УДК 621.369.9

Численно-аналитическая модель коэффициента обратного рассеяния электромагнитных волн озёрным льдом в С-диапазоне частот

 

К. В. Музалевский ¹, И. Н. Ельцов ², А. Н. Фаге ², Л. В. Цибизов ², Д. Е. Аюнов ²

¹ Институт физики им. Л.В. Киренского – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, д.50, стр.38

² Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр-т. Академика Коптюга, д.3

 

Статья поступила в редакцию 11 ноября 2019 г.

 

Аннотация. В данной работе предложена численно-аналитическая модель диффузного рассеяния волн C-диапазона частот случайной слоисто-неоднородной средой ледового покрова пресноводного озера, учитывающая отражение волны от границы лёд-вода. Созданная модель позволяет рассчитать коэффициент рассеяния от ледового покрова в зависимости от длины корреляции и среднего объемного содержания пузырьков воздуха в ледовой толще. При этом полагалось, что среднее объемное содержания пузырьков воздуха не зависит от толщины льда. Тестирование предложенной модели было выполнено для одного из озёр, расположенных в дельте реки Лена, с использованием радарных данных спутника Sentinel-1 и данных о температуре приземного воздуха в период с сентября 2017 по июнь 2018 гг. Данные о температуре приземного воздуха использовались для оценки толщины ледового покрова на основе эмпирической модели Лебедева, описывающей связь толщины льда и суммы абсолютных значений отрицательных температур приземного воздуха, с учетом толщины снежного покрова. Предложенная модель со среднеквадратическим отклонением RMSE=0,2дБ и квадратом коэффициента корреляции R²=0,960 описывает измеренные Sentinel-1 временные зависимости сечения рассеяния в зависимости от толщины льда на тестовом участке озера. Кроме того, созданная модель позволяет с погрешностью RMSE=17,6см и R²=0,811 прогнозировать толщину льда, определять как суммарную величину, так и абсолютные значения температуры приземного воздуха с момента становления льда на озере из радарных данных Sentinel-1 с погрешностью RMSE=158,9°С×день (R²=0,984) и RMSE=6,0°С (R²=0,59), соответственно. Предлагаемая методика не учитывает неоднородность вертикального распределения пористости и строения льда, шероховатость границ раздела воздух-лёд, лёд-вода, а также межслойных границ во льду. Существенным является априорное знание величины средней пористости зондируемой толщи льда с погрешностью порядка 1%. Данную информацию можно получать из статистического обобщения данных наземных измерений. Предложенная методика нуждается в дальнейшей проверке на большем числе тестовых тундровых озёр.

Ключевые слова: радиолокация, пресный озёрный лёд, модель радарного рассеяния, толщина льда, температура воздуха.

Abstract. In this paper, we propose a numerical-analytical model for diffuse scattering waves in C-band by a random layered-inhomogeneous medium of the pure lake ice cover, taking into account the reflection of the wave from the plane ice-water boundary. The created model allows calculating the scattering coefficient from the ice cover depending on the correlation length and the average volumetric value of air bubbles in ice. It was assumed that the average volumetric content of air bubbles does not depend on the thickness of the ice. Testing of the proposed model was performed for one of the lakes located in the Lena River Delta, using Sentinel-1 satellite backscattering data on HH-pol and surface air temperature data from September 2017 to June 2018. Surface air temperature data were used to estimate the ice thickness based on the Lebedev's empirical model describing the relationship between the ice thickness and the sum of the absolute values of the negative air temperatures, taking into account the thickness of the snow cover. The proposed model with  RMSE = 0.2dB and the  R² = 0.960 describes the Sentinel-1 measured temporal dependences of the backscattering coefficient during of increasing of the ice thickness (0-2m) in the test site of the lake. In addition, the created model allows predicting the ice thickness with the error of RMSE = 17.6 cm and R² = 0.811, determining both the total value and the absolute values of the surface air temperature from the moment of ice formation on the lake from Sentinel-1 radar data with an error of RMSE = 158,9°C days (R² = 0.984) and RMSE = 6.0°C (R² = 0.59), respectively. The proposed method does not take into account the effect of vertical heterogeneity of the porosity and ice structure, roughness of the air-ice, ice-water, and interlayer boundaries in ice. An a priori knowledge of the value of mean porosity of the sensing ice with an error of about 1% is essential. This information can be obtained from a statistical analysis of ground-based measurements. The proposed methodology needs further verification on a larger number of test tundra lake sites.

Key words: radio-location, fresh lake ice, radar scattering model, ice thickness, air temperature.

 

Для цитирования:

Музалевский К.В., Ельцов И.Н., Фаге А.Н., Цибизов Л.В., Аюнов Д.Е. Численно-аналитическая модель коэффициента обратного рассеяния электромагнитных волн озёрным льдом в С-диапазоне частот. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/dec19/8/text.pdf

DOI 10.30898/1684-1719.2019.12.8