Изучение характеристик пропускания и отражения микроволнового излучения льдом вблизи температуры таяния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изучение характеристик пропускания и отражения микроволнового излучения льдом вблизи температуры таяния

Георгий Степанович Бордонский1,

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией геофизики криогенеза, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН,

Александр Александрович Гур-улев,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН,

В работе приведены результаты лабораторных измерений коэффициента отражения, фазы отражённого монохроматического излучения от образца пресного льда и его электромагнитных потерь вблизи температуры 0°С. Измерения выполнены для блока льда, изъятого из ледяного покрова пресного озера, на частотах 8.5... 13.5 ГГц. Подтверждено существование пониженных значений поглощения мощности микроволнового излучения при его распространении через лёд и возникновении таяния среды. Установлено, что фаза отражённой волны изменяется в зависимости от температуры, она имеет различный временной ход после начала таяния блока для разных частот. Эта особенность связывается с появлением тонких слоёв увлажнённого льда на границах образца. Измерение фазы отражённых сигналов в зависимости от частоты излучения может дать дополнительную информацию о структуре зондируемых природных ледяных объектов.

Ключевые слова: лёд, микроволновый диапазон, фаза отражённой волны измерение фаза сигнал ледяной

GeorgyS. Bordonskiy¹,

Doctor of Physics and Mathematics, Chief of the Laboratory of Cryogenesis Geophysics, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, (16a Nedorezovast., Chita, 672014, Russia),

Alexandr A. GurulevG. S. Bordonskiy is an organizer of the research.A. A. Gurulev formulates insights and summarizes the results of a collective research.,

Study of Transmission and Reflection Characteristics of Microwave Radiation by Ice near the Melting Temperature

The paper presents the results of laboratory measurements of the reflection coeffecient, the phase of reflected monochromatic radiation from a sample of fresh ice and its electromagnetic losses near the temperature 0°C. The measurements were performed for an ice block seized from the ice cover of a fresh lake at 8.5... 13.5 GHz. The existence of reduced values of microwave power absorption during its propagation through the ice and melting of the medium has been confirmed. It is established that the phase of the reflected wave varies with temperature, it has a different time course after the beginning of the melting of the block for different frequencies. This feature is associated with the appearance of thin layers of moistened ice at the boundaries of the sample. The measurement of the phase of the reflected signals depending on the frequency of the radiation can provide additional information on the structure of the probed natural ice objects.

Keywords: ice, microwave range, reflected wave phase

Введение

При исследованиях природной среды радиофизическими методами одной из характеристик, определяемой структурными особенностями, является фаза коэффициента отражения электромагнитного излучения от поверхности раздела сред [13]. Одним из широко распространённых случаев плоских сред является поверхность льда (ледники, снежно-ледяные покровы водоёмов) [5; 7]. Измерение фазы коэффициента отражения (<р) при различных положениях летательного аппарата с радиолокационной аппаратурой и определение разности фаз двух сигналов позволяет определить деформации поверхности с точностью порядка одного миллиметра [1; 2]. В настоящее время применение радиолокации с синтезированной апертурой, где используется измерение фазы рассеянных сигналов, представляется весьма перспективным для решения практических задач природопользования [9].

В случае ледяной поверхности фактором, влияющим на фазу коэффициента отражения, является поверхностный слой, свойства которого могут варьировать из-за процессов таяния и перемерзания. Другим важным аспектом является то, что диэлектрические параметры льда вблизи О °С практически не исследованы. Кроме таяния и перемерзания объекта, в нём могут наблюдаться особые переходные состояния льда, когда среда поглотила (или отдала) некоторое количество тепла, но ещё не перешла в жидкую (твёрдую) фазу. Поэтому процессы таяния или замерзания воды растягиваются на длительное время.

Вблизи О °С из-за возникновения внутренних механических напряжений, предшествующих таянию, возникает аморфизация льда, что ведёт не к росту электромагнитных потерь в среде (как в случае появления вкраплений жидкой воды), а, наоборот, к их уменьшению [4]. Если аморфная фаза обладает пониженным значением е' и е" - действительной и мнимой частей относительной диэлектрической проницаемости [6], то возникает некоторое приращение ipи R(коэффициента отражения по мощности). Эти приращения должны иметь другие знаки, по сравнению с приращениями из-за таяния слоя льда при появлении в нём жидкой воды.

Цель настоящей работы - выполнить лабораторные измерения фазы коэффициента отражения, а также изменений пропускания и отражения от блока тающего льда для выяснения влияния на эти величины процессов таяния и аморфизации при температуре 0°С.

Эксперимент

Схема эксперимента представлена на рис. 1. В качестве образца использовали блок льда (1), изъятый из ледяного покрова пресного озера. Блок льда формировали в виде усечённого параллелепипеда. Его основание ~ 50 х 30 см², высота ~ 50 см. Приготовление блока осуществляли разными способами, т. к. эффект взаимодействия излучения с образцом зависит от положения преимущественной ориентации базисных плоскостей кристаллов гексагонального льда относительно вектора электрического поля излучения [4].

В измерениях использовали векторный измеритель коэффициента передачи (2) Р4М-18 фирмы «Микран». Излучение и приём сигналов выполняли с использованием рупорных антенн (4). Детектор (3) применяли для измерения поглощения излучения в объёме льда. Образец в виде усечённого параллелепипеда использовали для устранения интерференционных явлений, возникающих при переотражении излучения от его границ. Для проведения измерений блок льда перемещали в лабораторное помещение из холодильной камеры. При температуре ~ +20 °С начинался нагрев льда до температуры его поверхности ~ 0°С, когда наблюдали начало таяния поверхностного слоя. Этот процесс длился до 10 часов непрерывных измерений, во время которых линейные размеры блока уменьшились на несколько сантиметров. Температуру льда измеряли термопарой на глубине 5 ... 10 см от его поверхности. Точность измерений температуры 0,1 °С. Минерализация льда составляла значение около 10 мг/кг. Для сбора информации использовали систему фирмы “Agilent”.

Pue. 1.Схема экспериментальной установки по измерению коэффициента отражения, мощности пропускания и фазы коэффициента отражения вблизи 0°С. 1 - блок пресного льда; 2 - векторный измеритель коэффициента передачи; 3 - детектор; 4 - рупорные антенны;

“Т” - термопара для измерения температуры блока льда

Fig. 1.Scheme of experimental setup for measuring reflection coefficient, transmission power and phase of the coefficient reflections near 0°C. 1 - block of fresh ice;

2 - vector image transmission coefficient meter; 3 - detector; 4 - horn antennas; “T” - thermocouple for measuring the temperature of ice block

Результаты измерений

Были выполнены измерения <д и Rв полосе частот от ГГц до 13.5 ГГц. На рис. 2 представлены результаты измерений в одном из экспериментов в зависимости от времени. Проходящая мощность излучения (Р) приведена в относительных единицах.

Рис. 2. Зависимость мощности излучения, проходящего через блок льда, и температуры поверхностного слоя образца от времени выдержки в лабораторном помещении. Частота 13 ГГц. Векторы электрического поля (Е) и направление распространения волны - т. е. волновой вектор (к) параллельны базисным плоскостям кристаллов льда

Fig. 2.The dependence of the radiation power passing through the block of ice, and the surface temperature of the sample from time exposure in a laboratory room. The frequency is 13 GHz. The vectors of the electric field (E) and the direction the propagation of the wave - m. e. wave vector (k) parallel to the basal planes of ice crystals

На рис. За приведены результаты измерений для другого образца с аналогичной ориентацией плоскости поляризации, волнового вектора и базисной плоскости кристаллов.

На рис. 36, в приведены результаты измерений приращения фазы отражённой волны (в градусах) и изменений отражённой мощности, характеризующей вариации коэффициента отражения (в децибелах).

При выпиливании блоков льда из ледяного покрова пресного озера учитывали тот факт, что преимущественная ориентация базисных плоскостей гексагональных кристаллов расположена параллельно поверхностям ледяного покрова в средней по высоте его части [12].

На рис. 4 приведены результаты измерений проходящей мощности излучения и изменения фазы для другого образца льда.

Рис. 4. Результаты измерений зависимостей от времени фазы отражённой волны и проходящей мощности тающего блока озёрного льда на частоте 13 ГГц. Выделены характерные временные интервалы: 1 - небольшое просветление среды; 2 - резкое уменьшение проходящей мощности; 3 - минимум прохождения; 4 - слабое улучшение прохождения; 5 - область активного таяния. Штриховаялиниявобласти 1 соответствуетэкстремумупросветлениясредыFig. 4¦The results of measurements of the time dependences phase of the reflected wave and the passing power of the melting ice lake block at a frequency of 13 GHz. Characteristic time intervals are distinguished: 1 - slight enlightenment of environment; 2 - sharp decrease in the transmitted power; 3 - minimum passing; 4 - poor passage improvement; 5 - active thawing area. A dashed line in region 1 corresponds to the bleaching extremum of the medium

Было также замечено необычное поведение температуры при приближении её к 0°С. Результаты таких измерений представлены на рис. 5а, б.

Рис. 5. Изменение температуры двух различных блоков льда на глубине ~ 5 ... 10 см от поверхности при их нагревании в лабораторном помещении с температурой воздуха 20° С в зависимости от времени выдержки. Наврезках -- аномалиитемпературыповерхностногослояблоковльда

Fig. 5.Changing of the temperature of two different ice blocks at a depth of ~ 5 ... 10 cm from the surface when they are heated in a laboratory room with an air temperature of 20 °C depending on the time of exposure. On inserts - temperature anomalies of the surface layer of iceblocks

Обсуждение результатов

Измерения температуры показывают некоторые аномалии при приближении её в верхнем слое к значению 0°С (рис. За). Аномалии выражаются в виде кратковременного перегрева слоя. Возможное объяснение можно связать с релаксацией механических напряжений, вызванных как тепловым расширением, так и началом таяния с изменением объёма вещества. При этом процессе возникает скольжение по слоям вдоль базисных плоскостей кристаллов льда [12] и высвобождение энергии из-за их трения. Данное предположение подтверждается существованием «просветления» льда в зависимости от направления вектора электрического поля волны по отношению к базисным плоскостям, отмеченное в статье [4], и подтверждённое в данной работе (рис. 2, За, в, 4). При этом не наблюдали существенного изменения фазы коэффициента отражения -- область 1 графиков на рис. 4. Изменение А(р составило 12°

Значение фазы заметно осциллировало в началвнвш момент таяния при появлении жидкой водит в области 2, 3 (рис. 4). При последующем таянии наблюдали бы строе монотонное изменение определяемое таянием блока и изменением расстояния между антеннами и поверхноствю блока.

Эффектв1 интерференции излучения ранее также исследовали в работах [3; 8; 11], где бвши обнаруженв1 особенности собственного радиотеплового излучения тонких слоёв лида на водной поверхности для различнвгх поляризаций излучения. Бвши также эксперименталвно и теоретически исследованв1 тонкие слои увлажнённого лвда с толщинами порядка длинв1 волнв1 излучения, для которвгх установили существенное изменение фазв1коэффициента отражения от структуры. Вместе с тем, для более толстяк слоёв лвда, характерных для природных структур, исследование не прово-дилосв. В данной работе для блока лвда толщиной в несколвко десятков сантиметров обнаружена интересная особенности: в области 4 (рис. 4), где наблюдали некоторое возрастание проходящей мощности излучения, фаза коэффициента отражения не ис- пв1тв1вала отклонений от монотонного изменения. Эту особенности можно объяснитв внутренними процессами, связаннвши с возникновением отрицателвного давления из-за таяния внутренних областей блока лвда и стремлением уменвшенияобвёма образца при появлении жидкой водит. При этом отсутствуют резкие границв1 между слоями. При отрицателвном давлении температура таяния повышается [10], это приводит к замедлению фазового перехода лвда в жидкую воду и проходящий сигнал несколвко возрастает.

На рис. Зв бвши ввшвленв1 различия в изменении фазв1 от времени после первичного резкого уменвшения пропускания излучения на частотах от 8.5 до 12 ГГц. Их можно обвяснитв образованием увлажнённвгх слоёв определённой толщинвт вблизи поверхности и возникновением частотной зависимости фазв1 коэффициента отражения. При последующем таянии образоввшался переходник стационарнвш слой с фик-сированнвши параметрами и фаза на разнвгх частотах изменяласв монотонно вследствие таяния блока и изменения расстояния до антенн. При изменении длинв1 хода лучей между двумя антеннами на АЬ, изменение фазв1 составляет Д<р = (АГ/А)27г, где А - длина волнв1. Если АЬ изменяется на 3 см (что соответствует изменению расстояния от антенн до поверхности лвда 1,5 см), а А = 3 см, то А<р составляет 360°.

Эффект просветления при таянии лвда можно на основании полученнв1х резулв- татов обвяснитв появлением «слоёв течения» и возникновением плёнок аморфного лвда с пониженнвш значением е' и е". Просветление достигается как за счёт уменвшения Д, так и понижения е", т.е. уменвшения потери. Этот эффект пропадает для случая ортогоналвности вектора электрического поля и базиснвгх плоскостей. Если давление во лвду велико, то образование болвшихобвёмов аморфного лвда приведёт к уменвшению потери прохождения при любв1х температурах лвда. В рассмотренном случае давление возникает из-за процесса таяния лвда в неоднородной структуре обвёма образца (из-за особенностей кристаллического строения и примесей в среде).

Общий вв1вод работв1 -- исследованнвге особенности можно исполвзоватв для обнаружения начала таяния ледянвгх покровов при фазоввгх измерениях зондирующих сигналов и обнаружения тонких увлажнённв1х слоёв, например, слоёв, загрязнённвгхсолеввши включениями.

Список литературы

1. Арманд Н. А., Захаров А. И., Захарова Л. Н. Космические радарв1 с синтезированной апертурой в дистанционном зондировании Земли: современные системв1 и перспективные проектв1 // Исследование Земли из космоса. 2010. № 2. С. 3-13.

2. Баранов Ю. Б., Кантемиров Ю. И., Киселевский Е. В., Никифоров С. Э. Применение метода радиолокационной интерферометрии при маркшейдерском контроле смещений земной поверхности, вв13ваннБ1х разработкой месторождений нефти и газа // Известия высших учебник заведений. Горный журнал. 2008. № 2. С. 45-53.

3. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Крвшов С. Д. Причинв1 изменения фазв1 коэффициента отражения от границв1 воздух-лёд в микроволновом диапазоне // Известия ввюших учебник заведений. Радиофизика. 2009. Т. 52, № 3. С. 260-266.

4. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Крвшов С.Д. Электромагнитные потери пресного лида в микроволновом диапазоне при 0°С // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 6.С. 587-591.

5. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Крвшов С. Д., Орлов А. О., Цыренжапов С. В. Определение областей донного газоотделения на акваториях с преснвшлидом по даннвш радарных и радиометрических измерений // Современнвге проблемв1 дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13, № 3. С. 150-161.

6. Бордонский Г. С., Крвшов С. Д. Аморфизациялида при механических напряжениях // Писвма в Журнал технической физики. 2017. Т. 43, № 21. С. 64-71.

7. Глазовский А. Ф., Мачерет Ю. Я. Вода в ледниках. Методв1 и резулвтатв1 геофизических и дистанционнвк исследований. М.: ГЕОС, 2014. 528 с.

8. Гурулев А. А. Резонаторнвге исследования пресного лида на частоте 3.3 ГГц // Учё- HBieзаписки ЗабГГПУ. 2009. № 2. С. 131-133.

9. Дмитриев А. В., Чимитдоржиев Т. И., Дагуров И. И. Поляризационная сигнатура пространственнвк вариаций обратного радарного рассеяния // Исследование Земли из космоса. 2016. № 5. С. 21-25.

10. DebenedettiГ. G. Metastable liquids. Frinston: Prinston Univ. Press, 1996. 424 p.

11. Liu Q., Augstein E., Darovskikh A. Polarization Anomaly of the Microwave Brightness Temperature from Ice // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, No. 12. Pp. 2228-2230.

12. Petrenko V., Whitworth R.W. Physics of Ice. Oxford: Oxford Univ. Press, 2002. 347 p.

13. Sharkov E. A. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Berlin; New York; London; Paris; Tokyo: Springer/PRAXIS, 2003. 613 p.

References

2. Baranov Yu. B., Kantemirov Yu. I., Kiselevskii E. V., Nikiforov S. E. Primeneniemetodaradiolokatsionnoiinterferometriiprimarksheiderskomkontrolesmeshcheniizemnoipoverkhnosti, vyzvannykhrazrabotkoimestorozhdeniineftiigaza // Izvestiyavysshikhuchebnykhzavedenii. Gornyizhurnal. 2008. № 2. S. 45-53.

3. Bordonskii G. S., Gurulev A. A., Krylov S. D. Prichinyizmeneniyafazykoeffitsientaotrazheniyaotgranitsyvozdukh-led v mikrovolnovomdiapazone // Izvestiyavysshikhuchebnykhzavedenii. Radiofizika. 2009. T. 52, № 3. S. 260-266.

4. Bordonskii G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D. Elektromagnitnyepoteripresnogol'da v mikrovolnovomdiapazonepri 0°C // Radiotekhnikaielektronika. 2014. T. 59, № 6. S. 587-591.

5. Bordonskii G. S., Gurulev A. A., Krylov S. D., Orlov A. 0., Tsyrenzhapov S. V. Opredelenieoblasteidonnogogazootdeleniyanaakvatoriyakh s presnyml'dompodannymradarnykhiradiometricheskikhizmerenii // SovremennyeproblemydistantsionnogozondirovaniyaZemliizkosmosa. 2016. T. 13, № 3. S. 150-161.

6. Bordonskii G. S., Krylov S. D. Amorfizatsiyal'daprimekhanicheskikhnapryazheniyakh // Pis'ma v Zhurnaltekhnicheskoifiziki. 2017. T. 43, № 21. S. 64-71.

7. Glazovskii A. F., Macheret Yu. Ya. Voda v lednikakh. Metodyirezul'tatygeofizicheskikhidistantsionnykhissledovanii. M.: GEOS, 2014. 528 s.

8. Gurulev A. A. Rezonatornyeissledovaniyapresnogol'danachastote 3.3 GGts // UchenyezapiskiZabGGPU. 2009. № 2. S. 131-133.

9. Dmitriev A. V., Chimitdorzhiev T. N., Dagurov P. N. Polyarizatsionnayasignaturaprostranstvennykhvariatsiiobratnogoradarnogorasseyaniya // IssledovanieZemliizkosmosa. 2016. № 5. S. 21-25. 10. Debenedetti P. G. Metastable liquids. Prinston: Prinston Univ. Press, 1996. 424 p.

11. Liu Q., Augstein E., Darovskikh A. Polarization Anomaly of the Microwave Brightness Temperature from Ice // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, No. 12. Pp. 2228-2230.

12. Petrenko V., Whitworth R.W. Physics of Ice. Oxford: Oxford Univ. Press, 2002. 347 p.

13. Sharkov E. A. Passive Microwave Remote Sensing of the Earth: Physical Foundations. Berlin; New York; London; Paris; Tokyo: Springer/PRAXIS, 2003. 613 p.

Received: April 12, 2018; accepted for publication May 16, 2018

Reference to article

BordonskiyG. S., Gurulev A. A. Study of Transmission and Reflection Characteristics of Microwave Radiation by Ice near the Melting Temperature // Scholarly Notes of TransbaikalState University. SeriesPhysics, Mathematics, Engineering, Technology. 2018. Vol. 13, No. 4. PP. 80-89. DOI: 10.21209/2308-8761-2018-13-4-80-89.

Размещено на Allbest.ru