Experimental validation of a dual-receiver radar architecture for snowpack monitoring

Abstract

Microwave radars can be used to monitor the internal structure of the snowpack, delivering real-time and non-destructive measurements. Recently, the working principle of an innovative radar architecture able to identify some of the most important snowpack parameters, without external aids, has been demonstrated. A key point of this new architecture is the use of two independent receiving antennas, and one transmitting antenna. This paper presents a comparison between two different implementations, either based on one physical antenna miming two receiving antennas, or based directly on two physical receiving antennas. The different advantages and disadvantages of both solutions are discussed, highlighting the superior accuracy achieved by the implementation based on two physical receiving antennas. Then, this paper also presents the field results achieved by this type of radar architecture, on the grounds of a 5-day experimental campaign that took place in winter 2019 in the Italian Alps on dry snow. The comparison between the radar measurements and the ground truth (manual snowpit analysis, in terms of snowpack depth, dielectric constant, bulk density, and snow water equivalent) is provided. Overall, a root mean square error of around 3.5 cm, 0.05, 27 kg/m3, and 2.5 cm is achieved, respectively.

Measurement of water equivalent, average density and height of layered snow cover using UWB electromagnetic pulses.

“…Подповерхностные радары широко используются для измерения одного или одновременного нескольких из следующих параметров снежного покрова: высота, плотность, водный эквивалент (ВЭСП) и влажность [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13]. Толщина снежного покрова может быть измерена по времени задержки импульса t, отраженного от границы снег-почва относительно времени прихода опорного импульса.…”

“…Вместе с тем, получены прямые эмпирические зависимости, связывающие ВЭСП со временем задержки импульсов в случае сухого [1,[15][16][17][18] и влажного снежного покрова [2]. Регистрация отраженных импульсов от границы снег-почва в случае разнесенного приёма с двумя и более базами между приемной и передающей антеннами позволяет в геометрооптическом приближении исключить время распространения импульсов по двум и более путям, аналогично [19], и найти из системы алгебраических уравнений среднюю скорость, высоту снежного покрова [4][5][6] и оценить ВЭСП с использованием диэлектрической модели [13,14]. В случае присутствия в снежном покрове диэлектрически-контрастных по отношению к снегу включений, размер которых меньше длины волны (соответствующей средней частоте зондирующего импульса), возможно построение радиолокационного гиперболического профиля в координатах: времени задержки и смещений центра приемо-передающих антенн (разнесенный прием).…”