Способ радиолокационного определения толщины льда



Способ радиолокационного определения толщины льда
Способ радиолокационного определения толщины льда
Способ радиолокационного определения толщины льда
Способ радиолокационного определения толщины льда

 


Владельцы патента RU 2526222:

Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" (RU)

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения толщины морских льдов, ледовой разведки, а также для радиозондирования ледников. Технический результат состоит в повышении точности измерения толщины льда. В заявленном изобретении определяют дисперсионные свойства среды по результатам измерения частотной зависимости времени задержки τз сигнала. 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 Δτзвн между временем τв приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем τн приема отраженного сигнала. По частотной дисперсионной характеристике задержки времени определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда Vгр, электрическую проводимость льда σ, относительную диэлектрическую проницаемость льда ε, по результатам измерений групповой скорости электромагнитной волны определяют толщину льда. 3 ил.

 

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 Vгр, необходимое для определения толщины льда Dл, 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 Δτзвн между временем τв приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем τн приема отраженного сигнала. Так как время задержки τз зависит от параметров среды: σ - проводимости, ε - диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ΔtgΔ, по частотной дисперсионной характеристике задержки времени методом максимального правдоподобия определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда Vгр, электрическую проводимость льда σ, относительную диэлектрическую проницаемость льда ε, 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 Δεз 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 τз 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 Δτз.

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 Δτз, определяемое групповой скоростью льда Vгр и его толщиной Dл:

Δ τ з = 2 D л V г р                                                                               ( 1 )

В свою очередь групповая скорость сигнала Vгр связана с его фазовой скоростью Vф соотношением:

V г р = V ф 1 ω V ф * d V ф d ω ,                                                               ( 2 )

где: ω - круговая частота.

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

µ - магнитная проницаемость среды;

έ - комплексная диэлектрическая проницаемость

V ф = 1 Re μ ε ˙                                                                          ( 3 )

Величина ε ˙ в свою очередь связана с параметрами среды σ (проводимость) и относительной диэлектрической проницаемости εr соотношением

ε = ε r ε o ( 1 j t g Δ ) , г д е                                                          ( 4 )

ε o = 1 36 π 10 9 Ф / м - диэлектрическая проницаемость вакуума,

εr - относительная диэлектрическая проницаемость,

t g Δ = σ ω ε r ε o  тангенс угла потерь                                         ( 5 )

Время измерения τз зависит от неизвестных σ, εr, Dл.

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

Причем, при tgΔ<<1 значения τз являются функцией только σ, Dл,

а при tgΔ>>1 время задержки является функцией εr и Dл.

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

t g Δ = 1                                                                                   ( 6 )

Введя обозначения

1 t з = γ ( σ , ε r , D л ) ,                                                                    ( 7 )

ω = x

и определяя из (1-4) значения γ при

t g Δ 0,                                                                               ( 8 )

tgΔ→∞ и

tgΔ=1

получаем, что толщина льда Dл определяется соотношением

D л = 2 / С x o d γ o d x , где

С=3·108 м/с - скорость света,

γ 0 = γ ( x , ε r D л ) | x ,

d γ o d x = d d x γ ( x , ε r D л ) | x

а значение x o = ω o ,

находится как величина, при которой

t g σ ω o ε o ε r = 1 .

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

Теоретический характер зависимости γ(x) и принцип графического определения xo иллюстрируется на Фиг.2. На этом рисунке в виде ломаной кривой нанесены экспериментальные значения γ, которые вследствие ошибок измерений отличаются от теоретических значений. По этим экспериментальным значениям величина Dл 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 Dл необходимо иметь массив выборок, соответствующих неравенству

0 < t g Δ < .                                                                                 ( 11 )

Можно считать, что время задержки τз является функцией следующих неизвестных параметров: толщины льда Dл, относительной диэлектрической проницаемости εr проводимости σ льда и параметров, связанных с неоднородностью среды. При отсутствии неоднородности определение Dл 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:

γ = f в f н 10 ,

γ - коэффициент перекрытия,

fв - верхняя частота рабочего диапазона,

fн - нижняя частота рабочего диапазона.

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

γ≈102,

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

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

Определение групповой скорости Vгр одновременно с определением времени задержки Δτз 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.

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 Δτзвн между временем τв приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем τн приема отраженного сигнала, при этом время задержки τз зависит от параметров среды: σ - проводимости, ε - диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tgΔ, по частотной дисперсионной характеристике задержки времени методом максимального правдоподобия определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда, электрическую проводимость льда σ, относительную диэлектрическую проницаемость льда ε, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу измерения в режиме реального времени толщины пленки не содержащего хром покрытия на поверхности полосовой стали. Способ характеризуется тем, что включает следующие стадии: стадия 1: выбирают два растворимых в воде химических вещества, которые содержат элементы P, Ca, Ti, Ba или Sr и не вступают в реакцию с жидкостью для нанесения не содержащего хром покрытия; стадия 2: добавляют два растворимых в воде химических вещества, выбранные на стадии 1, в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия и перемешивают их до гомогенности, после чего изготавливают эталонный образец пленки покрытия; стадия 3: используют излучение, испускаемое прибором определения в автономном режиме толщины пленки, для возбуждения двух растворимых в воде химических веществ для получения характеристических спектров двух растворимых в воде химических веществ и, тем самым, определения толщины пленки покрытия эталонного образца; толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает интенсивным характеристическим спектром, принимают за фактическую толщину пленки, в то время как толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, принимают за измеренную толщину пленки, разницу между фактической толщиной пленки и измеренной толщиной пленки принимают за величину коррекции толщины; многократно проводят операции получения величин коррекции толщины, соответствующие измеренным толщинам пленки, в результате аппроксимации величин коррекции толщины и измеренной толщины пленки получают выражение корреляционной функции между измеренной толщиной пленки и величиной коррекции толщины; стадия 4: добавляют в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, и используют излучение, испускаемое прибором определения в режиме реального времени толщины пленки покрытия, для возбуждения вещества и для получения, таким образом, измеренной толщины пленки, после чего используют выражение корреляционной функции для получения величины коррекции толщины, и, в заключение, исходя из измеренной толщины пленки и величины коррекции толщины получают фактическую толщину пленки покрытия.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда.
Изобретение относится к технике определения толщины морских льдов. .

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике состояния костной ткани, и может быть использовано при определении таких заболеваний, как остеопороз и остеопатия.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности, к рентгеновским средствам измерения толщины холодного и горячего проката, как правило, металлической ленты в металлургической промышленности, для использования в различных отраслях машиностроения, энергетики, судостроения, магистральных трубопроводах и других отраслях.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к контрольно-поверочным устройствам рентгеновских толщиномеров, предназначенным для неразрушающего контроля промышленных изделий, и может быть использовано при измерении толщин листового проката из черных и цветных металлов.

Изобретение относится к устройству для детектирования толщины и плоскостности пластин и полос в области применения ядерных технологий. Устройство включает C-образную раму, два источника излучения, установленные на верхнем плече C-образной рамы и расположенные с некоторым интервалом в направлении ширины стальной пластины/полосы, два ряда матриц детекторов - газонаполненных ионизационных камер, установленных на нижнем плече С-образной рамы и расположенных с некоторым интервалом в направлении движения пластины/полосы, коллиматоры, установленные ниже двух источников излучения, причем коллиматоры позволяют излучению от каждого источника облучать только соответствующий ряд детекторов, модули предварительных усилителей, соединенные с матрицами детекторов, устройство сбора данных, соединенное с модулями предварительных усилителей, компьютер для обработки и отображения данных, соединенный с устройством сбора данных, и систему подачи охлаждающей воды и сжатого воздуха, и систему управления для обеспечения эксплуатации и контроля системы. Технический результат - увеличение точности динамических измерений, а также детекторы имеют невысокий дрейф температуры и стойкость к излучению. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов содержит первый СВЧ-генератор, делитель мощности, первый и второй умножители частоты, антенны для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приема отраженных волн, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Устройство дополнительно содержит второй СВЧ-генератор, переключатель, первый циркулятор, первый вывод которого соединен с первым выводом делителя мощности, второй вывод соединен с первой антенной, третий вывод соединен через второй умножитель частоты с первым входом смесителя, второй циркулятор, первый вывод которого соединен со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты, второй вывод соединен со второй антенной, третий вывод соединен со вторым входом смесителя, при этом первый и второй СВЧ-генераторы соединены с первым и вторым входами переключателя, управляющий вход переключателя соединен с вычислительным блоком, а его выход соединен с входом делителя мощности. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к технике радиометрических измерений при обращении с радиоактивными веществами. Способ определения толщины солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, на внутренних поверхностях трубопроводов нефтегазодобывающих морских платформ, при котором определяют калибровочную зависимость коэффициента пропускания гамма-квантов от толщины солевого отложения в лабораторных условиях по заранее отобранным образцам трубопроводов разных моделей с солевыми отложениями разной толщины, измеряют скорость счета импульсов от фонового гамма-излучения на образце трубопровода без солевого отложения, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через образец трубопровода, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через исследуемый участок трубопровода, определяют коэффициент пропускания гамма-излучения исследуемого участка трубопровода, определяют толщину солевого отложения на исследуемом участке трубопровода по величине его коэффициента пропускания гамма-излучения и полученной калибровочной зависимости. Технический результат - повышение точности определения толщины солевого отложения на внутренней поверхности трубопровода, обеспечение контроля состояния трубопровода без отбора проб и без остановки технологического процесса добычи нефти, обеспечение возможности применения способа для нерадиоактивного солевого отложения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх