Развитие вблизинадирных радиолокационных и гидроакустических дистанционных методов мониторинга ледяного покрова

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-77-10064

НазваниеРазвитие вблизинадирных радиолокационных и гидроакустических дистанционных методов мониторинга ледяного покрова

Руководитель Титченко Юрий Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" , Нижегородская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика

Ключевые слова ледяной покров, сплоченность, радиолокатор СВЧ-диапазона, малые углы падения, гидролокатор ультразвукового диапазона

Код ГРНТИ29.35.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие активных дистанционных методов диагностики ледяного покрова при малых углах падения. Развитие методов диагностики ледяного покрова при малых углах падения излучения, и отличных от нулевого, получили активное развитие в последние годы. Во многом это объясняется появлением новых видов спутниковых радиолокаторов. К традиционным радиоальтиметрам в последние годы добавились радиолокаторы Dual-frequency Precipitation Radar (DPR) на спутнике Global Precipitation Measurement (GPM) и радиолокатор Surface Waves Investigation and Monitoring (SWIM) на спутнике Chinese-French Oceanic Satellite (СFOSAT), работающие при углах падения до 18 градусов. Актуальными остаются вопросы детектирования наличия ледяного покрова, определение его сплоченности, а также толщины льда при малых углах падения. Первая часть проекта включает в себя развитие методов мониторинга ледяного покрова по данным радиолокаторов СВЧ-диапазона. Будут использованы как спутниковые данные, так и измерения в рамках натурных экспериментов. Будут использованы данные о сечении обратного рассеяния радиолокаторов орбитального базирования DPR (Ku- и Ka-диапазон) и SWIM (Ku-диапазон). По их измерениям будут совершенствоваться алгоритмы детектирования ледяного покрова, а также исследована возможность определения сплоченности льда в Арктике и Антарктике. Натурный эксперимент по радиолокационному зондированию ледяного покрова будет проведен в Нижнем Новгороде, на реке Ока. В работе будет использоваться уникальная экспериментальная установка, состоящая из двух радиолокаторов Ka-диапазона расположенных по обе стороны метромоста и позволяющих измерять обратное отражение при малых углах падения практически по всеми азимутальными углами. Для сравнения на одной из сторон моста установлен радиолокатор X-диапазона. Преимуществом данной установке является круглогодичная работа и возможность проводить измерения дистанционно в любое время суток. Будет исследована зависимость сечения обратного рассеяния от температуры льда и его сплоченности. В дальнейшем эти данные будут применены для интерпретации измерений радиолокаторами орбитального базирования над пресноводными водоемами. Вторая часть проекта посвящена дистанционному зондированию ледяного покрова из-под воды в ультразвуковом диапазоне, при помощи оригинального прибора, разработанного в ИПФ РАН. Размещение ультразвукового гидролокатора оригинальной конструкции на подводной плавучей платформе позволит проводить измерения в любом месте Мирового океана без использования стационарных платформ, не возмущая измеряемую поверхность. Кроме того, подводная акустика может работать в любых условиях, например, в сильных штормах и во время интенсивных осадков. Измерения могут быть проведены на морях Северного Ледовитого океана, а также в других замерзающих водоемах. Благодаря подводному размещению и управлению/передаче данных по кабелю впервые появляется возможность проведения полного цикла измерений от начала формирования ледяного покрова до момента его разрушения и исследования свойств льда в ходе этого процесса. В отличие от притопленных буйковых станций, работающих в автономном режиме, постоянная передача данных по кабелю позволит получать информацию о ледовой обстановке практически в реальном времени, управлять работой прибора дистанционно и вносить необходимые поправки в ходе измерений. Будет проведен мониторинг становления и разрушения ледяного покрова. Длительные измерения позволят получить новые результаты, связанные с наблюдением формирования, нарастания и таяния ледяного покрова. Новизна проекта связана, в том числе, с планируемыми уникальными долговременными измерениями пресноводного и морского, а так же многолетнего ледяного покрова. Измерения будут проводиться на полярной станции ААНИИ «Мыс Баранова» и Горьковском водохранилище, а так же в рейсе Ледостойкой самодвижущейся платформы «Северный Полюс».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Панфилова М. А., Караев В.Ю., Титченко Ю.А., Ковалдов Д.А. Определение положения и сплоченности ледяного покрова по данным радиолокаторов Ku- и Ka-диапазонов при малых углах падения Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», стр.291 (год публикации - 2023)
10.21046/21DZZconf-2023a

2. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Понур К.А., Мешков Е.М., Зуйкова Э.М. Зависимость сечения обратного рассеяния от угла падения для пресноводного льда в Х диапазоне Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», стр.287 (год публикации - 2023)
10.21046/21DZZconf-2023a

3. Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Беляев Р.В., Ковалев С.М., Хотченков С.В., Кушеверский И.А. Acoustic pulses reflection at frequencies of 43 kHz and 200 kHz when probing the ice cover from under water in Arctic conditions Труды конференции 2023 ICOS, pp. 090-094 (год публикации - 2024)
10.1109/ICOS60708.2023.10425586

4. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Понур К.А., Мешков Е.М., Зуйкова Э.М. Backscattering of microwaves by freshwater ice at low incidence angles Труды конференции 2023 ICOS, pp. 106-109 (год публикации - 2024)
10.1109/ICOS60708.2023.10425605

5. Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Мешков Е. М., Ковалев С.М., Кушеверский И.А., Хотченков С.В. Измерение параметров ледяного покрова с помощью подводного гидролокатора «Трезубец» в арктических условиях: первые результаты НАВИГАЦИЯ И ГИДРОГРАФИЯ, № 73, стр. 82-92 (год публикации - 2023)

6. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Понур К.А., Мешков Е.М., Зуйкова Э.М. Рассеяние СВЧ-сигнала X диапазона пресноводным ледяным покровом XXVIII НИЖЕГОРОДСКАЯ СЕССИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ (ГУМАНИТАРНЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ), c. 145-150 (год публикации - 2023)

7. Панфилова М.А., Караев В.Ю. Sea Ice Detection Method Using the Dependence of the Radar Cross-Section on the Incidence Angle Remote Sensing, 16, no. 5: 859 (год публикации - 2024)
10.3390/rs16050859

8. Романов И.А., Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Мешков Е.М. Наблюдение за формированием ледяного покрова на Горьковском водохранилище с помощью ультразвукового гидролокатора Сборник тезисов, XXX Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ–2024, с.1 (год публикации - 2024)

9. Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Лопатин В.П., Фатеев В.Ф., Ковалдов Д.А. Doppler Spectrum of Bistatically Reflected Microwave Radiation when Moving over Ice Cover IGARSS 2024 - 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 197-200 (год публикации - 2024)
10.1109/IGARSS53475.2024.10642612

10. Панфилова М.А., Романюкина С.А., Кравцова К.В., Ковалдов Д.А., Караев В.Ю., Титченко Ю.А. Первые результаты классификации типа морского льда по данным СВЧ-радиолокатора при малых углах падения материалы ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», с.404 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

11. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А., Мешков Е.М., Понур К.А. Method for Calculating the Dependence of the Backscattering Radar Cross Section for Freshwater Ice on the Incidence Angle Using the Doppler Spectrum IGARSS 2024 - 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 107-110 (год публикации - 2024)
10.1109/IGARSS53475.2024.10640985

12. Титченко Ю.А., Лопатин В.П., Караев В.Ю., Фатеев В.Ф., Ковалдов Д.А. Детектирование ледяного покрова по доплеровскому спектру отраженного излучения двухпозиционного радара Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2024, с. 241-247 (год публикации - 2024)
DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-241-247

13. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А. Определение характеристик рассеяния пресноводного ледяного покрова в L диапазоне методами ГНСС-Рефлектометрии XXIX НИЖЕГОРОДСКАЯ СЕССИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ (ГУМАНИТАРНЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ). Материалы сессии. , Страницы: 209-213 (год публикации - 2024)

14. Титченко Ю.А., Ковалдов Д.А., Караев В.Ю. Сравнение доплеровских спектров сигналов в Ka-, Ku- и L- диапазонах, отраженных морским льдом и поверхностным волнением, полученных в результате полуэмпирического моделирования материалы ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», с.408 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

15. Панфилова М.А., Караев В.Ю., Титченко Ю.А. Composite Method for Sea Ice Detection Using DPR Radar Data Onboard GPM Satellite IGARSS 2024 - 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 65-67 (год публикации - 2024)
10.1109/IGARSS53475.2024.10641243

16. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А. Определение типа отражающей поверхности по данным системы глобального мониторинга GNSS-R: доплеровский спектр СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, РАДИОЛОКАЦИИ, РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ДИФРАКЦИИ ВОЛН. Всероссийские открытые Армандовские чтения. Материалы Всероссийской открытой научной конференции., с. 248-256 (год публикации - 2024)
DOI: 10.24412/2304-0297-2024-1-248-256

17. Караев В.Ю., Сорокин Е.С., Титченко Ю.А., Панфилова М.А., Мешков Е.М. К вопросу об использовании данных двухчастотного дождевого радиолокатора для мониторинга ледяного покрова внутренних водоемов материалы ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», с.390 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

18. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А. Особенности квазизеркального отражения СВЧ-радиоволн морским льдом по данным бистатического дистанционного зондирования в L-диапазоне Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 22. № 2. С. 217-232 (год публикации - 2025)
10.21046/2070-7401-2025-22-2-217-232

19. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А. Reconstruction of the angular dependence of backscattering pattern of freshwater ice according to the GNSS-R data IEEE GNSS+R 2025 (год публикации - 2025)

20. Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А., Понур К.А., Кузнецов Я.А., Мешков Е.М. Численное моделирование радиолокационного сигнала, отражённого морской поверхностью с разной сплочённостью морского льда Russian Journal of Earth Sciences, T.25 №. 3. С. 1-11. (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.2205/2025es001017

21. Караев В.Ю., Сорокин Е.С., Панфилова М.А., Титченко Ю.А., Мешков Е.М., Ковалдов Д.А. К вопросу о радиолокационном мониторинге формирования и разрушения ледяного покрова на внутренних водоемах: первые оценки Russian Journal of Earth Sciences, Том 25 № 3 (год публикации - 2025)
10.2205/2025es001020

22. Ковалдов Д.А., Титченко Ю.А., Караев В.Ю., Панфилова М.А. Применение ГНСС-Р для измерения диаграммы рассеяния ледяного покрова в L-диапазоне материалы ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», с.396 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

23. Панфилова М.А., Караев В.Ю. Sea ice detection using the data of SWIM radar onboard CFOSAT satellite with a thresholding method materials of CFOSAT meeting (год публикации - 2025)

24. Вичаре А.С., Ковалдов Д.А., Мешков Е.М. Экспериментальное исследование отражения акустического импульса пресноводным льдом материалы ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», с.381 (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Были проведены работы по созданию программного комплекса для численного моделирования радиолокационного сигнала, отраженного под малыми углами падения морской поверхностью с разной сплоченностью морского льда. Для численного моделирования работы радиолокатора на первом шаге задаётся распределение морского льда на водной поверхности. На втором шаге необходимо выбрать схему измерений. На третьем шаге рассчитывается сечение обратного рассеяния для каждого элемента разрешения с учетом смоделированной поверхности и геометрии зондирования. Для решения обратной задачи восстановления сплоченности предложен новый подход. Из анализа результатов численного моделирования решения обратной задачи следует, что области, полностью покрытые морским льдом и полностью свободные ото льда, хорошо различимы даже при отсутствии сведений о параметрах морского волнения. Значительные ошибки появляются при небольших сплочённостях морского льда. Улучшить точность можно, если в радиолокационном изображении имеются области со сплошным морским льдом и свободные ото льда. Тогда зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения для морского волнения и для морского льда могут быть измерены в этих областях и использоваться при восстановлении сплочённости льда. При измерениях на длинных трассах переход от взволнованной морской поверхности к сплошному морскому льду и наоборот может происходить часто. Поэтому алгоритм можно (необходимо) «настраивать» для каждого трека. Был собран совместный массив данных о сплоченности ледяного покрова и о сечении обратного рассеяния по данным радиолокатора SWIM на спутнике CFOSAT а так же DPR миссии GPM. Получены гистограммы и плотности вероятности сечения обратного рассеяния для разных типов ледяного покрова. Было рассмотрено 4 типа льда: 1-нилас, толщина льда менее 10 см; серый лёд, толщина 10-15 см; серо-белый лёд, толщина 15-30 см; тонкий однолетний лёд, толщина 30-70 см. По имеющимся данным показано, что максимумы плотности вероятности для начальных форм льда (нилас, серый лед) соответствуют большим значениям сечения обратного рассеяния, чем для серо-белого и тонкого однолетнего льда для большинства рассмотренных случаев, однако, диапазоны значений сечения обратного рассеяния для всех типов льда сильно перекрываются. Показано, что сигнал в Ku-диапазоне чувствителен к типу ледяного покрова, и данные при малых углах падения могут быть использованы при разработке алгоритмов классификации типа льда. Разработан композитный метод обнаружения морского льда с использованием данных радиолокатора при малых углах падения. Композитный метод обнаружения морского льда на основе кластеризации и статистики уклона был проверен с использованием данных радиометра AMSR-2 и показал хорошую точность. Исследовалась возможность применения данных двухчастотного дождевого радиолокатора для обнаружения формирования и разрушения ледяного покрова на небольших внутренних водоемах. Благодаря особенностям обратного рассеяния при малых углах падения (< 18°), внутренние водоемы с размерами меньше элемента разрешения радиолокатора (5 км) «видны» на радиолокационных изображениях. На примере р. Волга показано, что переходы «вода-лед» и «лед-вода» могут быть обнаружены при анализе радиолокационных изображений и, таким образом, получены оценки длительности существования ледяного покрова на внутренних водоемах. Рассматривались возможности системы GNSS-R для исследования поверхности Земли, в частности проводилось сравнение ледяной поверхности в Антарктической зоне и водной поверхности в Атлантическом океане. Выполнялось исследование, по разработке подхода построения полуэмпирических моделей доплеровского спектра микроволнового сигнала, бистатически отраженного ледяным покровом. Выполнено исследование влияния температуры воздуха на вид зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения для пресноводного и морского льда. Первые результаты показывают что зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения для морского льда имеют большую корреляцию с температурой воздуха. Тогда как для пресноводного льда влияние температуры воздуха на зависимости сечения обратного рассеяния от угла падения не так очевидно и требует дальнейшего исследования. С использованием полученных диаграмм рассеяния морского льда проведено численное моделирование доплеровского спектра отраженного излучения для Ka-, Ku- и L- диапазонов длин волн. В результате проведенного моделирования показано, что для определения типа подстилающей поверхности (лед или вода) во всех диапазонах длин волн необходимо использовать приемную антенну с широкой ДН на подвижном носителе. Так же показано, что для L-диапазона при слабом волнении ширина ДС может совпадать для воды и ледяного покрова. При этом коэффициента эксцесса будет существенно различаться для воды и льда при тех же условиях. Выполнялось исследование формы акустического импульса отраженного пресноводным льдом во время эксперимента на Горьковском водохранилище в Нижегородской области с ноября 2023 г. по март 2024 г. В результате исследования были проанализированы различные параметры, влияющие на отражение акустических сигналов. В конце ноября 2024 года в малом ледовом бассейне Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) была запущена уникальная экспериментальная установка с целью исследования рассеяния СВЧ и ультразвукового сигналов ледяным покровом при разной толщине. Установка состоит из двух радиолокаторов Ka- и X- диапазона и гидролокатора. На основе полученных результатов предложена простая эмпирическая модель для формы акустического импульса отраженного пресноводным ледяным покровом.

Публикации