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Dual Frequency Radar Ice and Snow Signatures

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R. D. Ketchum Jr*
Affiliation:
Polar Oceanography Branch, Oceanography Division, Naval Ocean Research and Development Activity, NSTL Station, Mississippi 39529, U.S.A
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Abstract

Dual frequency (X-band and L-band) synthetic-aperture radar imagery of sea ice is examined to show the differences between the bands and their complementary nature for resolving ambiguities in interpretation. High backscatter at X-band from visibly smooth thin ice is not observed at L-band. One hypothesis is that the high X-band backscatter may be caused by a reflective layer at the snow/ice interface. A second hypothesis is that the high X-band backscatter may be caused by moisture in the snow. A third hypothesis states that the phenomenon may be due to snow flowers. High backscatter at L-band is observed for slush on open water. The return is very weak at X-band, thus allowing distinction of slush by comparing L-band and X-band images. High intensity, but only partial returns from icebergs at L-band have been observed. The hypothesis is that internal iceberg/sea-water reflections are occurring. Some signals are directed away from the antenna, other reinforced signals are returned, producing very bright images. Occasionally, time-delayed signals are returned causing a false image at far range from the iceberg. The conclusion is that L-band is a poor choice for studies of iceberg distribution and size, but a good choice for iceberg detection because of the high reinforced returns from many icebergs and the low return from the adjacent sea ice. The penetration and subsequent signal loss of L-band in glacial ice, when compared to high X-band returns, may be useful to map glacierized land masses.

Résumé

Résumé

On examine l’image de la glace de mer donnée par un radar à double fréquence (bandes X et L) et on montre les différences entre les bandes et leur complémentarité pour résoudre les ambiguïtés dans l’interprétation. Un forte réflexion dans la bande X à partir d’une glace visiblement lisse et mince n’est pas observée dans la bande L. Une hypothèse est que cette forte réflexion à la bande X provient d’un niveau réfléchissant à l’interface neige glace. Une seconde hypothèse est que ce niveau à forte réflexion dans la bande X peut provenir de la présence d’humidité dans la neige. Une troisième hypothèse dit que le phénomène peut être attribué aux fleurs de neige. La forte réflectivité dans la bande L est observée pour le «slush» en eau libre. Le retour est très faible pour la bande X, ce qui permet de caractériser le «slush» par comparaison des images dans les bandes X et L. On a observé des réflexions de forte intensité mais seulement partielles pour les icebergs dans la bande L. L’hypothèse est qu’il y a des réflexions internes iceberg/eau de mer. Certains signaux sont dirigés loin de l’antenne; d’autres signaux sont envoyés renforcés, donnant des images brillantes. Parfois des signaux sont renvoyés avec un temps de retard provoquant une fausse image loin de l’iceberg. La conclusion est que la bande L est mal adaptée à l’étude de la distribution et de la forme des icebergs, mais convient bien pour la détection de la présence des icebergs à cause des réflexions abondantes et renforcées en provenance de beaucoup d’icebergs et de faibles réflexions de la glace de mer voisine. La pénétration et, partant, la perte de la bande L dans la glace de glacier, en comparaison à la forte réflexion dans la bande X peuvent servir à cartographier les masses glaciaires continentales.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Radar-Bilder von Meereis, gewonnen mit synthetischer Apertur und Doppelfrequenzen im X- und L-Kanal, werden untersucht, um die Unterschiede zwischen den beiden Kanälen und ihren komplementären Charakter bei der Aufklärung von Mehrdeutigkeiten in der Interpretation aufzuzeigen. Die hohe Rückstreuung von sichtlich glattem, dünnem Eis im X-Kanal tritt im L-Kanal nicht auf. Als Hypothese wird ihre Entstehung durch eine reflektierende Schicht an der Grenze zwischen Schnee und Eis angenommen. Eine zweite Hypothese sieht die Ursache dieser Rückstreuung in der Feuchtigkeit des Schnees. Eine dritte Hypothese macht „Schneeblumen” für dieses Phänomen verantwortlich. Hohe Rückstreuung im L-Kanal tritt bei Matsch im offenen Wasser auf. Im X-Kanal ist dort das Signal sehr schwach, so dass Matsch durch Vergleich der Bilder im L-und X-Kanal erkannt werden kann. Im L-Kanal liefern Eisberge Signale hoher, aber nur partieller Intensität; dies wird damit erklärt, dass innere Reflexionen zwischen Eisberg und Meerwasser vorhanden sind. Einige Signale werden von der Antenne weg gerichtet; andere verstärkte Signale werden zurückgeworfen, wodurch sehr helle Bilder entstehen. Gelegentlich werden zeitverzögerte Signale zurückgeworfen, so dass ein falsches Bild weit entfernt vom Eisberg entsteht. Die Folgerung ist, dass der L-Kanal für das Studium der Verteilung und Grösse von Eisbergen wenig, jedoch zur Entdeckung von Eisbergen wegen der verstärkten Echos von vielen Eisbergen und dem schwachen Echo vom umgehenden Meereis gut geeignet ist. Die Durchdringungsfähigkeit und die daraus resultierende Schwächung des L-Kanals in Süsswassereis kann beim Vergleich zu den starken Echos im X-Kanal zur Kartierung vereister Landmassen nützlich sein.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1983
Figure 0

Fig. 1.Strong X-band backscatter and weak L-band backscatter are shown from smooth, thin snow-covered ice in Baffin Bay, April 1979.

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Fig. 2.Strong L-band backscatter and weak X-band backscatter are shown from slush-covered water in Baffin Bay, April 1979.

Figure 2

Fig. 3.L-band radar receives strong returns from slush-covered water and weak returns from nilas. X-band radar receives weak returns from slush and strong returns from nilas.

Figure 3

Fig. 4.L-band radar signals may experience multiple internal reflections which can lead to a signal loss. If these time-delayed signals are directed back to the radar antenna, they appear as false images.

Figure 4

Fig. 5.Glacierized land masses produce strong X-bandscatter and weak L-band backscatter. Comparison of the two channels enables delineation of the glacier ice.