radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-2-49-63radioelectronics-1131Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONМетод дистанционного определения состояния плоскослоистой среды по поляризационным отношениям обратного рассеянияMethod for Remote Assessment of Planar Layered Media by Polarization Backscattering Relationshttps://orcid.org/0000-0002-3406-7444МашковВ. Г.MashkovV. G.

Машков Виктор Георгиевич – доктор технических наук (2023), доцент (2017), доцент кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов). Автор 360 научных работ. Сфера научных интересов – подповерхностная радиолокация и радиовидение.

ул. Старых Большевиков, д. 54А, Воронеж, 394064

Viktor G. Mashkov, Dr Sci. (Eng.) (2023), Associate Professor (2017), Associate Professor of the Department of Operation radio equipment (flight support). The author of 360 scientific publica-tions. Area of expertise: subsurface radar and radio vision.

54А, Starykh Bolshevikov St., Voronezh 394064

mvgblaze@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-6949-3671МиляхА. Е.MilyahA. E.

Милях Александр Евгеньевич – инженер специальных радиотехнических систем (2018, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина"), адъюнкт кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов). Автор 14 научных публикаций. Сфера научных интересов – подповерхностная радиолокация и радиовидение.

ул. Старых Большевиков, д. 54А, Воронеж, 394064

Aleksandr E. Milyah, Engineer of Special Radio Engineering Systems (2018, Military Educational-Research Center "Air Force of Air Force Academy n. a. Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin"), adjunct of the Department of Operation radio equipment (flight support). The author of 14 scientific publications. Area of expertise: subsurface radar and radio vision.

54А, Starykh Bolshevikov St., Voronezh 394064

j.milyah@mail.ruРябевВ. И.RyabevV. I.

Рябев Виктор Иванович – инженер автоматизированных систем управления (2012, Военная академия воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г. К. Жукова), адъюнкт кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов). Автор 28 научных публикаций. Сфера научных интересов – подповерхностная радиолокация и радиовидение.

ул. Старых Большевиков, д. 54А, Воронеж, 394064

Viktor I. Ryabev, Engineer of Automated Control Systems (2012, Marshal of the Soviet Union G. K. Zhukov Military Academy of Aerospace Defense), adjunct of the Department of Operation radio equipment (flight support). The author of 28 scientific publications. Area of expertise: subsurface radar and radio vision.

54А, Starykh Bolshevikov St., Voronezh 394064

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина"РоссияMilitary Educational-Research Centre Air Force "Air Force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin"Russian Federation2026260420262924963Copyright © Машков В.Г., Милях А.Е., Рябев В.И., 20262026Машков В.Г., Милях А.Е., Рябев В.И.Mashkov V.G., Milyah A.E., Ryabev V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1131

Введение. Уровень безопасности при осуществлении различного рода деятельности на снежно ледяном покрове водоема напрямую зависит от того, насколько точно можно определить его состояние. Например, когда требуется посадить вертолет на необорудованную и неразведанную заснеженную площадку или на замерзший водоем, чтобы перевезти грузы, людей, эвакуировать пострадавших или провести поисково-спасательные работы. Возможность удаленно выявлять характеристики слоев снежно ледяного покрова и воссоздавать их структуру позволяет принять решение, можно ли сажать вертолет в выбранном месте или нужно искать альтернативную площадку, которая будет соответствовать необходимым требованиям. От этого будет зависеть уровень безопасности посадки воздушного судна.Цель работы. Разработка неинвазивного метода исследования плоскослоистой среды посредством изучения поляризационных отношений сигналов обратного рассеяния с вертикальной и горизонтальной поляризациями в рамках работы радиолокационной системы подповерхностного зондирования, размещенной на борту вертолета.Материалы и методы. Для моделирования работы радиолокационной системы, предназначенной для подповерхностного зондирования, применялась платформа Engee и язык программирования Julia.Результаты. Создан инновационный метод, позволяющий дистанционно оценивать характеристики плоскослоистой среды. В основе подхода анализ поляризационных характеристик сигналов обратного рассеяния от границ раздела слоев плоскослоистой среды с вертикальной и горизонтальной поляризациями. Выявлены диапазоны соотношений поляризационных характеристик сигналов обратного рассеяния, которые коррелируют с различными плотностями слоев снежно ледяного покрова при определенных углах.Заключение. Разработка неинвазивного метода исследования плоскослоистых сред посредством изучения поляризационных характеристик обратнорассеянного радиосигнала открывает новые возможности в оценке снежно-ледяного покрова. Благодаря этому подходу становится возможным автоматизировать процедуру анализа пригодности неподготовленных и неразведанных заснеженных площадок или водоемов со снежно ледяным покровом для посадки вертолетов. Отличительная черта предложенного метода заключается в его способности распознавать все слои в многослойной среде, в то время как существующие методы, как правило, ограничиваются анализом лишь приповерхностного слоя.

Introduction. The safety of conducting activities on the snow and ice cover of a reservoir depends directly on the accuracy of its condition assessment. This is particularly important when landing a helicopter on unequipped and unexplored snow covered areas or frozen water bodies for transporting goods and people, evacuating victims, or conducting search and rescue operations. The ability to remotely assess the characteristics of snow and ice layers and reconstruct their structure makes it possible to conclude whether the selected site is suitable for helicopter landing or whether an alternative site, which meets the necessary requirements, should be selected. Ultimately, this determines the safety of aircraft landing.Aim. Development of a non invasive method for assessing planar layered media based on polarization relationships of backscattering signals with vertical and horizontal polarizations within a helicopter mounted subsurface sensing radar system.Materials and methods. The Engee platform and the Julia programming language were used to simulate the operation of a radar system for subsurface sensing.Results. An innovative method for remote assessment of the characteristics of planar layered media is proposed. The approach is based on analyzing the polarization properties of backscattered signals from the interfaces of layers within a planar layered medium, using both vertical and horizontal polarizations. Specific ranges of polarization backscattering ratios that correlate with varying densities of snow and ice layers at particular incidence angles are identified.Conclusion. The proposed non invasive method for analyzing planar layered media based on polarization characteristics of backscattered radio signals opens up new possibilities for the assessment of snow and ice cover. This approach makes it possible to evaluate unprepared and unexplored snow covered sites, as well as reservoirs covered with snow and ice, for helicopter landing. A distinctive feature of the proposed method lies in its ability to detect and characterize all layers within a multilayer environment, compared to existing methods that are limited to analyzing exclusively the near surface layer.

диэлектрическая проницаемостьнаклонное зондированиеподстилающая поверхностьполяризационное отношениесостояние снежно ледяного покроваплоскослоистая средаpermittivityoblique sensingunderlying surfacepolarization attitudesnow and ice cover stateplanar layered mediumReferencesКупряшкин И. Ф., Лихачев В. П., Рязанцев Л. Б. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно модулированным излучением. М.: Радиотехника, 2020. 288 с.Kuprjashkin I. F., Lihachev V. P., Rjazancev L. B. Malogabaritnye mnogofunkcional'nye RLS s nepreryv-nym chastotno modulirovannym izlucheniem [Small Sized Multifunctional Radars with Continuous Fre-quency Modulated Radiation]. Moscow, Radiotehnika, 2020, 288 p. (In Russ.)Машков В. Г., Малышев В. А., Прохорский Р. А. Концепция обеспечения безопасной посадки воз-душного судна вертолетного типа военного назначения // Воздушно космические силы. Теория и практика. 2020. № 16. С. 76-89.Mashkov V. G., Malyshev V. A., Prohorskij R. A. The Military Helicopter Type Aircraft Safe Landing Providing Concept. Vozdushnokosmicheskie sily`. Teor-iya i praktika. 2020, no. 16, pp. 76-89. (In Russ.)Машков В. Г., Малышев В. А. Модель управления посадкой воздушного судна вертолетного типа на неподготовленную заснеженную площадку // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2019. Т. 7, № 4. С. 1 10. doi: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.037Mashkov V. G., Malyshev V. A. Model Helicopter Type Aircraft Landing Control on an Unprepared Snow Covered Area. Modeling, Optimization and Information Technology. 2019, vol. 7, no. 4, pp. 1-10. (In Russ.) doi: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.037Машков В. Г., Малышев В. А. Модель управления посадкой воздушного судна вертолетного типа на водоем со снежно ледяным покровом // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2020. Т. 8, № 3. С. 1 9. doi: 10.26102/2310-6018/2020.30.3.017Mashkov V. G., Malyshev V. A. Model Helicopter Type Aircraft Landing Control on a Water Body with Snow Ice Cover. Modeling, Optimization, and Infor-mation Technology. 2020, vol. 8, no. 3, pp. 1-9. (In Russ.) doi: 10.26102/2310-6018/2020.30.3.017Пат. RU 2707275. Способ выбора площадки для посадки воздушного судна вертолетного типа / В. Г. Машков, В. А. Малышев. Опубл. 26.11.2019. Бюл. № 33.Mashkov V. G., Malyshev V. A. Sposob vybora ploshhadki dlja posadki vozdushnogo sudna ver-toletnogo tipa [The Method of Selecting a Landing Site for a Helicopter Type Aircraft]. Pat. RF, no. 2707275, 2019. (In Russ.)Пат. RU 2737761. Способ оценки возможности посадки воздушного судна вертолетного типа на водоем со снежно ледяным покровом / В. Г. Машков, В. А. Малышев, Р. А. Прохорский. Опубл. 02.12.2020. Бюл. № 34.Mashkov V. G., Malyshev V. A., Proxorskij R. A. Sposob ocenki vozmozhnosti posadki vozdushnogo sudna vertoljotnogo tipa na vodojom so snezhno ledjanym pokrovom [A Method for Assessing the Possibility of Land-ing a Helicopter Type Aircraft on a Body of Water with Snow and Ice Cover]. Pat. RF, no. 2737761, 2020. (In Russ.)Sudarsan Krishnan. Modeling and simulation analysis of an FMCW radar for measuring snow thick-ness. URL: https://ittc.ku.edu/research/thesis/documents/sudarsan_krishnan_thesis.pdf (дата обращения: 15.01.2025).Sudarsan Krishnan. Modeling and simulation analysis of an FMCW radar for measuring snow thick-ness. Electronics and communication engineering. Avail-able at: https://ittc.ku.edu/research/thesis/documents/sudarsan_krishnan_thesis.pdf (accessed: 15.01.2025).Приказ Минтранса РФ от 31 июля 2009 г. № 128 "Об утверждении Федеральных авиационных правил "Подготовка и выполнение полетов в гражданской авиации РФ". URL: https://base.garant.ru/196235/ (дата обращения: 15.01.2025).The Order of the Ministry of Transport of the Russian Federation dated July 31, 2009 No. 128 "On approval of the Federal Aviation Regulations "Prepara-tion and performance of flights in civil aviation of the Russian Federation". Available at: https://base.garant.ru/196235/ (accessed: 15.01.2025).Пат. RU 2623668. Способ дистанционного определения относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера океан / А. С. Запевалов. Опубл. 28.06.2017. Бюл. № 19.Zapevalov A.S. Sposob distancionnogo opre-delenija otnositel'noj dijelektricheskoj pronicaemosti sredy pod granicej atmosfera okean [A Method for Remotely Determining the Relative Permittivity of a Medium under the Atmosphere Ocean Boundary]. Pat. RF, no. 2623668, 2017. (In Russ.)Пинчук А. Н. Влияние поляризации зондирующего радиосигнала на эффективность выделения отклика надводной цели // Наука и образование. МГТУ им. Баумана. 2015. № 3. С. 140 152. doi: 10.7463/0315.0760670Pinchuk A.N. The Probing Radio Signal Polari-zation Effect on Separation Efficiency of Surface Tar-get Response. Science and Education of the Bauman MSTU. 2015, no. 3, pp. 140-152. (In Russ.) doi: 10.7463/0315.0760670Малышев В. А., Машков В. Г. Cкорость распространения электромагнитной волны в снежно ледяной подстилающей поверхности // Радиотехника. 2020. Т. 84, № 3 (5). С. 40 54. doi: 10.18127/j00338486-202003(05)-05Malyshev V. A., Mashkov V. G. The Speed Electromagnetic Wave Propagation in the Snow Ice Underlying Surface. Radioengineering. 2020, vol. 84, no. 3 (5), pp. 40 54. (In Russ.) doi: 10.18127/j00338486-202003(05)-05Глазовский А. Ф., Мачерет Ю. Я. Вода в ледниках. Методы и результаты геофизических и дистанционных исследований. М.: ГЕОС, 2014. 528 сGlazovskij A. F., Macheret Ju. Ja. Voda v lednikah. Metody i rezul'taty geofizicheskih i dis-tancionnyh issledovanij [Water in Glaciers. Methods and Results of Geophysical and Remote Studies]. Mos-cow, GEOS, 2014, 528 p. (In Russ.)Macheret Ju. Ja., Glazovsky A. F. Estimation of absolute water content in Spitsbergen glaciers from radar sounding data // Polar Research. 2000. Vol. 19, № 2. P. 205 216. doi: 10.1111/j.1751-8369.2000.tb00344.xMacheret Ju. Ja., Glazovsky A. F. Estimation of Absolute Water Content in Spitsbergen Glaciers From Radar Sounding Data. Polar Research. 2000, vol. 19, no. 2, pp. 205 216. doi: 10.1111/j.1751-8369.2000.tb00344.xМачерет Ю. Я. Оценка содержания воды в ледниках по гиперболическим отражениям // Материалы гляциологических исследований. 2000. № 89. С. 3 10.Macheret Yu. Ya. Estimation of Water Content in Glaciers by Hyperbolic Reflections. Glaciological Research Materials. 2000, no. 89, pp. 3-10. (In Russ.)Гринев А. Ю., Темченко В. С., Багно Д. В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. М.: Радиотехника, 2013. 391 с.Grinev A. Ju., Temchenko V. S., Bagno D. V. Radary podpoverxnostnogo zondirovanija. Monitoring i diagnostika sred i ob``ektov [Subsurface Sensing Radars. Monitoring and Diagnostics of Facility Environ-ments]. Moscow, Radiotexnika, 2013, 391 p. (In Russ.)Казьмин А. И., Федюнин П. А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника. 2019. № 9. С. 39 45. doi: 10.32446/0368-1025it.2019-9-39-45Kaz'min A. I., Fedjunin P. A. Restoration of the Structure of Electrophysical Parameters of Multilayer Dielectric Materials and Coatings Based on the Frequency Dependence of the Field Attenuation Coefficient of a Surface Electromagnetic Wave. Measurement Techniques. 2019, no. 9, pp. 39 45. (In Russ.) doi: 10.32446/0368-1025it.2019-9-39-45Федюнин П. А., Казьмин А. И., Манин В. А. СВЧ способ дефектоскопии радиопоглощающих покрытий и устройство для его реализации // Контроль. Диагностика. 2017. № 11. С. 32 39. doi: 10.14489/td.2017.11.pp.032-039Fedjunin P. A., Kaz'min A. I., Manin V. A. Mi-crowave Method of Flaw Detection of Radio Absorbing Coatings and a Device for Its Implementation. Testing. Diagnostics. 2017, no. 11, pp. 32-39. (In Russ.) doi: 10.14489/td.2017.11.pp.032 039Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. M.: Наука, 1973. 343 с.Brehovskih L. M. Volny v sloistyh sredah [Waves in Layered Media]. Moscow, Nauka, 1973, 343 p. (In Russ.)Пат. RU 2262718. Способ измерения толщины снежного покрова / Е. Л. Шошин, А. М. Суханюк, И. И. Плюснин. Опубл. 20.10.2005. Бюл. № 29.Shoshin E. L., Suhanjuk A. M., Pljusnin I. I. Sposob izmerenija tolshhiny snezhnogo pokrova [The Method of Measuring the Thickness of the Snow Cover]. Pat. RF, no. 2262718, 2005. (In Russ.)Машков В. Г. Метод дистанционной идентификации состояния снежно ледяного покрова по отношениям коэффициентов отражения Френеля // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 5. С. 46 56. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-5-46-56Mashkov V. G. Method for Remote State Identification Snow Ice Cover by the Ratio of Fresnel Reflection Coefficients. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020, vol. 23, no. 5, pp. 46-56. (In Russ.) doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-5-46-56Скорость распространения радиоволн в сухом и влажном снежном покрове / В. М. Котляков, Ю. Я. Мачерет, А. В. Сосновский, А. Ф. Глазовский // Лед и снег. 2017. Т. 57, № 1. С. 45 56. doi: 10.15356/2076-6734-2017-1-45-56Kotljakov V. M., Macheret Ju. Ja., Sosnovskij A. V., Glazovskij A. F. Speed of Radio Wave Propagation in Dry and Wet Snow. Ice and Snow. 2012, vol. 57, no. 1, pp. 45 56. (In Russ.) doi: 10.15356/2076-6734-2017-1-45-56Машков В. Г., Малышев В. А. Обеспечение безопасной посадки воздушного судна вертолетного типа в условиях недостаточной информативности закабинной обстановки. М.: Радиотехника, 2022. 304 с.Mashkov V. G., Malyshev V. A. Obespechenie bezopasnoj posadki vozdushnogo sudna vertoletnogo tipa v usloviyah nedostatochnoj informativnosti zakabinnoj obstanovki [Ensuring of Helicopter Type Aircraft Safety Landing Under the Conditions of Insufficient External Information Content]. Moscow, Radio-tekhnika, 2022, 304 p. (In Russ.)Пат. RU 2852744. Устройство выбора площадки при посадке по вертолетному / В. Г. Машков, А. Е. Милях. Опубл. 15.12.2025. Бюл. № 35.Mashkov V. G., Milyah A. E. Ustrojstvo vybora ploshchadki pri posadke po vertolyotnomu [Helicopter Landing Site Selection Device]. Pat. RF, no. 2852744, 2025. (In Russ.)О возможности определения диэлектрической проницаемости верхних слоев подстилающих сред по измеренным коэффициентам отражения при наклонном зондировании плоскими волнами вертикальной и горизонтальной поляризации в СВЧ диапазоне / А. С. Шостак, В. В. Загоскин, С. П. Лукьянов, А. С. Карауш // Журн. радиоэлектроники. 1999. № 11. С. 1 12.Shostak A. S., Zagoskin V. V., Luk'janov S. P., Karaush A. S. On the Possibility of Determining the Dielectric Constant of the Upper Layers of the Under-lying Media from the Measured Reflection Coefficients During Inclined Sounding by Plane Waves of Vertical and Horizontal Polarization in the Microwave Range. J. of Radio Electronics. 1999, no. 11, pp. 1-12. (In Russ.)Пат. RU 2613810. Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в СВЧ диапазоне / Г. Г. Валеев. Опубл. 21.03.2017. Бюл. № 9.Valeev G. G. Sposob izmerenija otnositel'noj kompleksnoj dijelektricheskoj pronicaemosti materiala s poterjami v SVCh diapazone [A method for Measuring the Relative Complex Dielectric Constant of a Material with Losses in the Microwave Range]. Pat. RF, no. 2613810, 2017. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.