相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測(cè)，包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，內(nèi)置有信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)；發(fā)射天線(xiàn)，與所述信號(hào)發(fā)生器相連接，其中所述信號(hào)發(fā)生器經(jīng)由所述發(fā)射天線(xiàn)向冰體內(nèi)發(fā)射電磁波信號(hào)；接收天線(xiàn)，與所述接收機(jī)相連接，其中所述接收機(jī)經(jīng)由所述接收天線(xiàn)接收來(lái)自所述冰體內(nèi)界面的反射波信號(hào)，其中，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)時(shí)頻變換獲取所述冰體的絕對(duì)厚度；根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化以冰間參考面為計(jì)算的基準(zhǔn)獲取所述冰體厚度的變化量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于極地冰蓋/冰架的厚度及厚度變化的探測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及一種相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在極地科學(xué)研究領(lǐng)域中，冰蓋與冰架一直是全球變化研究的熱點(diǎn)。冰蓋與冰架系統(tǒng)作為全球變化的關(guān)鍵地區(qū)，構(gòu)成地球系統(tǒng)的一個(gè)重要冷源，是全球氣候系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，對(duì)氣候變化有強(qiáng)烈的響應(yīng)與反饋?zhàn)饔谩１w與冰架底部融化是南極質(zhì)量收支的一個(gè)重要組成部分，研究認(rèn)為超過(guò)20%的冰量會(huì)從冰蓋流走。由底部融化產(chǎn)生的融化水與不穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)全球水團(tuán)的演變同樣具有重要作用。
[0003]然而，許多單獨(dú)的針對(duì)底部融化的估算存在很大的不確定性，其累積誤差可達(dá)約50%。由于很多用于估算底部融化的方法并不具有嚴(yán)格的可比性，所以減小其不確定性具有非常大的難度。通常冰川科學(xué)觀(guān)測(cè)研究都是假設(shè)冰下的海水無(wú)論是熱量還是鹽度在觀(guān)測(cè)時(shí)既不增加也不損失，也只能得到冰體沿線(xiàn)的凈熱量損失或者增加的淡水。常規(guī)的冰川學(xué)探測(cè)技術(shù)也需要空間平均并假設(shè)冰蓋與冰架質(zhì)量在一定時(shí)期內(nèi)不發(fā)生變化。鉆孔測(cè)量可直接提供單點(diǎn)上的底部融化率，通過(guò)已有鉆孔觀(guān)測(cè)結(jié)果揭示的融化率在時(shí)間上的變化表明上面討論的假設(shè)是無(wú)效的。然而開(kāi)展鉆孔直接測(cè)量的難度與費(fèi)用均是不可估量的，因此鉆孔技術(shù)不可能在廣泛的空間范圍內(nèi)應(yīng)用，這也說(shuō)明了采用鉆孔探測(cè)次數(shù)少原因。
[0004]同時(shí)，極地冰蓋與冰架的厚度巨大且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也給探測(cè)研究帶來(lái)了很大的不確定性。目前主要的技術(shù)手段是采用無(wú)線(xiàn)電回波探測(cè)測(cè)量底部冰床與大陸架或海水交界處反射回波的行程時(shí)間和能量，然后根據(jù)所用頻率的無(wú)線(xiàn)電波在冰體中的傳播速度，推算出冰體的厚度。其測(cè)量精確度通常都是在5米以上，這樣的精度無(wú)法監(jiān)測(cè)到短時(shí)間內(nèi)因消融造成的冰體厚度的微量變化。而且冰蓋與冰架厚度在短期內(nèi)的變化量通常在I米以?xún)?nèi)，甚至達(dá)到幾厘米，這樣的精度是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法達(dá)到的。
[0005]因此，迫切需要引入一種新的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)冰蓋與冰架厚度及其變化量進(jìn)行精確監(jiān)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述需求，本發(fā)明提出了一種適用于極地低溫條件的能夠在廣闊的空間范圍內(nèi)快速探測(cè)冰蓋與冰架厚度的測(cè)量系統(tǒng)，其能提供底部融化率的精確估算，具有較高的空間與時(shí)間分辨率。
[0007]具體地，本發(fā)明提出了一種相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測(cè)，包括:
[0008]矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，內(nèi)置有信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)；
[0009]發(fā)射天線(xiàn)，與所述信號(hào)發(fā)生器相連接，其中所述信號(hào)發(fā)生器經(jīng)由所述發(fā)射天線(xiàn)向冰體內(nèi)發(fā)射電磁波信號(hào)；[0010]接收天線(xiàn)，與所述接收機(jī)相連接,其中所述接收機(jī)經(jīng)由所述接收天線(xiàn)接收來(lái)自所述冰體內(nèi)的界面的反射波信號(hào)，其中，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)時(shí)頻變換獲取所述冰體的絕對(duì)厚度或者根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量。
[0011]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，還包括:保溫工作箱，內(nèi)設(shè)有監(jiān)測(cè)并調(diào)整所述保溫工作箱內(nèi)的環(huán)境溫度的溫度控制單元、由所述溫度控制單元信號(hào)控制其開(kāi)閉的風(fēng)扇窗口以及與所述溫度控制單元信號(hào)連接的溫度傳感器，其中所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置于所述保溫工作箱內(nèi)。
[0012]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量進(jìn)一步包括:根據(jù)從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定所述冰體的厚度在所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量。
[0013]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量的步驟可以進(jìn)一步包括:在根據(jù)從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定所述冰體的厚度在所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量之前，通過(guò)對(duì)所述不同時(shí)間點(diǎn)采集的時(shí)域波形進(jìn)行相關(guān)性比對(duì)，找出冰體內(nèi)的穩(wěn)定界面作為對(duì)于這些時(shí)間點(diǎn)下進(jìn)行的測(cè)量共同的冰體上參考界面，并記錄該冰體上參考界面的時(shí)域位置。
[0014]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，還包括:功率放大器，同所述發(fā)射天線(xiàn)或所述接收天線(xiàn)相連接，所述功率放大器具有多檔放大倍數(shù)。
[0015]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述功率放大器的設(shè)定范圍為25至 30dB。
[0016]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的冰體厚度的測(cè)量精度為毫米級(jí)，且冰體厚度的探測(cè)深度范圍在50-1500米之間。
[0017]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述發(fā)射天線(xiàn)是喇叭天線(xiàn)，且所述接收天線(xiàn)是對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。
[0018]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述發(fā)射天線(xiàn)和所述接收天線(xiàn)之間的距離在5-6米的范圍內(nèi)。
[0019]較佳地，在上述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中，所述功率放大器進(jìn)一步用作所述保溫工作箱的發(fā)熱單元。
[0020]應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說(shuō)明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]包括附圖是為提供對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與本說(shuō)明書(shū)一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖中:
[0022]圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明的冰蓋與冰架厚度變化測(cè)量的示意圖。
[0024]附圖標(biāo)記說(shuō)明:[0025]100-相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)
[0026]101-矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
[0027]102-功率放大器
[0028]103-溫度控制單元
[0029]104-喇叭天線(xiàn)(發(fā)射天線(xiàn))
[0030]105-對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)(接收天線(xiàn))
[0031]106-保溫工作箱
[0032]107-溫度傳感器
[0033]108-溫度傳輸信號(hào)線(xiàn)
[0034]109-穩(wěn)相射頻電纜
[0035]110-計(jì)算機(jī)
[0036]201-相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)
[0037]202-冰蓋，位于大陸架之上冰川稱(chēng)為冰蓋
[0038]203-冰架，位于大陸架之外，海洋表面之上的冰川稱(chēng)為冰架204-第一次測(cè)量向冰下發(fā)射的入射波
[0039]205-第一次測(cè)量接收到的反射波
[0040]206-第二次測(cè)量向冰下發(fā)射的入射波
[0041]207-第二次測(cè)量接收到的反射波
[0042]208-冰間參考面
[0043]209-第一次測(cè)量時(shí)冰底界面位置
[0044]210-第二次測(cè)量時(shí)冰底界面位置
[0045]211-大陸架
[0046]212-海水
【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明是關(guān)于相位敏感型冰架/冰蓋厚度變化測(cè)量的技術(shù)，即以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101為核心器件，連接功率放大器102與發(fā)射天線(xiàn)104或接收天線(xiàn)105探測(cè)冰架深部，利用時(shí)頻變換獲取冰架、冰蓋絕對(duì)厚度，利用反射相位變化獲知高精度冰架、冰蓋厚度的變化量。
[0048]現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其示例在附圖中示出。在任何可能的情況下，在所有附圖中將使用相同的標(biāo)記來(lái)表示相同或相似的部分。此外，盡管本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)是從公知公用的術(shù)語(yǔ)中選擇的，但是本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中所提及的一些術(shù)語(yǔ)可能是 申請(qǐng)人:按他或她的判斷來(lái)選擇的，其詳細(xì)含義在本文的描述的相關(guān)部分中說(shuō)明。此外，要求不僅僅通過(guò)所使用的實(shí)際術(shù)語(yǔ)，而是還要通過(guò)每個(gè)術(shù)語(yǔ)所蘊(yùn)含的意義來(lái)理解本發(fā)明。
[0049]首先參考圖1，圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖所示，本發(fā)明的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)100主要包括:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101、發(fā)射天線(xiàn)104、接收天線(xiàn)105。
[0050]其中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101內(nèi)置有信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)。發(fā)射天線(xiàn)104與信號(hào)發(fā)生器相連接(例如優(yōu)選經(jīng)由穩(wěn)相射頻電纜109)，以使信號(hào)發(fā)生器經(jīng)由所述發(fā)射天線(xiàn)向冰體內(nèi)發(fā)射電磁波信號(hào)。該發(fā)射天線(xiàn)104優(yōu)選采用喇叭天線(xiàn)。接收天線(xiàn)105與接收機(jī)相連接(例如優(yōu)選經(jīng)由穩(wěn)相射頻電纜109)，以使該接收機(jī)經(jīng)由該接收天線(xiàn)接收來(lái)自該冰體內(nèi)的界面的反射波信號(hào)。該接收天線(xiàn)105優(yōu)選采用對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。
[0051]該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101通過(guò)時(shí)頻變換獲取該冰體的絕對(duì)厚度或者根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取該冰體的厚度變化量。
[0052]特別是，該根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量可以進(jìn)一步包括:根據(jù)從該冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定該冰體的厚度在該相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量。且，在根據(jù)從該冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定該冰體的厚度在該相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量之前，還可以通過(guò)對(duì)該不同時(shí)間點(diǎn)采集的時(shí)域波形進(jìn)行相關(guān)性比對(duì)，找出冰體內(nèi)的穩(wěn)定界面作為對(duì)于這些時(shí)間點(diǎn)下進(jìn)行的測(cè)量共同的冰體上參考界面，并記錄該冰體上參考界面的時(shí)域位置。
[0053]在圖1所示的優(yōu)選實(shí)施例中,相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)100可以進(jìn)一步包括一保溫工作箱106，用于防御極地低溫的環(huán)境條件，使得該測(cè)冰系統(tǒng)處于恒定的工作溫度條件下，具備了低溫防御能力。該保溫工作箱106內(nèi)可以設(shè)有監(jiān)測(cè)并調(diào)整該保溫工作箱106內(nèi)的環(huán)境溫度的溫度控制單元103、由該溫度控制單元103信號(hào)控制其開(kāi)閉的風(fēng)扇窗口以及與該溫度控制單元信號(hào)103連接(例如優(yōu)選經(jīng)由溫度傳輸信號(hào)線(xiàn)108)的溫度傳感器107，其中該矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置于該保溫工作箱內(nèi)
[0054]此外，相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)100還可以包括:功率放大器102，其同該發(fā)射天線(xiàn)104或該接收天線(xiàn)105相連接，用以增強(qiáng)電磁波的能量，提高電磁波的穿透深度。較佳地，該功率放大器具有多檔放大倍數(shù)。比如，該功率放大器的設(shè)定范圍可以為25至30dB。該功率放大器102可以進(jìn)一步用作保溫工作箱的發(fā)熱單元，以使整個(gè)相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)100具備恒溫自動(dòng)控制功能，例如，該系統(tǒng)可以利用功率放大器102的散發(fā)熱量的工效，彌補(bǔ)外部低溫環(huán)境，當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到超過(guò)設(shè)定工作溫度時(shí)，通過(guò)溫度控制單元開(kāi)啟所述的保溫工作箱風(fēng)扇窗口進(jìn)行散熱。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，可以對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101輸出的電磁波信號(hào)進(jìn)行多頻段調(diào)控，用以保證對(duì)冰厚不同情況下的測(cè)量精度，所設(shè)定的中心頻率范圍是300M?1500M。
[0056]本發(fā)明的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的冰體厚度的測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)，且冰體厚度的探測(cè)深度范圍在50-1500米之間，適用于南極冰蓋、冰架絕大部分地區(qū)。
[0057]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，圖2是根據(jù)本發(fā)明的冰蓋與冰架厚度變化測(cè)量的示意圖。如圖所示，將圖1所示的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)201置放于冰蓋202或冰架203表面。在實(shí)施測(cè)量之前，可以先鏟除表層松軟積雪，以確保天線(xiàn)置于堅(jiān)硬冰面之上并使天線(xiàn)發(fā)射方向垂直冰面向下，布設(shè)發(fā)射天線(xiàn)104和接收天線(xiàn)105位置。
[0058]根據(jù)本發(fā)明的另一面，還包含了對(duì)收發(fā)天線(xiàn)耦合問(wèn)題的設(shè)計(jì)。收發(fā)天線(xiàn)耦合性能是影響測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的主要因素之一，由于收發(fā)天線(xiàn)距離很近，連接功率放大器后很容易使發(fā)射信號(hào)直接耦合到接收機(jī)，從而導(dǎo)致接收機(jī)飽和，無(wú)法測(cè)量真正的冰底反射信號(hào)。但是使用功率放大器又是必要的，從實(shí)際觀(guān)測(cè)的結(jié)果中可以看出，不加功率放大器的系統(tǒng)在幾百米的范圍內(nèi)就已經(jīng)到達(dá)系統(tǒng)噪底，無(wú)法進(jìn)行反射信號(hào)的識(shí)別測(cè)量。
[0059]本發(fā)明通過(guò)對(duì)比不同地點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，有效地分析出系統(tǒng)是否存在自耦合的效應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以喇叭天線(xiàn)與對(duì)數(shù)周期相搭配組合，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)射頻電纜的長(zhǎng)度以確定收發(fā)天線(xiàn)達(dá)到合理的間距，結(jié)果表明兩支天線(xiàn)沒(méi)有相關(guān)性，避免了自耦合效應(yīng)，因此可證明接入高增益功率放大器后，使用上述的天線(xiàn)和功率放大器配置可以在獲得高增益的系統(tǒng)性能的同時(shí)，避免收發(fā)耦合效應(yīng)。較佳地，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間距離優(yōu)選設(shè)為5-6米，這樣在保證測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)范圍和能力的前提下，可以避免天線(xiàn)之間的自耦合效應(yīng)。
[0060]接著，在連接天線(xiàn)104和105之前，首先將二支穩(wěn)相射頻電纜109進(jìn)行連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)110的采集控制軟件執(zhí)行系統(tǒng)自校準(zhǔn)功能，對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初始設(shè)定，達(dá)到穩(wěn)定歸一化的狀態(tài)。
[0061]開(kāi)始測(cè)量時(shí)，先對(duì)圖1所示的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)100進(jìn)行通電預(yù)熱，同時(shí)可以充分利用該功率放大器102的散發(fā)熱量給該保溫工作箱106內(nèi)加熱。測(cè)量過(guò)程中，溫度控制單元103通過(guò)溫度傳感器107實(shí)時(shí)監(jiān)控保溫工作箱106內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度到超過(guò)設(shè)定工作溫度時(shí)，通過(guò)該溫度控制單元103自動(dòng)開(kāi)啟該的保溫工作箱106的風(fēng)扇窗口進(jìn)行散熱，當(dāng)溫度低于設(shè)定的工作溫度時(shí)，該溫度控制單元103自動(dòng)關(guān)閉保溫工作箱106的風(fēng)扇窗口，以繼續(xù)保存功率放大器102散發(fā)的熱能。如圖1所示，測(cè)量過(guò)程能通過(guò)計(jì)算機(jī)110與保溫工作箱106內(nèi)的集成系統(tǒng)進(jìn)行連接，以便對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行操作和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0062]在圖2所示的實(shí)施例中，從冰面向下垂直發(fā)射一定能量和帶寬的電磁波204，通過(guò)圖1中的功率放大器102放大信號(hào)能量，然后測(cè)量各個(gè)冰層及冰體底部交界處反射回來(lái)的反射波205的幅度及相位等信息。通過(guò)分析反射回波205的幅度變化，可以獲得一個(gè)或多個(gè)冰層反射面，選擇其中一個(gè)冰層反射面作為冰體上參考界面208，然后計(jì)算參考平面和底部反射面209之間的時(shí)域間隔。相隔一段時(shí)間(例如I周-3周)之后再次在同樣位置進(jìn)行測(cè)量，重復(fù)性地從冰面向下發(fā)射與之前相同能量和帶寬的電磁波206并接收反射回波207。分析反射回波207并選擇與反射回波205相同的冰體上參考界面208，通過(guò)分析兩者的相位差值計(jì)算轉(zhuǎn)換為冰體厚度的變化量，獲取冰底界面210的新位置。
[0063]如圖2所示，所選擇冰體上參考界面208是接近冰蓋或冰架表面的一個(gè)顯著的雷達(dá)反射層，內(nèi)部反射來(lái)自于冰體的物理性質(zhì)的不連續(xù)，表示為介質(zhì)界面。它是由上參考層下的積雪壓實(shí)產(chǎn)生，通常情況下選擇冰表面以下幾十米的一個(gè)呈現(xiàn)明顯界面特征的內(nèi)部層。
[0064]在最終的測(cè)量結(jié)果中，使用上述所選取的冰體上參考界面208作為相對(duì)固定位置，而不是冰蓋或冰架的積雪表面，通過(guò)兩次冰底界面(209和210)反射的時(shí)域位置到參考界面208相位之差進(jìn)行計(jì)算，從而得出冰體厚度的變化量結(jié)果。
[0065]本領(lǐng)域的研究人員可以理解電磁波入射至冰體，經(jīng)底層冰底界面反射回去，接收到的反射波，其幅度和相位均與入射波不同，變化的幅度決定于冰的介電常數(shù)、冰內(nèi)界面介電常數(shù)的對(duì)比、冰體的厚度。在測(cè)量季節(jié)內(nèi)厚度變化這一案例中，冰的介電常數(shù)、冰內(nèi)界面上下介電常數(shù)的對(duì)比是不變的，而冰厚的變化對(duì)反射波影響是不確定的，因此“反射波相位變化”與“冰厚變化”具有直接的關(guān)系。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，反射波相位變化指的是再次測(cè)量時(shí)反射波207與入射波206的相位差減去首次測(cè)量時(shí)反射波205與入射波204之間的相位差。通過(guò)圖1所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)中的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀101即可獲得這兩個(gè)相位的差。
[0066]設(shè)最后測(cè)得兩個(gè)相位差相差X度，則測(cè)得的厚度變化Λ T為:[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測(cè)，包括: 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，內(nèi)置有信號(hào)發(fā)生器和接收機(jī)； 發(fā)射天線(xiàn)，與所述信號(hào)發(fā)生器相連接，其中所述信號(hào)發(fā)生器經(jīng)由所述發(fā)射天線(xiàn)向冰體內(nèi)發(fā)射電磁波信號(hào)； 接收天線(xiàn)，與所述接收機(jī)相連接，其中所述接收機(jī)經(jīng)由所述接收天線(xiàn)接收來(lái)自所述冰體內(nèi)的界面的反射波信號(hào)， 其中，所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)時(shí)頻變換獲取所述冰體的絕對(duì)厚度或者根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體厚度的變化量。
2.如權(quán)利要求1所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，還包括:保溫工作箱，內(nèi)設(shè)有監(jiān)測(cè)并調(diào)整所述保溫工作箱內(nèi)的環(huán)境溫度的溫度控制單元、由所述溫度控制單元信號(hào)控制其開(kāi)閉的風(fēng)扇窗口以及與所述溫度控制單元信號(hào)連接的溫度傳感器，其中所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置于所述保溫工作箱內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量進(jìn)一步包括:根據(jù)從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定所述冰體的厚度在所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量。
4.如權(quán)利要求1所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述根據(jù)在不同時(shí)間點(diǎn)采集的反射波信號(hào)的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量進(jìn)一步包括: 在根據(jù)從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來(lái)確定所述冰體的厚度在所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)所位于的固定點(diǎn)處的厚度變化量之前，通過(guò)對(duì)所述不同時(shí)間點(diǎn)采集的時(shí)域波形進(jìn)行相關(guān)性比對(duì)，找出冰體內(nèi)的穩(wěn)定界面作為對(duì)于這些時(shí)間點(diǎn)下進(jìn)行的測(cè)量共同的冰體上參考界面，并記錄該冰體上參考界面的時(shí)域位置。
5.如權(quán)利要求2所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，還包括:功率放大器，同所述發(fā)射天線(xiàn)或所述接收天線(xiàn)相連接，所述功率放大器具有多檔放大倍數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述功率放大器的設(shè)定范圍為25至30dB。
7.如權(quán)利要求1所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)的冰體厚度的測(cè)量精度為毫米級(jí)，且冰體厚度的探測(cè)深度范圍在50-1500米之間。
8.如權(quán)利要求1所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射天線(xiàn)是喇叭天線(xiàn)，且所述接收天線(xiàn)是對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)。
9.如權(quán)利要求8所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射天線(xiàn)和所述接收天線(xiàn)之間的距離在5-6米的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求5所述的相位敏感式定點(diǎn)測(cè)冰系統(tǒng)，其特征在于，所述功率放大器進(jìn)一步用作所述保溫工作箱的發(fā)熱單元。
【文檔編號(hào)】G01S17/06GK103941261SQ201410153034
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】郭井學(xué), 崔祥斌, 孫波 申請(qǐng)人:中國(guó)極地研究中心