用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測，包括：矢量網絡分析儀，內置有信號發生器和接收機；發射天線，與所述信號發生器相連接，其中所述信號發生器經由所述發射天線向冰體內發射電磁波信號；接收天線，與所述接收機相連接，其中所述接收機經由所述接收天線接收來自所述冰體內界面的反射波信號，其中，所述矢量網絡分析儀通過時頻變換獲取所述冰體的絕對厚度；根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化以冰間參考面為計算的基準獲取所述冰體厚度的變化量。
【專利說明】用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種應用于極地冰蓋/冰架的厚度及厚度變化的探測系統，尤其涉及一種用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置。
【背景技術】
[0002]在極地科學研究領域中，冰蓋與冰架一直是全球變化研究的熱點。冰蓋與冰架系統作為全球變化的關鍵地區，構成地球系統的一個重要冷源，是全球氣候系統的驅動器，對氣候變化有強烈的響應與反饋作用。冰蓋與冰架底部融化是南極質量收支的一個重要組成部分，研究認為超過20%的冰量會從冰蓋流走。由底部融化產生的融化水與不穩定狀態對全球水團的演變同樣具有重要作用。
[0003]然而，許多單獨的針對底部融化的估算存在很大的不確定性，其累積誤差可達約50%。由于很多用于估算底部融化的方法并不具有嚴格的可比性，所以減小其不確定性具有非常大的難度。通常冰川科學觀測研究都是假設冰下的海水無論是熱量還是鹽度在觀測時既不增加也不損失，也只能得到冰體沿線的凈熱量損失或者增加的淡水。常規的冰川學探測技術也需要空間平均并假設冰蓋與冰架質量在一定時期內不發生變化。鉆孔測量可直接提供單點上的底部融化率，通過已有鉆孔觀測結果揭示的融化率在時間上的變化表明上面討論的假設是無效的。然而開展鉆孔直接測量的難度與費用均是不可估量的，因此鉆孔技術不可能在廣泛的空間范圍內應用，這也說明了采用鉆孔探測次數少原因。
[0004]同時，極地冰蓋與冰架的厚度巨大且內部結構復雜，也給探測研究帶來了很大的不確定性。目前主要的技術手段是采用無線電回波探測測量底部冰床與大陸架或海水交界處反射回波的行程時間和能量，然后根據所用頻率的無線電波在冰體中的傳播速度，推算出冰體的厚度。其測量精確度通常都是在5米以上，這樣的精度無法監測到短時間內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的變化量通常在I米以內，甚至達到幾厘米，這樣的精度是現有技術無法達到的。
[0005]因此，迫切需要引入一種新的測量系統，對冰蓋與冰架厚度及其變化量進行精確監控。
實用新型內容
[0006]針對上述需求，本實用新型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快速探測冰蓋與冰架厚度的測量系統，其能提供底部融化率的精確估算，具有較高的空間與時間分辨率。
[0007]具體地，本實用新型提出了一種用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測，包括:
[0008]矢量網絡分析儀，內置有信號發生器和接收機；
[0009]發射天線，與所述信號發生器相連接，其中所述信號發生器經由所述發射天線向冰體內發射電磁波信號；[0010]接收天線，與所述接收機相連接,其中所述接收機經由所述接收天線接收來自所述冰體內的界面的反射波信號，其中，所述矢量網絡分析儀通過時頻變換獲取所述冰體的絕對厚度或者根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量。
[0011]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，還包括:保溫工作箱，內設有監測并調整所述保溫工作箱內的環境溫度的溫度控制單元、由所述溫度控制單元信號控制其開閉的風扇窗口以及與所述溫度控制單元信號連接的溫度傳感器，其中所述矢量網絡分析儀設置于所述保溫工作箱內。
[0012]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量進一步包括:根據從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來確定所述冰體的厚度在所述用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置所位于的固定點處的厚度變化量。
[0013]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量的步驟可以進一步包括:在根據從所述冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來確定所述冰體的厚度在所述用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置所位于的固定點處的厚度變化量之前，通過對所述不同時間點采集的時域波形進行相關性比對，找出冰體內的穩定界面作為對于這些時間點下進行的測量共同的冰體上參考界面，并記錄該冰體上參考界面的時域位置。
[0014]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，還包括:功率放大器，同所述發射天線或所述接收天線相連接，所述功率放大器具有多檔放大倍數。
[0015]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述功率放大器的設定范圍為25至30dB。
[0016]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置的冰體厚度的測量精度為毫米級，且冰體厚度的探測深度范圍在50-1500米之間。
[0017]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述發射天線是喇叭天線，且所述接收天線是對數周期天線。
[0018]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述發射天線和所述接收天線之間的距離在5-6米的范圍內。
[0019]較佳地，在上述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中，所述功率放大器進一步用作所述保溫工作箱的發熱單元。
[0020]應當理解，本實用新型以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權利要求所述的本實用新型提供進一步的解釋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]包括附圖是為提供對本實用新型進一步的理解，它們被收錄并構成本申請的一部分，附圖示出了本實用新型的實施例，并與本說明書一起起到解釋本實用新型原理的作用。附圖中:
[0022]圖1示意性示出了根據本實用新型的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置的結構。
[0023]圖2是根據本實用新型的冰蓋與冰架厚度變化測量的示意圖。
[0024]附圖標記說明:
[0025]100-用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置
[0026]101-矢量網絡分析儀
[0027]102-功率放大器
[0028]103-溫度控制單元
[0029]104-喇叭天線(發射天線)
[0030]105-對數周期天線(接收天線)
[0031]106-保溫工作箱
[0032]107-溫度傳感器
[0033]108-溫度傳輸信號線
[0034]109-穩相射頻電纜
[0035]110-計算機
[0036]201-用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置
[0037]202-冰蓋，位于大陸架之上冰川稱為冰蓋
[0038]203-冰架，位于大陸架之外，海洋表面之上的冰川稱為冰架
[0039]204-第一次測量向冰下發射的入射波
[0040]205-第一次測量接收到的反射波
[0041]206-第二次測量向冰下發射的入射波
[0042]207-第二次測量接收到的反射波
[0043]208-冰間參考面
[0044]209-第一次測量時冰底界面位置
[0045]210-第二次測量時冰底界面位置
[0046]211-大陸架
[0047]212-海水
【具體實施方式】
[0048]本實用新型是關于相位敏感型冰架/冰蓋厚度變化測量的技術，即以矢量網絡分析儀101為核心器件，連接功率放大器102與發射天線104或接收天線105探測冰架深部，利用時頻變換獲取冰架、冰蓋絕對厚度，利用反射相位變化獲知高精度冰架、冰蓋厚度的變化量。
[0049]現在將詳細參考附圖描述本實用新型的實施例。現在將詳細參考本實用新型的優選實施例，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記來表示相同或相似的部分。此外，盡管本實用新型中所使用的術語是從公知公用的術語中選擇的，但是本實用新型說明書中所提及的一些術語可能是 申請人:按他或她的判斷來選擇的，其詳細含義在本文的描述的相關部分中說明。此外，要求不僅僅通過所使用的實際術語，而是還要通過每個術語所蘊含的意義來理解本實用新型。
[0050]首先參考圖1，圖1示意性示出了根據本實用新型的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置的結構。如圖所示，本實用新型的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置100主要包括:矢量網絡分析儀101、發射天線104、接收天線105。
[0051]其中，矢量網絡分析儀101內置有信號發生器和接收機。發射天線104與信號發生器相連接(例如優選經由穩相射頻電纜109)，以使信號發生器經由所述發射天線向冰體內發射電磁波信號。該發射天線104優選采用喇叭天線。接收天線105與接收機相連接(例如優選經由穩相射頻電纜109)，以使該接收機經由該接收天線接收來自該冰體內的界面的反射波信號。該接收天線105優選采用對數周期天線。
[0052]該矢量網絡分析儀101通過時頻變換獲取該冰體的絕對厚度或者根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取該冰體的厚度變化量。
[0053]特別是，該根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取所述冰體的厚度變化量可以進一步包括:根據從該冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來確定該冰體的厚度在該用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置所位于的固定點處的厚度變化量。且，在根據從該冰體的底部反射的電磁波的脈沖的相位歷程來確定該冰體的厚度在該用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置所位于的固定點處的厚度變化量之前，還可以通過對該不同時間點采集的時域波形進行相關性比對，找出冰體內的穩定界面作為對于這些時間點下進行的測量共同的冰體上參考界面，并記錄該冰體上參考界面的時域位置。
[0054]在圖1所示的優選實施例中，用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置100可以進一步包括一保溫工作箱106，用于防御極地低溫的環境條件，使得該測冰裝置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內可以設有監測并調整該保溫工作箱106內的環境溫度的溫度控制單元103、由該溫度控制單元103信號控制其開閉的風扇窗口以及與該溫度控制單元信號103連接(例如優選經由溫度傳輸信號線108)的溫度傳感器107，其中該矢量網絡分析儀設置于該保溫工作箱內
[0055]此外，用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置100還可以包括:功率放大器102，其同該發射天線104或該接收天線105相連接，用以增強電磁波的能量，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。比如，該功率放大器的設定范圍可以為25至30dB。該功率放大器102可以進一步用作保溫工作箱的發熱單元，以使整個用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置100具備恒溫自動控制功能，例如，該裝置可以利用功率放大器102的散發熱量的工效，彌補外部低溫環境，當溫度傳感器監測到超過設定工作溫度時，通過溫度控制單元開啟所述的保溫工作箱風扇窗口進行散熱。
[0056]根據本實用新型的一個優選實施例，可以對矢量網絡分析儀101輸出的電磁波信號進行多頻段調控，用以保證對冰厚不同情況下的測量精度，所設定的中心頻率范圍是300M ?1500M。
[0057]本實用新型的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置的冰體厚度的測量精度可以達到毫米級，且冰體厚度的探測深度范圍在50-1500米之間，適用于南極冰蓋、冰架絕大部分地區。
[0058]現在轉到圖2，圖2是根據本實用新型的冰蓋與冰架厚度變化測量的示意圖。如圖所示，將圖1所示的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置201置放于冰蓋202或冰架203表面。在實施測量之前，可以先鏟除表層松軟積雪，以確保天線置于堅硬冰面之上并使天線發射方向垂直冰面向下，布設發射天線104和接收天線105位置。[0059]根據本實用新型的另一面，還包含了對收發天線耦合問題的設計。收發天線耦合性能是影響測量系統動態范圍的主要因素之一，由于收發天線距離很近，連接功率放大器后很容易使發射信號直接耦合到接收機，從而導致接收機飽和，無法測量真正的冰底反射信號。但是使用功率放大器又是必要的，從實際觀測的結果中可以看出，不加功率放大器的系統在幾百米的范圍內就已經到達系統噪底，無法進行反射信號的識別測量。
[0060]本實用新型通過對比不同地點的測試結果，有效地分析出裝置是否存在自耦合的效應。通過實驗驗證以喇叭天線與對數周期相搭配組合，通過合理地設計射頻電纜的長度以確定收發天線達到合理的間距，結果表明兩支天線沒有相關性，避免了自耦合效應，因此可證明接入高增益功率放大器后，使用上述的天線和功率放大器配置可以在獲得高增益的裝置性能的同時，避免收發耦合效應。較佳地，發射天線和接收天線之間距離優選設為5-6米，這樣在保證測量裝置的探測范圍和能力的前提下，可以避免天線之間的自耦合效應。
[0061]接著，在連接天線104和105之前，首先將二支穩相射頻電纜109進行連接，通過計算機110的采集控制軟件執行裝置自校準功能，對整個測量裝置進行初始設定，達到穩定歸一化的狀態。
[0062]開始測量時，先對圖1所示的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置100進行通電預熱，同時可以充分利用該功率放大器102的散發熱量給該保溫工作箱106內加熱。測量過程中，溫度控制單元103通過溫度傳感器107實時監控保溫工作箱106內的溫度，當溫度到超過設定工作溫度時，通過該溫度控制單元103自動開啟該的保溫工作箱106的風扇窗口進行散熱，當溫度低于設定的工作溫度時，該溫度控制單元103自動關閉保溫工作箱106的風扇窗口，以繼續保存功率放大器102散發的熱能。如圖1所示，測量過程能通過計算機110與保溫工作箱106內的集成系統進行連接，以便對測量過程進行操作和存儲相關數據。
[0063]在圖2所示的實施例中，從冰面向下垂直發射一定能量和帶寬的電磁波204，通過圖1中的功率放大器102放大信號能量，然后測量各個冰層及冰體底部交界處反射回來的反射波205的幅度及相位等信息。通過分析反射回波205的幅度變化，可以獲得一個或多個冰層反射面，選擇其中一個冰層反射面作為冰體上參考界面208，然后計算參考平面和底部反射面209之間的時域間隔。相隔一段時間(例如I周-3周)之后再次在同樣位置進行測量，重復性地從冰面向下發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，通過分析兩者的相位差值計算轉換為冰體厚度的變化量，獲取冰底界面210的新位置。
[0064]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顯著的雷達反射層，內部反射來自于冰體的物理性質的不連續，表示為介質界面。它是由上參考層下的積雪壓實產生，通常情況下選擇冰表面以下幾十米的一個呈現明顯界面特征的內部層。
[0065]在最終的測量結果中，使用上述所選取的冰體上參考界面208作為相對固定位置，而不是冰蓋或冰架的積雪表面，通過兩次冰底界面(209和210)反射的時域位置到參考界面208相位之差進行計算，從而得出冰體厚度的變化量結果。
[0066]本領域的研究人員可以理解電磁波入射至冰體，經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、冰內界面介電常數的對比、冰體的厚度。在測量季節內厚度變化這一案例中，冰的介電常數、冰內界面上下介電常數的對比是不變的，而冰厚的變化對反射波影響是不確定的，因此“反射波相位變化”與“冰厚變化”具有直接的關系。嚴格來說，反射波相位變化指的是再次測量時反射波207與入射波206的相位差減去首次測量時反射波205與入射波204之間的相位差。通過圖1所述用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置中的矢量網絡分析儀101即可獲得這兩個相位的差。
[0067]設最后測得兩個相位差相差X度，則測得的厚度變化AT為:
【權利要求】
1.一種用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，適用于極地冰蓋或冰架的厚度及其變化的探測，包括: 矢量網絡分析儀，內置有信號發生器和接收機； 發射天線，與所述信號發生器相連接，其中所述信號發生器經由所述發射天線向冰體內發射電磁波信號； 接收天線，與所述接收機相連接，其中所述接收機經由所述接收天線接收來自所述冰體內的界面的反射波信號， 其中，所述矢量網絡分析儀通過時頻變換獲取所述冰體的絕對厚度或者根據在不同時間點采集的反射波信號的相位變化獲取所述冰體厚度的變化量。
2.如權利要求1所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，還包括:保溫工作箱，內設有監測并調整所述保溫工作箱內的環境溫度的溫度控制單元、由所述溫度控制單元信號控制其開閉的風扇窗口以及與所述溫度控制單元信號連接的溫度傳感器，其中所述矢量網絡分析儀設置于所述保溫工作箱內。
3.如權利要求2所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，還包括:功率放大器，同所述發射天線或所述接收天線相連接，所述功率放大器具有多檔放大倍數。
4.如權利要求3所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，所述功率放大器的設定范圍為25至30dB。
5.如權利要求1所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，所述用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置的冰體厚度的測量精度為毫米級，且冰體厚度的探測深度范圍在50-1500米之間。
6.如權利要求1所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，所述發射天線是喇叭天線，且所述接收天線是對數周期天線。
7.如權利要求6所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，所述發射天線和所述接收天線之間的距離在5-6米的范圍內。
8.如權利要求3所述的用于冰蓋或冰架厚度變化測量的裝置，其特征在于，所述功率放大器進一步用作所述保溫工作箱的發熱單元。
【文檔編號】G01B15/02GK203824539SQ201420184851
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】郭井學, 崔祥斌, 孫波 申請人:中國極地研究中心