотой f_м электромагнитных волн сантиметрового диапазона с несущей частотой f₁, облучении заснеженной земной поверхности первым амплитудно-модулированным сигналом, приеме отраженного от границы раздела сред снег - почва сигнала, выделении модуляционной составляющей с абсолютной фазой ϕ₁ на частоте f_м из огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₁, отличающийся тем, что одновременно с амплитудной модуляцией электромагнитных волн сантиметрового диапазона с несущей частотой f₁ производится амплитудная модуляция опорным сигналом с частотой f_м электромагнитных волн оптического диапазона с несущей частотой f₂, одновременно с облучением первым амплитудно-модулированным сигналом заснеженная земная поверхность облучается вторым амплитудно-модулированным сигналом, принимается отраженный от границы раздела сред тропосфера-снег сигнал, выделяется модуляционная составляющая с абсолютной фазой ϕ₂ на частоте f_м из огибающей отраженного сигнала с несущей частотой f₂, измеряется разность фаз двух модуляционных составляющих ϕ₁-ϕ₂ на частоте f_м и вычисляется толщина снежного покрова D_сн по формуле:

D_сн=[(ϕ₁-ϕ₂)·c]/4·π·f_м,

где с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.