Методика дистанционного измерения толщины снега и льда для авиационных систем бортового контроля с частотной модуляцией

Г.Ю. Степанов

doi:10.18127/j20700814-202605-09

Методика дистанционного измерения толщины снега и льда для авиационных систем бортового контроля с частотной модуляцией

научная статья УДК 004.93 Страницы: 59-65 doi.org/10.18127/j20700814-202605-09

¹ Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург, Россия)

Ключевые слова: НИЧМ МБРЛС МЛА дистанционное зондирование имитационное моделирование толщина снега толщина льда радарограмма

Аннотация

Постановка проблемы. В настоящее время контроль толщины ледового и снежного покровов является востребованным для решения множества проблем. Традиционные методы измерения толщин имеют существенные недостатки и ограничения. Поэтому возникает потребность в развитии дистанционных способов измерения толщины снега и льда, базирующихся на применении малогабаритных бортовых радиолокационных систем.

Цель. Рассмотреть методику измерения толщины снега и льда в многослойной среде «воздух – снег – лед – вода» путем имитационного моделирования малогабаритной бортовой радиолокационной станции непрерывного излучения с частотной модуляцией, установленной на подвижном малом летательном аппарате, и оценить ее эффективность.

Результаты. Разработана имитационная модель процесса подповерхностного сканирования многослойной среды, подтвердившая эффективность и работоспособность предложенной методики измерения толщины снежного и ледового покровов. Проведена оценка точности измерений, которая показала, что средняя абсолютная ошибка ниже или равна ошибке в аналогичных работах, а это является оптимальным результатом для устройства подобного класса.

Практическая значимость. Применение новой комплексной модели обеспечивает одновременное измерение толщины снега и льда и улучшает эффективность предварительной настройки и тестирования малогабаритных бортовых радиолокационных станций непрерывного излучения с частотной модуляцией. Как следствие, эксплуатация подобных систем гарантирует повышение точности измерения толщины снега и льда на расстоянии, исключая необходимость выполнения трудоемких контактных измерений.

Поступила: 13.07.2026
Одобрена: 22.07.2026
Принята: 01.09.2026

Для цитирования

Степанов Г.Ю. Методика дистанционного измерения толщины снега и льда для авиационных систем бортового контроля с частотной модуляцией // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2026. Т. 24. № 5. С. 59−65. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700814-202605-09

Список источников

Yan J.-B., Alvestegui D.G.-G., McDaniel J.W., Li Y., Gogineni S., Rodriguez-Morales F. Ultrawideband FMCW Radar for Airborne Measurements of Snow Over Sea Ice and Land // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 2. P. 834–843. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2616134.
Jenssen R.O.R., Eckerstorfer M., Jacobsen S. Drone-Mounted Ultrawideband Radar for Retrieval of Snowpack Properties // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2020. V. 69. № 1. P. 221–230. DOI: 10.1109/TIM.2019.2893043.
Tang A., Chahat N., Kim Y., Bharathan A., Virbila G., Marshall H.-P. A UAV Based CMOS Ku-Band Metasurface FMCW Radar System for Low-Altitude Snowpack Sensing // IEEE Journal of Microwaves. 2024. V. 4. № 1. P. 43–55. DOI: 10.1109/JMW.2023.3327188.
Abushakra F., Kolpuke S., Simpson C., Reyhanigalangashi O., Pierce J., Jeong N. Snow Depth Measurements With Ultra-Wideband Compact FMCW Radar on a Small Unmanned Aircraft System // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. 2023. V. 7. P. 343–351. DOI: 10.1109/JRFID.2023.3259240.
Pomerleau P., Royer A., Langlois A., Cliche P., Courtemanche B., Madore J.-B., Picard G., Lefebvre É. Low Cost and Compact FMCW 24 GHz Radar Applications for Snowpack and Ice Thickness Measurements // Sensors. 2020. V. 20. P. 3909. DOI: 10.3390/s20143909.
Kolpuke S., Simpson C.D., Abushakra F., Awasthi A.K., Reyhanigalangashi O., Pierce J. Airborne UWB FMCW Radar for Snow Depth Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–15. DOI: 10.1109/TGRS.2022.3223989.
Stroeve J., Nandan V., Willatt R., Tonboe R., Hendricks S., Ricker R., Mead J., Huntemann M., Itkin P., Schneebeli M., Krampe D., Spreen G., Wilkinson J., Matero I., Hoppmann M., Mallet R., Tsamados M. Surface-Based Ku- and Ka-band Polarimetric Radar for Sea Ice Studies. 2020. DOI: 10.5194/tc-2020-151.
Tikhonov V.V., Boyarskii D., Sharkov E., Raev M., Repina I., Ivanov V., Alekseeva T., Komarova N. Microwave model of radiation from the multilayer “ocean-atmosphere” system for remote sensing studies of the polar regions // Progress In Electromagnetics Research B. 2014. V. 59. P. 123–133. DOI: 10.2528/PIERB14021706.
Rodríguez-Morales F., Li J., Alvestefui D.G.-G., Shang J., Arnold E.J., Leuschen C.J. A Compact, Reconfigurable, Multi-UWB Radar for Snow Thickness Evaluation and Altimetry: Development and Field Trials // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2021. V. 14. P. 6755–6765. DOI: 10.1109/JSTARS.2021.3092313.
Barber D.G., LeDrew E.F. Modeling synthetic aperture radar (SAR) scattering from a seasonally varying snow-covered sea ice volume at 5.3 and 9.25 GHz. Polar Research. 1994. V. 13(1). P. 35–54. DOI: 10.3402/polar.v13i1.6679.
Ayhan S., Pauli S., Scherr S., Gottel B., Bhutani A., Thomas S. Millimeter-Wave Radar Sensor for Snow Height Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 2. P. 854-861. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2616441.
Maaß N., Kaleschke L., Tian-Kunze X., Drusch M. Snow thickness retrieval over thick Arctic Sea ice using SMOS satellite data // The Cryosphere. 2013. V. 7. P. 1971–1989. DOI:10.5194/tc-7-1971-2013
Mills P., Georg H. Sea Ice Brightness Temperature as a Function of Ice Thickness: Computed curves for AMSR-E and SMOS (frequencies from 1.4 to 89 GHz) // arXiv (Cornell University). Cornell University. 2012. DOI:10.48550/arXiv.1202.3802.
Kolpuke S., Abushakra F., Gogineni S.P., Braaten D., Taylor D., Larson J.D. Airborne Multichannel UWB FMCW Radar for Snow Depth Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2024. V. 62. P. 1–18. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3359125.

[1] Yan J.-B., Alvestegui D.G.-G., McDaniel J.W., Li Y., Gogineni S., Rodriguez-Morales F. Ultrawideband FMCW Radar for Airborne Measurements of Snow Over Sea Ice and Land // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 2. P. 834–843. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2616134.

[2] Jenssen R.O.R., Eckerstorfer M., Jacobsen S. Drone-Mounted Ultrawideband Radar for Retrieval of Snowpack Properties // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2020. V. 69. № 1. P. 221–230. DOI: 10.1109/TIM.2019.2893043.

[3] Tang A., Chahat N., Kim Y., Bharathan A., Virbila G., Marshall H.-P. A UAV Based CMOS Ku-Band Metasurface FMCW Radar System for Low-Altitude Snowpack Sensing // IEEE Journal of Microwaves. 2024. V. 4. № 1. P. 43–55. DOI: 10.1109/JMW.2023.3327188.

[4] Abushakra F., Kolpuke S., Simpson C., Reyhanigalangashi O., Pierce J., Jeong N. Snow Depth Measurements With Ultra-Wideband Compact FMCW Radar on a Small Unmanned Aircraft System // IEEE Journal of Radio Frequency Identification. 2023. V. 7. P. 343–351. DOI: 10.1109/JRFID.2023.3259240.

[5] Pomerleau P., Royer A., Langlois A., Cliche P., Courtemanche B., Madore J.-B., Picard G., Lefebvre É. Low Cost and Compact FMCW 24 GHz Radar Applications for Snowpack and Ice Thickness Measurements // Sensors. 2020. V. 20. P. 3909. DOI: 10.3390/s20143909.

[6] Kolpuke S., Simpson C.D., Abushakra F., Awasthi A.K., Reyhanigalangashi O., Pierce J. Airborne UWB FMCW Radar for Snow Depth Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–15. DOI: 10.1109/TGRS.2022.3223989.

[7] Stroeve J., Nandan V., Willatt R., Tonboe R., Hendricks S., Ricker R., Mead J., Huntemann M., Itkin P., Schneebeli M., Krampe D., Spreen G., Wilkinson J., Matero I., Hoppmann M., Mallet R., Tsamados M. Surface-Based Ku- and Ka-band Polarimetric Radar for Sea Ice Studies. 2020. DOI: 10.5194/tc-2020-151.

[8] Tikhonov V.V., Boyarskii D., Sharkov E., Raev M., Repina I., Ivanov V., Alekseeva T., Komarova N. Microwave model of radiation from the multilayer “ocean-atmosphere” system for remote sensing studies of the polar regions // Progress In Electromagnetics Research B. 2014. V. 59. P. 123–133. DOI: 10.2528/PIERB14021706.

[9] Rodríguez-Morales F., Li J., Alvestefui D.G.-G., Shang J., Arnold E.J., Leuschen C.J. A Compact, Reconfigurable, Multi-UWB Radar for Snow Thickness Evaluation and Altimetry: Development and Field Trials // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2021. V. 14. P. 6755–6765. DOI: 10.1109/JSTARS.2021.3092313.

[10] Barber D.G., LeDrew E.F. Modeling synthetic aperture radar (SAR) scattering from a seasonally varying snow-covered sea ice volume at 5.3 and 9.25 GHz. Polar Research. 1994. V. 13(1). P. 35–54. DOI: 10.3402/polar.v13i1.6679.

[11] Ayhan S., Pauli S., Scherr S., Gottel B., Bhutani A., Thomas S. Millimeter-Wave Radar Sensor for Snow Height Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. V. 55. № 2. P. 854-861. DOI: 10.1109/TGRS.2016.2616441.

[12] Maaß N., Kaleschke L., Tian-Kunze X., Drusch M. Snow thickness retrieval over thick Arctic Sea ice using SMOS satellite data // The Cryosphere. 2013. V. 7. P. 1971–1989. DOI:10.5194/tc-7-1971-2013

[13] Mills P., Georg H. Sea Ice Brightness Temperature as a Function of Ice Thickness: Computed curves for AMSR-E and SMOS (frequencies from 1.4 to 89 GHz) // arXiv (Cornell University). Cornell University. 2012. DOI:10.48550/arXiv.1202.3802.

[14] Kolpuke S., Abushakra F., Gogineni S.P., Braaten D., Taylor D., Larson J.D. Airborne Multichannel UWB FMCW Radar for Snow Depth Measurements // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2024. V. 62. P. 1–18. DOI: 10.1109/TGRS.2024.3359125.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи