Лабораторное исследование характеристик радиолокационных импульсов, отраженных от пресноводного льда

Дистанционное зондирование пресноводного ледяного покрова водоемов является важной задачей дистанционного мониторинга состояния водных ресурсов в холодных регионах. Спутниковые радиолокационные системы успешно применяются для мониторинга внутренних водоемов и измерения уровня озер, покрытых льдом [1, 2]. Исследования с использованием двухчастотного радара DPR показали возможность обнаружения переходов между открытой водой и ледяным покровом [1]. Анализ спутниковых альтиметрических данных над сезонно покрытыми льдом озерами выявил характерные двухпиковые формы отражённого импульса во время ледового сезона, что связано с отражениями от различных границ раздела: воздух-лёд и лёд-вода [2]. Однако интерпретация таких сигналов остается сложной задачей, требующей детального понимания процессов рассеяния электромагнитных волн на различных границах раздела. Лабораторные эксперименты в контролируемых условиях позволяют получить детальную информацию о характеристиках отраженного сигнала на различных этапах формирования и таяния ледяного покрова, что необходимо для корректной интерпретации данных дистанционного зондирования.
В работе представлены результаты эксперимента по изучению рассеяния электромагнитного сигнала X-диапазона от пресноводного ледяного покрова в лабораторных условиях в ледовом бассейне Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ). Эксперимент проводился с 15 декабря 2024 года по 1 марта 2025 года и состоял из двух этапов: замораживание/формирование ледяного покрова (до 31 января 2025 года) и таяние/разрушение ледяного покрова (с 1 февраля 2025 года). Измерения выполнялись радиолокатором X-диапазона с ЛЧМ сигналом производства АО НПФ «Микран». Радиолокатор был установлен на площадке, которая поворачивалась электродвигателем по углу падения. Это позволило провести исследование зависимости обратного рассеяния от угла падения. Анализировалось влияния параметров ледяного покрова на характеристики отраженного радиолокационного сигнала.
Анализ отраженных радиолокационных импульсов показал изменения в структуре сигнала, соответствующие ключевым этапам образования и таяния льда. В начале замерзания отраженный импульс был узким и четко очерченным, что указывало на однородность границы раздела лед-вода. По мере нарастания ледяного покрова импульс расширялся, а его пик смещался влево, что связано с отражением от двух границ: от границы лёд-воздух и границы вода-лёд. При максимальной толщине льда наблюдались два четких пика, соответствующие отражениям от верхней и нижней границ льда. Во время фазы таяния эти пики быстро пропали за счет образования тонкого слоя воды на поверхности ледяного покрова. Для «влажного» льда отражение происходило только от верхней границы.
Среднее значение (центр тяжести отраженного импульса) отражённого сигнала показало равномерное увеличение расстояния в диапазоне углов от 0 до 5 градусов в течение всего периода замораживания и резкое его уменьшение с началом стадии таяния, так как основное отражения в случае с пресноводным ледяным покровом происходит от водной поверхности или «влажного» льда. При углах более 6 градусов наблюдалось значительное увеличение шумов, что затрудняло точный анализ сигнала, однако тенденция к уменьшению расстояния в начале периода таяния сохранялась и для этих измерений. В ходе исследования проанализированы временные, амплитудные и угловые характеристики радиолокационных импульсов, отражённых от пресноводного льда.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-10064. Авторы выражают благодарность ААНИИ и отдельно сотрудникам В. Лихоманову и А. Чернову за помощь в проведение экспериментов и предоставление контактных данных для анализа.