1.2 冰层厚度测量技术的发展及研究现状

1.2.1 冰层厚度测量的发展过程

随着人类社会生产力的发展和进步，海冰检测的方法、仪器和途径也在不断发展和扩大。19世纪40年代，北欧一些国家开始利用沿岸附近的灯塔或附近的高地上进行测量，主要方法是目测。19世纪70年代开始，西方国家开始使用船舶检测海冰层厚度，采用目测和绳索测量的办法。20世纪20年代特别是60年代以来，冰的检测被世界所重视，开始使用飞机和卫星进行冰情检测[19]。

我国对冰的测量记载主要是一些海冰资料，最早可以追溯到唐代，但只是海冰状况的简单记录，并没有厚度的实际测量数据的记录。我国最早的正规的海冰检测记录始于清代的光绪年间，甲午战争后，特别是伪满洲国时期，日本帝国主义用船舰、飞机监测黄海、渤海的冰情。1959年，我国制定了第一部《海滨冰情观测规范》，开始全面展开海冰常规监测工作。20世纪70年代初开始开展了地面雷达监测海冰工作和接收极轨气象卫星海冰图像。1986年开始，开始用航空遥感监测海冰，1989年用机载合成孔径雷达（SAR）监测海冰。

我国对河冰的监测开始于20世纪60年代[20]，1986年原水利水电部制定了首部《河流冰情观测规范》，1993年进行了修订[21]。从监测河道冰情至今，大多数监测站仍采用较为原始的人工监测的方法测量冰层厚度。

1993年美国科罗拉多州林姆技术有限公司的G.L.斯托拉齐克（申请专利号：93120674）发明了一种用于固体表面冰层厚度检测的测量系统专利技术，其系统构成及原理为：一个天线，用于放在受到冰或水层积累的表面位置，并具有一个谐振频率和含有实数项的输入导纳；与该天线耦合的麦克斯韦电桥装置，用于检测所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项；以及频率扫描装置，用于在接近与所述谐振频的多个频率上驱动天线，其中所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项可以被确定[22]。

进入21世纪以来，现代高科技自动化冰层厚度监测手段相继出现，利用卫星、雷达等现代设备对大面积冰情变化进行观测已在国内、国外普遍采用[23][24]。2002年12月7日欧洲的两个航天机构——欧空局（ESA）和欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）签订了一份价值7.91亿欧元的合同，建造3颗气象卫星，以提高风暴预报和监测地球极地冰层覆盖的能力。它们于2003年发射至地球上空840公里的轨道，绕地球南北极运行，卫星将携带十几种仪器，用于监测风、湿度和臭氧层并拍摄图像，帮助检测地球极地冰层覆盖情况。这种新的卫星还将为与欧美联合进行的极地观测任务提供数据[25]。2003年，欧洲科学家发明了一种新型冰层厚度传感器，它可以鉴别出飞机等机械表面凝结的厚度在0.1mm以上的冰层，有可能从2004年开始在普通商业客机以及直升机上装配这种新型传感器[26]，这一由欧盟资助的科研项目由欧洲多国科学家参加。这种主要由钢材料制成的新型传感器内部有一套复杂的光学系统，以及两个或多个半导体薄片。在外部气候条件发生改变的情况下，半导体薄层内的电子移动会随之发生改变。经过与之相配的光学镜像系统进行处理后，这套系统最终能够释放出激光束。通过对激光束的特性进行测量，控制人员就可以精确获知感应器探头上形成的冰层的厚度。

我国于20世纪90年代初开始使用气象卫星对渤海海冰进行监测，并通过中央电视台实现了海冰预报。在国家南、北极科学考察过程中，我国科学工作者也利用船载雷达、摄像机与GPS卫星定位仪对南、北极海洋冰面及冰山情况进行观测与研究，取得丰富的第一手极地海冰资料。

在冰的学术研究方面，从文献资料[27]可知，国际上对冰的学术研究组织是“国际水利与环境工程学会（International Association for Hydro-Environment Engineering and Research）”，它是国际水利工程与研究协会（IAHR）地球物理分部下属的第四个专业委员会，成立于1973年。我国于1988年加入该组织，并多次派人参加了该组织举办的国际冰工程学术讨论会。在1996年第13届国际冰工程学术会上，我国学者孙肇初、李桂芬、吴辉碇先后被选为执委会委员。对冰的科学研究比较活跃的国家主要是地处寒冷地区的国家，如芬兰、挪威、瑞典、新西兰、日本、美国、俄罗斯等国家。美国陆军寒压研究和工程实验室、芬兰赫尔辛基大学地球物理系、芬兰海洋研究所、芬兰和瑞典冰服务中心等都是国际著名的冰研究机构。

随着综合国力的不断增强，我国在海冰研究领域科研队伍在不断壮大，中国水利水电科学研究院、兰州冰川冻土研究所、大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室、国家海洋技术中心、中国极地研究中心、太原理工大学测控技术研究所等一批研究机构围绕我国北方冰川冻土、渤海近海冬季冰情及南、北极海冰与冰川变化进行科学试验研究。中国从1984年开始，连续30次派遣南极科学考察队、5次派遣北极科学考察队深入极地进行海冰观测及冰芯取样检测，取得了丰富的资料；今年中国将进行第6次北极科学考察和第31次南极考察，纵观各次南北极考察，海冰的检测都是科学考察的重点内容；中国已在过去的五年内投入了大量的资金，实施了极地科考的三大硬件改造项目。目前中国南极中山站已经改造完成，建立了第一个南极内陆科考站——昆仑站，为今后内陆冰层厚度的观测打下了坚实的基础，使我国在冰研究领域跻身于国际先进国家行列[28]。

1.2.2 冰层厚度监测方法的现状

随着计算机、数据通信、新型传感器、电子检测等信息处理技术的飞速发展，具有预报直观、准确的冰情现场物理检测方法已成为实际工程应用中冰情检测与预报的主要技术手段。近年来，国内外学者在冰层厚度测量和计算方面进行了大量研究工作。目前，国内外对冰生消过程的测量可以采用冰模型仿真预测和现场物理检测两种不同的途径加以实现。水利学中，利用冰模型进行冰层厚度预测常用的方法包括有数理统计预测、灰色预测、数值计算预测等。其中，数理统计、灰色预测方法适合中长期或超长期冰情预报[29]。

冰模型仿真预测利用冰生长、消融的物理过程建立动力和热力学模式，通过对模式方程的数值计算，可以对冰场分布、冰层厚度变化、流凌速度等进行中短期预测，并取得很多成功的冰情预报案例[30]。但是，利用冰模型仿真预测方法建立冰的动力和热力学模式数学方程进行冰情数值预测的前提是需要依赖于历史的或实时的高精度冰情数据，还需要结合水文、气象、地质等现场物理实测数据作为方程的边界条件才能进行，其测估结果的准确性与已掌握的实测数据的数量、精度有很大的相关性，预测的正确性往往要在事后才能得到证实。因此，在冰情实时监测与预报系统中，冰模型仿真预测往往是作为辅助的监测手段用于数据后期处理方法或中、远期冰层厚度与冰情预报[31]。

目前，实际应用于工程冰层厚度检测的现场物理检测方法又可以依据检测方式的不同进一步划分为接触与非接触两种不同的检测类型[32]。接触型现场物理检测方法在进行冰情检测过程中，冰情传感器需要与被测冰体直接发生接触，而非接触型检测方法则不与冰体发生直接接触。

常见的非接触型冰情现场物理检测方法有两种。

（1）通过卫星、机载雷达或空中拍摄进行大范围区域内的冰情遥感遥测方法[33][34][35]。我国和欧美等许多国家通过发射专用气象卫星、机载雷达或舰载摄像对南北极、喜马拉雅山脉、渤海等地区的海冰、冰川的监测预报，是这类方法的典型应用[36][37]。该方法的优点是适宜对大面积冰盖、冰凌的分布与表面形态变化的监测；缺点是造价高，无法掌握局部小范围冰层结构内部的生消连续变化过程，难以应用到许多河流渠道和水利设施的冰情连续检测与测报领域。雷达测量冰层厚度示意图如图1-1所示。

通过物理电磁学探测方法进行小范围固定区域的冰层厚度无接触检测方法，如声学探测法、光学探测法、时空干涉探测法等[38][39]。其中，一些方法可以达到很高的测量精度。例如，欧洲科学家发明了一种用于检测机翼结冰程度的激光冰层厚度传感器，它可以鉴别出飞机等机械表面凝结厚度在0.1mm以上的冰层。我国在近几年组织的对南北极科学考察中，都借助GPS卫星定位技术、舰载摄像、水下机器人和海底声呐装置，对南北极地区的冰层厚度变化进行了实际测量。该类方法虽然具有操作简单、迅速，检测结果便于计算机处理等优点，但大多数存在着造价高、测量误差大的问题。其误差主要来自冰的性质，以及冰的温度变化对电磁波或声波产生的影响。

加拿大Geonics公司生产的EM31型电磁感应海冰层厚度探测仪也属于一种电磁物理探测方法[40]。已经多次在南极海冰的调查中得到应用，其精度也能达到厘米级，每次测量时需根据被测冰水的环境输入水的电导率等参数，且需船载或人工扛的方法进行，不能实时监测。图1-2是机载电磁感应探测传感器EM31。

中国自行研制的ROV水下机器人是一种专门用于水下作业的高科技产品[41]，可利用仰视声呐系统观测海冰的厚度，为仰视测量，分界面是冰和空气，其重达550kg，且价格昂贵。该技术多次在中国的南北极考察中投入使用[42]，但只能随船进行断续测量，未能实现长期的连续监测。

（2）探地雷达扫描法。探地雷达简称GPR，也称地质雷达，用于冰层厚度探测的雷达也称为冰雷达。它是一种对地下的或物体内不可见的目标或界面进行定位的电磁技术。其工作原理为，高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面。由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而变化，所以对接收信号进行分析处理，可判断地下的结构或埋藏物等。当采用探地雷达扫描法对某一区域（如河道断面或水库冰面）冰层进行扫描检测时，可以采用机载、车载或人工拖拽方法加以实现，国内外都有科学工作者采用车载雷达对道路结冰状态进行自动监测和采用雷达扫描获取冰层断面状态的应用报道，例如，我国科学家在南极科学考察中用探地雷达获取了南极Amery冰架的内部结构；水利科学工作者用探地雷达获取了大庆市红旗泡水库湖面冰层厚度[43]。

接触型冰层厚度现场物理检测方法适应于对定点冰层厚度的检测。常见的方法[44]有以下两种。

（1）钻孔测量的方法。这种方法的准确度高，是最可靠的测量手段，至今仍然被广泛采用，但这种方法很难实现定点实时观测，并且因为劳动强度大、工作效率低下，只能用做关键点的测量，在结冰期和融冰期，出于安全考虑而难以实现。对于国内的河冰层厚度的测量，主要依靠水文站在冰封用人工测量。如我国北方的黄河，冬季结冰层厚度最大可达1米，水文站在每个监测断面上依靠人工凿冰洞的方法测量冰层厚度和冰下水流速。作者多年来一直从事冰检测技术研究，多次在现场凿冰洞，实际测量冰层厚度。图1-3所示是2009年12月到2010年1月底期间作者在黄河内蒙古段进行冰层厚度测量的仪器实验，亲自和工作人员一起进行了凿冰洞测量冰层厚度。

（2）电阻丝冰层厚度测量方法[45]。这种方法是大连理工大学的李志军教授等人发明设计的一种人工测量方法。该方法的优点是：测量可靠准确，装置成本低，可以大量安装。缺点是不容易实现自动化。电阻丝冰层厚度测量装置原理如图1-4所示。其工作原理是[46]：装置制作时，电阻丝必须选择抗氧化性好、防锈防腐、高温下有较高强度的合金材料。宜选择镍铬合金材料。电阻丝直径、电阻率和测量时的供电电压等参数需根据测量环境温度和冰可能厚度进行选择，其中直径在0.3～0.6mm选择，电阻率在4～7Ω/m选择，供电电压在12～36V选择。为减小装置吸收热量对冰/雪面自然状态的影响，除电阻丝外，其他辅助部分都需漆成白色。除电阻丝和电缆外，其他部分都需选择绝缘材料加工。测量时，给电阻丝供电加热后先把电阻丝拉起，电阻丝底部连接一挡板，当挡板接触到冰底后，直接用尺子测量L1、L2两个数据，然后将电阻丝放回。测量精度与钻孔直接测量属于同一量级，为±5mm，但测量时，因为冰面不平且有突起的小冰凌，测杆处由于对风的阻挡，该处的冰面和整体可能存在差异，在选取测量点时会有约±2cm的人为误差。如果图中的固定支架保持与冰层不动，从L1、L2两个数据不仅能够获得冰层厚度，还可以获得冰层上表面和下表面的变化。该方法是改进的人工测量法，电热丝在通电加热过程中有可能改变测试周边热力场状态，引起测量误差。

不论是通过冰模型预测还是通过物理实时监测系统实现对冰层厚度、冰凌灾害的自动监测预报时，掌握整个冰层内部冰情状态连续变化的信息都是一个必不可少的前提。而上面所提到的大多数冰情检测方法，存在一个共同的缺陷，即无法实现对冰层内部冰情状态变化的连续自动检测，也就意味着无法获取完整、连续的冰情变化数据，从而成为影响整个冰情检测预报水平的技术瓶颈。冰情检测过程及相应的检测设备是在十分恶劣的环境下进行的，由于没有可靠的冰情自动连续监测方法与设备，我国水文观测站、电力网站长期依靠人工进行冰情、电力网线覆冰观测[47][48]，观测次数少，实时性差，导致冬季水文资料匮乏，很难建立有效的冰情实时监测系统来实现电力网线防冰雪灾害、河道冰凌预报、北方结冰区水情全天候自动测报。解决这一问题的根本出路是，寻求一种可以适应恶劣的野外工作环境、对能反映河道、冰川、湖泊、水库、电力网线等冰层内部冰情状态及冰情参数（如冰层厚度、冰下水位、温度、冰凌密度、强度等）进行连续自动化检测的方法及设备。