Содержание к диссертации
Введение
2. Методы дистанционного зондирования ледников и возможности увеличения их информационной способности II
2.1. Радиофизические методы дистанционного зондирования ледников II
2.2. Поляризационная структура рассеянных сигналов при зондировании ледников 15
2.3. Поляризационно-оптические методы исследования напряжений и деформаций 20
2.4. Методы оптической эллипсометрии 27
2.5. Краткие выводы и постановка задачи 33
3. Радиооптические свойства ледников 35
3.1. Радиооптические свойства однослойных ледников и возможная причина анизотропии 35
3.2. Модель однослойного ледника в виде оптического компенсатора для случая поляризационно-изотропного ложа 42
3.3. Поляризационные инварианты однослойного ледника . 50
3.4. Радиооптические свойства двухслойного ледника . 55
3.5. Операторы ледников со сложной структурой 57
3.6. Выводы 62
4. СВЧ-эллипсометрия ледников и задача интерпретации данных зондирования 64
4.1. Выбор оптимальных видов поляризации для задач СВЧ-эллипсометрии ледников 64
4.2. Зондирование ледников с использованием поляризаци-онно-модулированных сигналов
4.3. Корреляционная обработка и интерпретация данных зондирования для случая поляризационно-изотропного ложа 77
4.4. Использование поляризационных инвариантов ледника в задаче радиолокационной эллипсометрии 80
4.5. Эплипсометрия ледников в случае произвольной ориентации оптической оси и электрической анизотропии ложа 85
4.6. Анализ вектора Стокса в модели ледника с тающей поверхностью 92
4.7. Использование искусственных отражателей в задачах СВЧ-эллипсометрии ледников 96
4.8. Выводы 98
5. СВЧ-эллипсометрия горных ледников Алтая 100
5.1. Краткая характеристика района и объектов исследования 100
5.2. Аппаратура и методика измерений 105
5.3. Исследование однослойных ледников 114
5.4. Интерпретация данных зондирования однослойных ледников 119
5.5. Интерпретация данных экспериментов с целью определения механических параметров ледника 128
5.6. Экспериментальные исследования поляризационных инвариантов ледников 134
5.7. Практическое значение результатов СВЧ-эллипсометрии ледников 139
5.8. Выводы 140
6. Заключение 142
7. Литература 147
- Радиофизические методы дистанционного зондирования ледников
- Радиооптические свойства однослойных ледников и возможная причина анизотропии
- Выбор оптимальных видов поляризации для задач СВЧ-эллипсометрии ледников
- Краткая характеристика района и объектов исследования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Охрана и научно обоснованное рациональное использование Земли и ее недр, водных и других природных ресурсов, необходимость которых отмечена в Конституции СССР [Ij , требует развития способов оперативного дистанционного зондирования и контроля параметров природных сред. Планом развития народного хозяйства СССР на 1980-1985 годы [Z] предусмотрена разработка и дальнейшее развитие способов исследования природных сред и создание аппаратурных комплексов для определения их параметров. Получение этой информации неизбежно связано с внедрением в практику исследования природных объектов прогрессивных способов дистанционного зондирования и, в первую очередь, радиофизических.
Радиофизические методы нашли в последние годы широкое применение при дистанционном бесконтактном зондировании природных сред. Круг этих задач весьма обширен: это дистанционное зондирование метеообразований, геологические, гляциологические, гидрологические исследования и др. В круге этих вопросов можно выделить класс методов подповерхностного зондирования геофизических объектов , позволяющих получать информацию об их структуре и свойствах, недоступных для непосредственного наблюдения и изучения. Одним из объектов, изучение которого представляет значительный интерес для народного хозяйства, являются природные льды. Дистанционное бесконтактное зондирование является основным способом определения их внутренней структуры.
Однако в настоящее время в задачах подповерхностного зондирования природных сред в частности ледников используются в основном традиционные методы импульсной радиолокации [3,4,5,6] .
Использование только амплитудных измерений, характерных для импульсных радиолокаторов с фиксированной поляризацией излучения, позволяет определить только наличие отражающих границ в зондируемом объекте и по величине временной задержки сделать выводы о диэлектрической проницаемости на основе анализа интенсивности рассеянного сигнала. Оценка физико-механических свойств зондируемой среды существующими радиофизическими методами невозможна, в то время как для обширного класса природных сред определение именно этих параметров представляет первостепенный интерес.
Так, интенсивное хозяйственное освоение Сибири, высокогорных и высокоширотных областей обуславливает необходимость изучения природных льдов, использования их положительных качеств, а также учета и предсказания их разрушительных свойств. В качестве последних можно упомянуть катастрофические подвижки горных ледников, обвалы концевых частей, обусловленные изменением внутренних напряжений. Информации о величине и изменении последних традиционными радиофизическими методами получить не представляется возможным.
Отсюда следует, что в настоящее время существует актуальная задача увеличения информационной способности радиофизических методов подповерхностного зондирования природных объектов, в частности - ледников; с целью получения сведений о физико-механических параметрах зондируемой среды. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертация.
Состояние вопроса. Рассмотрение вопросов повышения информационной способности методов подповерхностного зондирования в настоящей работе проведено применительно к природным льдам, а именно - к горным ледникам, оказывающим значительное влияние на вопросы изменения климата, регулирования и прогнозирования стока - б - рек, орошения засушливых земель, а также на другие, тесно связанные с народнохозяйственными задачами, аспекты.
Недостаточная информационная способность импульсного радиолокационного метода зондирования ледников привела в настоящее время к необходимости использования поляризационных параметров электромагнитного поля. Исследования, проведенные В.В.Богородским, Г.В.Треповым, Б.А.Федоровым, Н.Д.Харгривсом, Ю.Я.Мачеретом и др. на ледниках Антарктиды, Гренландии и Шпицбергена [6,I0,II,I Относительно этих предположений следует заметить, что первые четыре не дают объяснения наблюдаемым эффектам изменения вида поляризации при радиолокационном зондировании ледников, а роль напряженного состояния "трудно оценить вследствие его неизученности..." [14]. Таким образом, в настоящее время не существует единого мнения о механизме изменения поляризации электромагнитных волн при зондировании ледников, а результатами проведенных экспериментальных исследований констатируется лишь факт изменения поляризации зондирующего сигнала. Выделение и использование информации о физико-механических параметрах льда, заключенной в изменении поляризации требует, таким образом, целенаправленных исследований. Способы изучения свойств различных сред и повеохностей раздела с использованием поляризационной информации в оптическом диапазоне волн известны и изучаются в рамках оптической эллип-сометрии [7,8,9]. При этом под термином "эллипсометрия" понимается раздел оптики, предметом которого являются: I/ разработка методов описания изменений состояния поляризации света при прохождении некоторой среды или отражающей системы; 2/ исследование свойств материальных сред и отражающих систем путем анализа изменений состояния поляризации. Эллипсометрические способы дают возможность получения наиболее детальной информации о свойствах материальных сред и отражающих систем. Высокая информационная способность методов элли-псометрии является одной из предпосылок целесообразности их развития применительно к задачам повышения информационной способности методов бесконтактного дистанционного зондирования природных льдов. Подтверждение высокой эффективности использования информации, содержащейся в поляризационных параметрах можно найти в широком распространении поляризационно-оптических методов для исследования напряженного состояния деталей и строительных конструкций [15,16,17,18] , а также в их применении при исследовании кристаллических и аморфных диэлектриков [7,8,9] . Однако специфика методов использования поляризационной информации в оптическом диапазоне не позволяет перенести их непосредственно в радиодиапазон и требует проведения дополнительных исследований в части анализа механизма преобразования поляризации электромагнитных волн в напряженном диэлектрике /лед/ и его формальном представлении. Кроме того, необходимо прове- дение целенаправленных экспериментальных исследований, позволяющих связать поляризационные параметры рассеянного сигнала с физико-механическими параметрами зондируемой среды. Цель работы. В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы является: Построение операторных моделей напряженных ледников, позволяющих связать поляризационные параметры рассеянного СВЧ-си-гнала с их физико-механическими параметрами. Разработка алгоритмов СВЧ-эллипсометрии ледников на основе использования сигналов с динамической поляризационной структурой /модулированных по поляризации/. Разработка способов интерпретации данных экспериментальных исследований, позволяющих извлекать информацию о физико-механических параметрах льда из поляризационной структуры рассеянных сигналов. Экспериментальные исследования.іройного лучепреломления электромагнитных волн в ледниках, имеющие целью подтверждение гипотезы о влиянии напряженного состояния льда как об основном факторе, определяющем состояние поляризации рассеянного сигнала. Научная новизна работы определяется следующим: I. На основе принятия гипотезы о фотоупругости льда в СВЧ диапазоне /"радиоупругости"/ предложено несколько операторных моделей напряженного диэлектрика /льда/, параметры которых содержат информацию о физико-механических свойствах зондируемой среды. Кроме того, указанные модели учитывают влияние некоторых природных факторов на поляризационную структуру рассеянных сигналов, позволяя в дальнейшем разделить влияние этих факторов и эффекты, обусловленные внутренними напряжениями в зондируемом объекте. И. Результаты экспериментальных исследований двойного лучепреломления электромагнитных волн в ледниках, сопряженные с топогеодезическими измерениями, позволяют сделать вывод о влиянии напряженного состояния льда как об основном факторе, обуславливающем эффект наличия двойного лучепреломления. Практическая значимость работы определяется тем, что: I. Проведенные исследования служат основой для правильного понимания физики двойного лучепреломления электромагнитных волн радиодиапазона в природных льдах. 'd. Разработанные алгоритмы СВЧ-эллипсометрии достаточно легко реализуются аппаратурно и позволяют значительно повысить информационную способность радиофизических методов подповерхностного зондирования по сравнению с традиционными. Результаты экспериментальных исследований двойного лучепреломления волн в ледниках Алтая демонетрируют возможность определения полей физико-механических параметров льда. Результаты экспериментальных исследований представляют самостоятельный научный и практический интерес для специалистов в области радиофизики и гляциологии, поскольку объем практических результатов, полученных с целенаправленным использованием поляризационных параметров рассеянных сигналов, к настоящему времени невелик. На защиту выносятся следующие основные положения: Процессы преобразования поляризации электромагнитных волн в ледниках обусловлены в основном эффектом фотоупругости в СВЧ диапазоне /"радиоупругость"/. Предложенные модели ледников позволяют разделить влияние напряженного состояния льда на поляризационную структуру рассеянного сигнала с влиянием других природных факторов. 3. Результаты экспериментального исследования распространения волн в природных льдах подтверждают гипотезу о фотоупругости льда в СВЧ диапазоне, как об основном факторе, вызывающем эффект двойного лучепреломления. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на УЇЇ Всесоюзном гляциологическом симпозиуме /Томск, 1980/, Ж Всесоюзной конференции по. распространению радиоволн /Горький, 1981/, I Всесоюзной конференции по физике и механике льда /Москва, 1981/, Рабочем совещании секции гляциологии, посвященном 100-летию Ж1, 50-летию П-го МИГ, 25-летию МІГ на секции "Геофизические наблюдения на ледниках и вопросы передачи материалов в Мировые центры данных" /Москва, 1982/. Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть работ в центральных журналах, тематических сборниках и материалах конференций [19,20,21,22,33,34] . Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных разделов, заключения; изложена на 42,0 стр. машинописного текста, содержит 42 рисунка и список использованной литературы из 60 наименований. - II - 2. МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЛЕДНИКОВ И ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ИХ ИНФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ Во втором разделе рассматриваются способы дистанционного зондирования природных льдов. Дан обзор работ, в которых зарегистрирован эффект изменения поляризации радиолокационных сигналов при прохождении их через толщу льда. Рассмотрены поляри-зационно-оптические методы исследования напряжений и деформаций, в основе которых лежит явление фотоупругости, и дано описание методов оптической эллипсометрии, применяемых для изучения состояния слоистых сред и границ раздела между ними, в последнем параграфе, на основании проведенного анализа, делаются краткие выводы и формулируется цель исследований. Возможность радиолокационного зондирования материковых ледников впервые была обнаружена в 1958г. в Антарктиде, когда бортовой импульсный радиовысотомер показывал высоту 270 м при посадке самолета на ледник. В то же время были зафиксированы большие ошибки высотомеров при полетах над антарктическими ледниками [23,24] Основываясь на этих фактах, В.В.Богородский и В.Н. Рудаков предложили использовать импульсный метод радиолокации для измерения толщины ледников [25] . Впервые успешные эксперименты по радиолокационному зондированию льда в Антарктиде были осуществлены в девятой Советской антарктической экспедиции [26]. В тот же период аналогичные работы были начаты в Великобритании и США [23] . В настоящее время радиолокационное зондирование является самым оперативным и производительным методом дистанционногого изучения ледников . В этом методе информация о толщине ледника заключена в задержке импульса, прошедшего через ледниковую толщу и отразившегося от ложа. Этим методом успешно изучаются гигантские ледники Антарктиды и Гренландии, оледенение Шпицбергена и Северной Земли [3,13,14,27,28] . Для определения толщины горных ледников Тянь-Шаня метод импульсной радиолокации был применен впервые А.К.Рюминым [28]. За последние 15 лет этим методом изучались горные ледники Кавказа, Полярного Урала и Алтая [28-34] . В настоящее время импульсный метод радиолокации широко применяется для изучения внутреннего строения и состояния ледников. Этим методом возможно выявление в толще ледников внутренних морен, полостей, плотностных неоднородностей, подледных озер [5, 35]. В Антарктиде проведены успешные эксперименты по выявлению скрытых под снежным покровом трещин [5]. Импульсный метод радиолокации применяется для определения толщины морских плавающих льдов в ледовой разведке для проводки судов [36-38]. Использование радиоимпульсов наносекундной длительности позволило применять радиолокацию для изучения весьма тонких пресноводных речных и озерных льдов [4,39]. Кроме того, при помощи радиолокационного метода решается еще целый ряд геофизических задач, таких как определение запасов льда в ледниках Езо], измерения средней температуры ледника [40], измерение скоростей движения ледовых покровов в местах, где отсутствуют поверхностные ориентиры ІІ4І, исследование границ вечной мерзлоты [41], поиск жертв снежных лавин [ 5]. В результате распространения в ледниковой толще вид поляризации зондирующего сигнала (обычно линейно поляризованного) изменяется. В общем случае поляризация становится эллиптической, а факты ее изменения отмечены исследователями в Антарктиде, Гренландии и на Шпицбергене /"lO,II,I2,I3j. Предполагается, что причинами эффекта изменения поляризации могут быть: I) анизотропия коэффициента отражения от границ, 2) Эффект Фарадея, 3) оптическая активность в радиодиапазоне, 4) структурные неоднородности, 5) двойное лучепреломление за счет упорядоченной ориентации кристаллов льда или за счет напряженного состояния среды. Рассмотрим вероятный вклад каждого из перечисленных механизмов применительно к горным ледникам. 1. Анизотропия коэффициента отражения от границ, если таковая существует в ледниках, будет постоянно действующим фактором, своеобразной систематической ошибкой эксперимента. 2. Эффект Фарадея в случае зондирования ледников незначителен l4j и не может быть принят для объяснения рассматриваемого явления. 3. Оптическая активность льда в радиодиапазоне не изуча-лась и экспериментальных данных по изучению этого механизма в диапазоне СВЧ не имеется. Структурные неоднородности, выражающиеся в развитой слоистости распространенной как на покровных так и на горных ледниках, приводят к тому, что слоистая среда, образованная чередующимися однородными слоями толщин h, и Д? с диэлектрической проницаемостью S, и 2 соответственно, ведет себя как одноосный кристалл с оптической осью, перпендикулярной слоям, В случае вертикального зондирования (вдоль оптической оси) этот механизм не проявляется и при малых толщинах эффект структурной анизотропии можно не учитывать Г5,49J 5. Двойное лучепреломление в ледниковой толще монет быть вызвано двумя причинами - электромагнитной анизотропией кристаллов льда, расположенных упорядоченно в толще ледника, или фотоупругостью льда в СВЧ диапазоне. Первая причина - анизотропия электромагнитных свойств кристаллов льда. Для монокристаллического пресного льда в оптическом диапазоне разность коэффициентов преломления необыкновенной и обыкновенной волн. Как было показано в 2.3, напряженное состояние элементарного параллелепипеда льда в толще ледника может быть задано девятью компонентами напряжений, составляющих тензор второго ранга [15]. По главной диагонали этого тензора расположены зна-W чения нормальных напряжений, действующих на гранях рассматриваемого элементарного объема льда, а остальные элементы представляют касательные напряжения. Через любую точку напряженного тела можно провести такие три взаимно-перпендикулярные плоскости, на которых отсутствуют касательные напряжения. При этом максимально возможные для данной точки нормальные напряжения называются главными. Известно [15], что сумма нормальных напряжений по трем взаимно перпендикулярным направлениям, проходящих через рассматриваемую точку тела, представляет собой инвариант тензора напряжений, т.е. не зависит от поворота осей координат. Кроме главных напряжений, в поляризационно-оптических методах исследования напряженных тел существует важное понятие квазиглавных напряжений. Квазиглавные напряжения - это наибольшие нормальные напряжения на двух взаимно-перпендикулярных площадках, параллельных рассматриваемому направлению.(В каждой точке напряженного тела можно выделить бесконечное множество квазиглавных напряжений, которые зависят от направления зондирования (просвечивания). Для каждого выбранного направления пара квазиглавных напряжений является единственной. В случае наклонного зондирования, когда главные напряжения не лежат в плоскости фронта зондирующей волны на площадках, перпендикулярных лучу, будут действовать касательные и нормальные напряжения. На распространяющуюся волну будут воздействовать эффекты, зависящие не от всех элементов тензора напряжений, а лишь от квазиглавных напряжений для направления зондирования. Поэтому фазовый набег между компонентами волны будет пропорционален разности квазиглавных напряжений. Натурные эксперименты по радиолокационной эллипсометрии были осуществлены в горном Алтае на ледниках Северо-чуйского хребта. Исследования проводились на ледниках бассейна Актру в течение трех летних полевых сезонов в составе экспедиции проблемной научно-исследовательской лаборатории гляциоклиматологии Томского государственного университета. Алтай представляет самую высокую часть обширной горной страны на юге Сибири, расположенную между 48 и 53 с.ш. и 82 и 90 в.д. В Советском Алтае выделяются три следующие крупные орографические единицы: Северо-Чуйские белки, Южно-Чуйские белки и катунские белки, горный узел Биш-Иирду, в котором находится район исследований, представляет собой центральную часть Север о-чуйских белков. Отдельные вершины этого горного узла поднимаются выше 4000 метров, понижения в гребнях, образующие границы ледниковых бассейнов, не опускаются, как правило, ниже 3600-3700 метров. Горно-ледниковый бассейн Актру является одним из многочисленных типичных бассейнов центрального Алтая. Он занимает восточную часть горного узла Биш-Иирду и имеет сложную древовидную форму, которая сужаясь переходит в одноименную долину - трог реки Актру. при общей площади бассейна 42 кв.км на долю собственно ледниковой поверхности приходится до 20 кв.км. Высшаяточка горно-ледникового бассейна Актру - вершина Актру имеет абсолютную отметку 4075 метров [бо] . Оледенение бассейна представлено шестью ледниками различных морфологических типов. Один из ледников, на котором проводились исследования по радиолокационной СВЧ-эллипсо-метрии, малый Актру является ледником долинного типа. Он имеет большое вертикальное протяжение, язык ледника (рис. 5.2) спускается до высоты 2200 метров, зона питания ледника расположена на абсолютной высоте 3100-3250 метров. Ледник М.Актру имеет длину 3 км. Общая его площадь составляет 2,5 кв.км. Область питания ледника отделена от области таяния крутым и труднопроходимым ледопадом. Скорость движения языковой части ледника М.Актру составляет 20-30 м в год и в период интенсивного таяния достигает 5-6 см за сутки, за летний период с поверхности языка стаивает 3,5-4 м льда.Радиофизические методы дистанционного зондирования ледников
Радиооптические свойства однослойных ледников и возможная причина анизотропии
Выбор оптимальных видов поляризации для задач СВЧ-эллипсометрии ледников
Краткая характеристика района и объектов исследования
Похожие диссертации на Методы СВЧ-эллипсометрии в задачах дистанционного зондирования ледников
