基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究

海冰在全球气候系统中扮演着重要角色, 也是全球气候变化的指示剂。每年冬季我国黄、渤海出现的海冰对海上航运、海上油气勘探和生产等都有不同程度的影响。海冰厚度是描述海冰热力学和动力学研究最重要参数之一。本项目基于海冰和海水介电学特性的差异，研究利用电容感应技术实现海冰厚度的定点自动化实时连续监测的方法，寻求海冰厚度较大范围观测的新途径。通过对海水和海冰在不同温度下的介电性实验研究和理论分析，结合对同面多电极电容感应传感器的软件仿真，设计最优参数的海冰厚度传感器及其系统；进行海冰厚度电容感应监测方法的多参数联合正反演研究；在利用南北极考察站点平台开展海冰定点观测研究基础上，解析监测精度及影响因素；揭示海冰冻结、消融的过程，解析监测区域内的海冰厚度的分布特征，进而为海上冰情预报及海冰热力学研究提供可靠的数据。

海冰厚度是描述海冰状态最基本、最重要的参数，海冰厚度变化原型数据的获得有利于提高科学家对气—冰—海相互作用机理的认识。在渤海、波罗的海等亚极区海域，每年冬季都有不同程度的海冰生成，海冰对航运和油气生产具有重要影响。在高纬度地区冬春季节河冰造成桥梁和水工建筑破坏的事例时有发生，冰厚是计算海冰对海工或水工建筑物作用力的关键指标之一。本项通过大量的低温实验，研究了对海冰的介电学特性，获取了海冰的阻抗与温度、施加信号频率之间的关系，建立了关系数据库；在此基础上利用同面多电极电容感应技术研究了电容感应式海冰厚度传感器，通过对同面多电极电容感应传感器的软件仿真，设计了最优参数的海冰厚度传感器，包括传感器的形状、电极材料，电极尺寸；结合单片机技术、铱星远程控制技术，设计并研制了电容感应式海冰厚度传感器及其系统；利用南北极考察站点平台开展了海冰定点观测实验，分析了监测精度及影响因素；将电容感应式海冰厚度监测系统研制成海冰/海基浮标，多次应用在南北极海冰考察中，实现了对极地海冰厚度的远程监测；在电容感应式冰厚传感器的研制基础上，设计并研制了海冰冰裂缝宽度自动化监测装置，初步研究了利用超声波实时检测海冰密度的方法；从南北极应用情况来看，电容感应式海冰厚度传感器所监测的数据为极地海冰冻结、消融的过程，解析监测测区域内的海冰厚度的分布特征提供了可靠的数据。