[论文解读] Radar Absorption, Basal Reflection, Thickness, and Polarization Measurements from the Ross Ice Shelf

S. W. Barwick, E.C. Berg+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Cryospheric studies and observations参考文献 25被引用 10

一句话总结

本研究利用高电压、超宽带射频脉冲（0.1–0.85 GHz）测量了罗斯冰架莫尔湾区域的雷达吸收特性、底部反射特性、冰层厚度及极化特性。研究结果表明，冰层厚度为576 ± 8 m，衰减长度具有频率依赖性，⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m，底部反射系数较高（√R = 0.82 ± 0.07），交叉极化散射较低（<5%），证实该区域适合部署ARIANNA高能中微子探测器。

ABSTRACT

Radio-glaciological parameters from Moore's Bay, in the Ross Ice Shelf, have been measured. The thickness of the ice shelf in Moore's Bay was measured from reflection times of radio-frequency pulses propagating vertically through the shelf and reflecting from the ocean, and is found to be $576\pm8$ m. Introducing a baseline of 543$\pm$7 m between radio transmitter and receiver allowed the computation of the basal reflection coefficient, $R$, separately from englacial loss. The depth-averaged attenuation length of the ice column, $$ is shown to depend linearly on frequency. The best fit (95% confidence level) is $= (460\pm20)-(180\pm40)ν$ m (20 dB/km), for the frequencies $ν=$[0.100-0.850] GHz, assuming no reflection loss. The mean electric-field reflection coefficient is $\sqrt{R}=0.82\pm0.07$ (-1.7 dB reflection loss) across [0.100-0.850] GHz, and is used to correct the attenuation length. Finally, the reflected power rotated into the orthogonal antenna polarization is less than 5% below 0.400 GHz, compatible with air propagation. The results imply that Moore's Bay serves as an appropriate medium for the ARIANNA high energy neutrino detector.

研究动机与目标

• 测量莫尔湾罗斯冰架的介电特性，以应用于高能中微子探测。
• 利用射频脉冲的往返传播时间确定冰架厚度。
• 通过发射器与接收器之间的基线，将底部反射损耗与冰内衰减分离。
• 通过交叉极化功率测量评估极化保真度和表面粗糙度。
• 基于低信号损耗和高反射率，验证该地点是否适合ARIANNA中微子探测器。

提出的方法

• 向冰架注入0.1–0.85 GHz带宽的1 ns宽、高电压射频脉冲。
• 通过测量基底反射的往返传播时间，推断冰层厚度。
• 利用发射器与接收器之间543 ± 7 m的基线，将底部反射损耗与衰减分离开来。
• 将深度平均衰减长度拟合为频率的线性函数：⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m。
• 通过功率比计算电场反射系数√R，并校正衰减影响。
• 通过测量交叉极化功率比例（F_ice）评估表面粗糙度和散射效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 莫尔湾的罗斯冰架厚度是多少？使用雷达回波探测法能多准确地测量？
• RQ2 在冰层中，射频衰减长度如何随频率变化？其函数关系是什么？
• RQ3 冰-海洋界面的底部反射系数是多少？其频率依赖性如何？
• RQ4 能量有多少被散射到正交极化方向？这反映了表面粗糙度或散射效应的程度如何？
• RQ5 冰的介电响应是否与理论预期及先前测量结果一致？

主要发现

• 莫尔湾冰架厚度为576 ± 8 m，由射频脉冲的往返传播时间确定。
• 深度平均衰减长度呈现线性频率依赖关系：⟨L(ν)⟩ = (460 ± 20) − (180 ± 40)ν m，对应0.100–0.850 GHz频段内19.3–26.4 dB/km的衰减。
• 电场反射系数为√R = 0.82 ± 0.07，对应反射损耗为-1.7 dB，表明反射率很高。
• √R随频率变化的斜率与理想平面镜近似一致，表明底部界面较为平滑。
• 在0.400 GHz以下，交叉极化功率比例（F_ice）低于5%，与天线限制相符，表明散射极小。
• 测量得到的介电特性（ε′′ 和 ν tan δ）与理论预期及先前模型一致，证实其本征损耗低且信号保真度高。