Χρήση ραντάρ διείσδυσης στο έδαφος διπλής συχνότητας για τη μέτρηση της συσσώρευσης πάγου
Σε ψυχρές περιοχές, η συσσώρευση πάγου συχνά επηρεάζει τη ναυσιπλοΐα, τον έλεγχο των πλημμυρών, την παροχή νερού, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Κάτω από ακραίες συνθήκες, μπορεί επίσης να οδηγήσει σε πλημμύρα πάγου. Παραδείγματα διάσπασης πάγου και στρώματος πάγου στον ποταμό Heilongjiang φαίνονται στα Σχήματα 1 και 2.
Επομένως, οι επιτόπιες μετρήσεις των συνθηκών πάγου σε ποτάμια, λίμνες, κανάλια και ταμιευτήρες είναι σημαντικές για τον μετριασμό και την πρόληψη καταστροφών από πάγο.
Το πάχος του πάγου και το βάθος του νερού είναι σημαντικές παράμετροι τέτοιων παρατηρήσεων και οι μέθοδοι μέτρησής τους μπορούν γενικά να χωριστούν σε δύο τύπους:μετρήσεις επαφής και χωρίς επαφή. Οι μετρήσεις επαφής περιλαμβάνουν την παραδοσιακή διάτρηση και τη χρήση γραμμής θέρμανσης αντίστασης και αισθητήρων πίεσης. Οι μέθοδοι μέτρησης χωρίς επαφή περιλαμβάνουν σόναρ. τηλεπισκόπηση μέσω δορυφόρου, αερομεταφερόμενα και επίγεια ραντάρ· και ραντάρ εδάφους διείσδυσης (GPR).
Υπάρχει συνεχής βελτίωση της μεθόδου μέτρησης GPR τα τελευταία χρόνια, με την τεχνολογία να προσφέρει τα πλεονεκτήματα της συμπαγούς, χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης. Το GPR μπορεί επίσης να συρθεί σε μεγάλες αποστάσεις για μετρήσεις κατάστασης πάγου, επομένως η μέθοδος GPR είναι πολύ κατάλληλη για μέτρηση πάγου.
Η αρχή του GPR είναι ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα βραχέων παλμών υψηλής συχνότητας μεταδίδονται στον πάγο από την κεραία εκπομπής του συστήματος ραντάρ που είναι τοποθετημένη στο έδαφος. τα κύματα συναντούν υπόγειους σχηματισμούς ή στόχους διαφορετικών ηλεκτρικών ιδιοτήτων και αντανακλώνται πίσω στην επιφάνεια του εδάφους όπου λαμβάνονται από την κεραία λήψης του συστήματος ραντάρ (Εικόνα 3). Η διηλεκτρική σταθερά του αέρα είναι 1, του νερού είναι περίπου 80, του πάγου είναι 3–4 και του ψαμμίτη (λάσπη) είναι 5–30. Οι διαφορές μεταξύ των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του αέρα, του πάγου, του νερού και του ψαμμίτη επιτρέπουν την ανίχνευση στρωμάτων μεταξύ δύο υλικών με διαφορετικές διηλεκτρικές αγωγές με χρήση GPR.
Εκτός από το πάχος του πάγου, χρειάζεται επίσης το αντίστοιχο βάθος νερού της περιοχής μέτρησης, επειδή το πάχος του πάγου είναι μόνο μία από τις αιτίες της εμπλοκής πάγου ή των φραγμάτων πάγου. Για παράδειγμα, εάν το βάθος του νερού είναι αρκετά μεγάλο, ο πάγος μπορεί να μεταφερθεί εύκολα στο ποτάμι, επομένως ο παχύτερος πάγος δεν προκαλεί πάντα εμπλοκή πάγου ή φράγμα.
Αν και τα συστήματα GPR χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μέτρηση του πάχους του πάγου και του βάθους του νερού, το τρέχον GPR μονής συχνότητας δεν είναι ικανό για ακριβή ταυτόχρονη μέτρηση του πάχους του πάγου και του βάθους του νερού. Φυσικά, το βάθος του νερού μπορεί να μετρηθεί το καλοκαίρι, αλλά όταν μετράτε το πάχος του πάγου το χειμώνα με GPR μονής συχνότητας, είναι δύσκολο να ακολουθήσετε την ίδια διαδρομή μέτρησης. Λαμβάνοντας υπόψη τις αδυναμίες της χρήσης εδάφους διείσδυσης ραντάρ μονής συχνότητας (GPR) για την ταυτόχρονη μέτρηση του πάχους του πάγου και του βάθους του νερού, αναπτύχθηκε ένα GPR διπλής συχνότητας με κεραίες 100 και 1500 MHz (Εικόνα 4).
Το πλεονέκτημα του GPR διπλής συχνότητας είναι η ταυτόχρονη συλλογή δεδομένων πάχους πάγου και βάθους νερού. Βελτιώνει επίσης την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας παρατήρησης και μπορεί να ενσωματωθεί απρόσκοπτα με ένα σύστημα GIS για βελτιωμένη πρόβλεψη και απόκριση σε καταστροφές από πάγο. Μέσω μιας διαδικασίας χρονομερισμού, το σύστημα χρησιμοποιεί συχνότητες 100 και 1500 MHz για τη μέτρηση του βάθους του νερού και του πάχους του πάγου, αντίστοιχα. Το παράδειγμα ενός αποτελέσματος μέτρησης φαίνεται στο Σχήμα 5.
Η ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν από το αναπτυγμένο GPR διπλής συχνότητας αποκάλυψε ότι ορισμένοι παράγοντες που επηρέασαν το πάχος του πάγου και την ακρίβεια μέτρησης του βάθους του νερού ήταν οι εξής. 1) Η πολύπλοκη διαδικασία εμπλοκής πάγου παράγει μαρμελάδες πάγου με διαφορετικές πολυστρωματικές δομές που περιέχουν τυχαία κατανεμημένα πορώδες. Αυτό μεταβάλλει τη διηλεκτρική σταθερά του υλικού, η οποία είναι η βάση της αρχής μέτρησης του συστήματος ραντάρ. 2) Ο πάγος σε έναν αμμώδη ποταμό περιέχει ποικίλες μάζες ιζημάτων, με επιπλέον ίζημα να μεταφέρεται από το νερό στον πυθμένα του ποταμού. Αυτός είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν τις διηλεκτρικές σταθερές του νερού και του πάγου και, ως εκ τούτου, την ακρίβεια μέτρησης του GPR.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Double-frequency ground penetrating ραντάρ για μέτρηση πάχους πάγου και βάθους νερού σε ποτάμια και κανάλια:Ανάπτυξη, επαλήθευση και εφαρμογή, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Cold Regions Science and Technology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Hui Fu, Zhiping Liu, Xinlei Guo από το China Institute of Water Resources and Hydropower Research, και τον Haitao Cui από την Dalian Zhongrui Science and Technology Development Company.
