Features of Microwave Measurements of Cryospheric Formations Using UAVs

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of remote studies of cryospheric formations in the microwave range using unmanned aerial vehicles (UAVs). For these purposes, a radiometric receiver with a frequency of 34 GHz with a bandwidth of 2.3 GHz with a fluctuation sensitivity of 0.05 K at a time constant of 1 s was installed on board the UAV. The directional pattern of the corrugated antenna was about 10°. It is shown that this method of monitoring in the millimeter range of media containing ice inclusions is an urgent task, especially in hard-to-reach places. There are a number of difficulties in interpreting the obtained brightness temperature of the radiating medium, which characterizes the power of thermal radiation. The first difficulty lies in the fact that the obtained value of this temperature depends on the angle of observation, therefore, at the time of radiometric studies of cryospheric formations, it is necessary to measure the position of the UAV in space (pitch and roll angles). In addition, it is necessary to take into account the terrain, namely the angles of its inclination relative to the horizon. The second difficulty in interpreting the data obtained from microwave measurements of thermal radiation power is the peculiarity of the medium under study. For example, for a plane-layered three-layer medium with a relatively thin intermediate layer, interference of the brightness temperature is observed, both on vertical and horizontal polarization. Inclusions in cryospheric formations with sharply different dielectric characteristics from the medium itself, for example, gas bubbles in ice, should also be taken into account. The work will be of interest to researchers involved in monitoring various cryospheric environments, both for practical (ice crossings) and scientific (glaciers) purposes.

About the authors

A. A. Gurulev

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, SB RAS

Email: lge255@mail.ru
Chita, Russia

V. A. Kazantsev

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, SB RAS

Chita, Russia

A. K. Kozlov

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, SB RAS

Chita, Russia

References

  1. Алексеева Т.А., Соколова Ю.В., Тихонов В.В., Смоляницкий В.М., Афанасьева Е.В., Раев М.Д., Шарков Е.А. Анализ областей морского льда в Северном Ледовитом океане, не определяемых алгоритмом ASI по данным спутниковой микроволновой радиометрии // Исследование Земли из космоса. 2021. № 6. С. 22–38. https://doi.org/10.31857/S0205961421060026
  2. Бордонский Г.С. Диэлектрические потери пресного льда на СВЧ // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 11. С. 1620–1622.
  3. Бордонский Г.С., Гурулев А.А. Особенности радиотеплового излучения ледяных покровов водоемов с различной степенью минерализации // Водные ресурсы. 2008. Т. 35. № 2. С. 210–215.
  4. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Казанцев В.А., Середин Д.В. Экспериментальное обнаружение просветления пресного льда в оптическом диапазоне вблизи 0 °C // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 10. С. 1374–1379. https://doi.org/10.61011/OS. 2023.10.56889.5302-23
  5. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Орлов А.О. Диэлектрическая проницаемость глубоко переохлажденной воды по данным измерений на частотах 7.6 и 9.7 ГГц // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67. № 3. С. 259–267. https://doi.org/10.31857/S0033849422030044
  6. Бордонский Г.С., Золотарева Л.H., Крылов С.Д. Оценка пространственного распределения высшей водной растительности по радиотепловому излучению ледяного покрова в СВЧ-диапазоне // Исследование Земли из космоса. 1994. № 3. С. 96–102.
  7. Глазовский А.Ф., Мачерет Ю.Я. Вода в ледниках. Методы и результаты геофизических и дистанционных исследований. М.: Изд-во ГЕОС, 2014. 528 с.
  8. Гурулев А.А., Бордонский Г.С. Холодная вода и ее влияние на электромагнитные свойства криосферных объектов // Российская Арктика. 2024. Т. 6. № 1 (24). С. 62–70. https://doi.org/10.24412/2658-4255-2024-1-62-70
  9. Гурулев А.А., Бордонский Г.С., Орлов А.О. Регистрация автоволн пластического течения в ледяных структурах при радиолокационных измерениях // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 3. С. 222–229. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-3-222-229
  10. Гурулев А.А., Орлов А.О., Цыренжапов С.В. Тепловое излучение трехслойной среды с тонким промежуточным слоем // Исследование Земли из космоса. 2011. № 4. С. 5–11.
  11. Жук В.Р., Козлов И.Е., Кубряков А.А., Соловьев Д.М., Осадчиев А.А., Степанова Н.Б. Применение БПЛА-измерений для оценки динамики прикромочной ледовой зоны в Карском море // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 235–245. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-5-235-245
  12. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения. Новосибирск: Наука, 2008. 328 с.
  13. Казанцев В.А., Бордонский Г.С. Оценка влияния “просветления” льда вблизи 0 ° C на радиояркостную температуру снежных и ледяных покровов в длинноволновой части сантиметрового диапазона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 1. С. 259–267. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2025-22-1-259-267
  14. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Теоретические исследования собственного излучения резконеоднородных неизотермических сред // Исследование Земли из космоса. 1992. № 6. С. 3–15.
  15. Котляков В.М., Мачерет Ю.Я., Сосновский А.В., Глазовский А.Ф. Скорость распространения радиоволн в сухом и влажном снежном покрове // Лёд и Снег. 2017. Т. 57. № 1. С. 45–56. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2017-1-45-56
  16. Кубряков А.А., Лишаев П.Н., Чепыженко А.И., Алескерова А.А., Кубрякова Е.А., Медведева А.В., Станичный С.В. Влияние субмезомасштабных вихрей на перенос взвешенного вещества в прибрежной зоне Крыма по данным БПЛА, спутниковых и контактных измерений // Океанология. 2021. Т. 61. № 2. С. 182–197. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-5-235-245
  17. Кутуза Б.Г., Данилычев М.В., Яковлев О.И. Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: ЛЕНАНД, 2016. 336 с.
  18. Матвеева Т.А., Семенов В.А., Астафьева Е.С. Ледовитость арктических морей и её связь с приземной температурой воздуха в Северном полушарии // Лёд и Снег. 2020. Т. 60. № 1. С. 134–148. https://doi.org/10.31857/S2076673420010029
  19. Нагурный А.П., Алексеев Г.В., Коростелев В.Г. Изменение толщины морского льда в Северном Ледовитом океане зимой в 1970–1990 гг. // Метеорология и гидрология. 2005. № 7. С. 45–51.
  20. Пасько О.А., Токарева О.С., Ибрагимов Э.А. Анализ экологической опасности снежных отвалов на примере города Томска // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 3. С. 135–144. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2020-17-3-135-144
  21. Репина И.А., Тихонов В.В., Алексеева Т.А., Иванов В.В., Раев М.Д., Шарков Е.А., Боярский Д.А., Комарова Н.Ю. Электродинамическая модель излучения арктического ледяного покрова для решения задач спутниковой микроволновой радиометрии // Исследование Земли из космоса. 2012. № 5. С. 29–36.
  22. Романец И.И., Мудриченко Н.М. Новые цифровые решения: использование дронов в сельском хозяйстве // Экономика и предпринимательство. 2024. № 5 (166). С. 582–586. https://doi.org/10.34925/EIP. 2024.166.5.116
  23. Сидоров И.А., Гудков А.Г., Шашурин В.Д., Чижиков С.В., Новичихин Е.П., Хохлов Н.Ф., Порохов И.О., Пчелинцев В.Э., Агандеев Р.В. Дистанционное определение влажностного портрета дамбы СВЧ-радиометром с борта беспилотного летательного аппарата // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2022. Т. 14. № 3. С. 5–13. https://doi.org/10.18127/j22250980-202203-01
  24. Топольский Н.Г., Симаков В.В., Зеркаль А.Д., Серегин Г.М., Мокшанцев А.В., Агеев С.В. Многофункциональный портативный радар для измерения толщины льда // Технологии техносферной безопасности. 2012. № 1 (41). 20 с.
  25. Хвостов И.В., Романов А.Н., Тихонов В.В., Шарков Е.А. Некоторые особенности микроволнового радиотеплового излучения пресноводных водоемов с ледовым покровом // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 4. С. 149–154.
  26. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Изд-во МГУ, 2012. 584 с.
  27. Хромова Т.Е., Носенко Г.А., Глазовский А.Ф., Муравьев А.Я., Никитин С.А., Лаврентьев И.И. Новый каталог ледников России по спутниковым данным (2016– 2019 гг.) // Лёд и Снег. 2021. Т. 61. № 3. С. 341–358. https://doi.org/10.31857/S2076673421030093
  28. Цепелев В.Ю. О перспективных направлениях развития методов гидрометеорологических наблюдений за снежным и ледовым покровом // Гидрометеорология и экология. 2023. № 71. С. 335–343. https://doi.org/1033933/2713-3001-2023-71-335-343
  29. Шавлов А.В. Свойства льда при высокой концентрации структурных дефектов // Криосфера Земли. 1997. Т. 1. № 1. С. 78–86.
  30. Holten V., Limmer D.T., Molinero V., Anisimov M.A. Nature of the anomalies in the supercooled liquid state of the mW model of water // J. Chem. Phys. 2013. V. 138. № 17. P. 174501.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).