ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 7
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.3
УДК 621.369.9
ИЗМЕРЕНИЕ ВОДНОГО ЭКВИВАЛЕНТА, СРЕДНЕЙ ПЛОТНОСТИ И ВЫСОТЫ СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОГО СНЕЖНОГО ПОКРОВА СШП ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
К. В. Музалевский
Институт физики им. Л.В. Киренского – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, д.50, стр.38
Статья поступила в редакцию 5 июля 2021 г.
Аннотация. В данной работе теоретически исследованы процессы взаимодействия сверхширокополосных (СШП) импульсов длительностью 0,47 нс со слоисто-неоднородными средами сухого снежного покрова. Слоисто-неоднородная структура снежного покрова моделировалась на основе экспериментальных данных о высоте и профиле плотности снежного покрова, которые были измерены в ходе полевых работ на тестовом участке сельскохозяйственного поля в районе пос. Минино, Красноярский край, с 12 ноября 2020 по 21 марта 2021гг. Показано, что водный эквивалент снежного покрова (ВЭСП) с коэффициентом детерминации (R2) R2=0,98 и среднеквадратическим отклонением (СКО) СКО=5,6мм может быть оценен по временной задержки импульса, отраженного от границы снег-почва, при толщине от 4-6 до 39 см и средней плотности от 0,21 до 0,37 г/см3 снежного покрова. Показано, что средняя плотность всей толщи снежного покрова линейно зависит от отношения амплитуд импульсов, отраженных от границ, снег-почва и воздух снег (R2=0,55, СКО=0,04 г/см3). Установленные зависимости позволяют с R2=0,95, СКО=2,9 см оценить высоту снежного покрова. Точность предложенного метода измерения ВЭСП, средней плотности и высоты снежного покрова необходимо дополнительно исследовать в зависимости от вариации температуры, влажности, плотности и гранулометрического состава мёрзлого почвенного покрова, а также при различных влажностях снежного покрова. Особую актуальность полученные результаты приобретают в связи с возможностью реализации данного способа зондирования с борта аэроплатформы, что открывает перспективы создания технологии радарного СШП картирования основных характеристик снежного покрова для использования в системах точного земледелия.
Ключевые слова: радиолокация, СШП импульсы, снежный покров, водный эквивалент снежного покрова, плотность снежного покрова, высота снежного покрова, мёрзлые почвы.
Abstract. In this work, the processes of interaction of ultra-wideband (UWB) pulses with the duration of 0.47 ns with layered dry snow cover are theoretically investigated. The layered structure of the snow cover was modeled on the basis of experimental data on the height and density profile of the snow cover, which were measured in field on the test plot of an agricultural field in the area of the village. Minino, Krasnoyarsk Territory from November 12, 2020 to March 21, 2021. It is shown that the snow water equivalent (SWE) can be estimated from the time delay of the pulse reflected from the snow-soil interface with the coefficient of determination (R2) R2 = 0.98 and the root-mean-square error (RMSE) RMSE = 5.6 mm in the case of thickness from 4-6 to 39cm and an average density from 0.21 to 0.37 g/cm3 of snow cover. It is shown that the average density of snow cover linearly depends on the amplitude ratio of impulses reflected from the boundaries, snow-soil and air-snow (R2 = 0.55, RMSE = 0.04 g/cm3). The established dependencies make it possible to estimate the height of the snow cover with R2 = 0.95, RMSE = 2.9 cm. The accuracy of the proposed method for measuring SWE, average density and height of snow cover should be further investigated depending on variations in temperature, moisture, density, and texture of frozen soil, as well as under different moisturized conditions of snow. The obtained results are particular relevance in connection with the possibility of implementing this remote sensing method from the UAV, which opens up the prospects for creating a technology for UWB radar mapping of the main characteristics of the snow cover for use in precision farming systems.
Key words: radiolocation, ultra-wideband pulses, snow cover, snow water equivalent, snow density, height of snow cover, frozen soil.
Литература
1. Lundberg A., Thunehed H., Bergström J. Impulse Radar Snow Surveys – Influence of Snow Density. Hydrology Research. 2000. Vol. 31. No. 1. P. 1–14.
2. Lundberg A., Thunehed H. Snow Wetness Influence on Impulse Radar Snow Surveys Theoretical and Laboratory Study. Hydrology Research. 2000. Vol. 31. No. 2. P. 89–106.
3. Ulriksen P. Applications of impulse radar to civil engineering. Dr. thesis, Lund University of Technology, Lund. 1982. 179 p.
4. Griessinger N., Mohr F., Jonas T. On measuring snow ablation rates in alpine terrain with a mobile GPR device. The Cryosphere Discuss. [preprint]. 2017. https://doi.org/10.5194/tc-2016-295.
5. Pasian M., Espín-López P.F., Silvestri L., Barbolini M., Dell’Acqua F. Experimental validation of a dual-receiver radar architecture for snowpack monitoring. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2020. Vol. 12. P. 439–446.
6. Pasian M., Barbolini M., Dell’Acqua F., Espín-López P. F., Silvestri L. Snowpack Monitoring Using a Dual-Receiver Radar Architecture. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2019. Vol. 57. No. 2. P. 1195-1204.
7. Clair S. J., Holbrook W. S. Measuring snow water equivalent from common-offset GPR records through migration velocity analysis. The Cryosphere. 2017. Vol. 11. P. 2997–3009.
8. Bradford J.H., et al. Complex dielectric permittivity measurements from ground-penetrating radar data to estimate snow liquid water content in the pendular regime. Water Resources Research. 2009. Vol. 45. P. 1-12.
9. Bradford J.H. Frequency-dependent attenuation analysis of ground-penetrating radar data. Geophysics. 2007. Vol. 72. No. 3. P. J7-J16.
10. Holbrook W. S., Miller S. N., Provart M. A. Estimating snow water equivalent over long mountain transects using snowmobile- mounted ground-penetrating radar. Geophysics. 2016. Vol. 81. No. 1. P. WA183–WA193.
11. Schmid L., Schweizer J., Bradford J., Maurer H. A synthetic study to assess the applicability of full-waveform inversion to infer snow stratigraphy from upward-looking ground-penetrating radar data. Geophysics. 2016. Vol. 81. No. 1. P. WA213–WA223.
12. Paolo F.D. et al. A critical analysis on the uncertainty computation in ground-penetrating radar-retrieved dry snow parameters. Geophysics. 2020. No. 4. P. H39–H49
13. Sihvola A., Tiuri M. Snow Fork for Field Determination of the Density and Wetness Profiles of a Snow Pack. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. Vol. GE-24. No. 5. P. 717-721.
14. Tiuri M., et al. The complex dielectric constant of snow at microwave frequencies. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1984. Vol. 9. No. 5. P. 377-382.
15. Lundberg A., Richardson-Naslund C., Andersson C. Snow density variations: consequences for ground-penetrating radar. Hydrological processes. 2006. Vol. 20. P. 1483–1495.
16. Sundström N., Gustafsson D., Kruglyak A., Lundberg A. Field evaluation of a new method for estimation of liquid water content and snow water equivalent of wet snowpacks with GPR. Hydrology Research. 2013. Vol. 44. No. 4. P. 600–613.
17. Музалевский К.В, Фомин С.В. Сверхширокополосное импульсное зондирование слоистой структуры снежно-почвенного покрова. Экспериментальное исследование. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.15
18. Музалевский К.В. Сверхширокополосное импульсное зондирование слоистой структуры снежно-почвенного покрова. Теоретическое исследование. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.14
19. Dix C. H. Seismic velocities from surface measurements. Geophysics. 1955. Vol. 20. P. 68-86.
20. Lundberg A, Gustafsson D, Stumpp C, Kløve B, Feiccabrino J. Spatiotemporal Variations in Snow and Soil Frost—A Review of Measurement Techniques. Hydrology. 2016. Vol. 3. No. 3. P. 28
21. Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н.. Подповерхностная радиолокация. М.: Радио и связь. 1994. 216с.
22. Brekhovskikh L.M. Waves in Layered Media. New York, NY, USA, Academic: 1960. 561 p.
23. Mironov V. L., Karavayskiy A. Yu., Lukin Yu. I., Molostov I. P. A dielectric model of thawed and frozen Arctic soils considering frequency, temperature, texture and dry density. International Journal of Remote Sensing. 2020. Vol. 41. P. 3845-3865.
24. Harris F.J. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform. Proceedings of the IEEE. 1978. Vol. 66. No. 1. P. 51-83.
25. Lynch P. The Dolph-Chebyshev Window: A Simple Optimal Filter. Monthly Weather Review. 1997. Vol. 125. P. 655-660.
Для цитирования:
Музалевский К.В. Измерение водного эквивалента, средней плотности и высоты слоисто-неоднородного снежного покрова СНП электромагнитными импульсами. Теоретическое исследование. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.7.3