Hier presenteren we een systeem van de grond penetrerend Radar (GPR) gebaseerd op een grond-combinatie, dichtbevolkte antenne-array voor de follow-up van het dynamische proces van ondergrond water infiltratie. Een time-lapse radarbeeld van het proces van infiltratie toegestaan schatten van de diepte van de voorzijde van het bedplassen in de loop van het proces van de infiltratie.
Een grond penetrerend Radar (GPR)-systeem dat is gebaseerd op een grond-combinatie, dichtbevolkte antenne-array werd gebruikt om gegevens te verzamelen tijdens een infiltratie experiment uitgevoerd bij een testsite in de buurt van het zandduin Tottori, Japan. De antenne-array gebruikt in deze studie bestaat uit 10 verzendende antennes (Tx) en 11 ontvangen antennes (Rx). Voor dit experiment, was het systeem geconfigureerd voor het gebruik van alle mogelijke koppelingen met Tx-Rx, resulterend in een multi Offset verzamelen (MOG) bestaande uit 110 Tx-Rx combinaties. De matrix stationaire werd achtergelaten op een positie direct boven de infiltratie gebied en gegevens werden verzameld elke 1,5 seconden met behulp van een tijd gebaseerde trigger. Common-Offset verzamelen (COG) en gemeenschappelijke halverwege (CMP) gegevenskubussen werden gereconstrueerd op basis van de gegevens van de MOG tijdens post-processing. Er zijn weinig studies die time-lapse CMP gegevens gebruikt voor het schatten van veranderingen in de snelheid van de voortplanting. In deze studie werd elektromagnetische (EM) Golf snelheid heuristisch geschat op 1 minuut intervallen van de gereconstrueerde CMP-gegevens via curve fitting, met behulp van de vergelijking van hyperbool. We vervolgens overgegaan tot het berekenen van de diepte van de voorzijde van het bedplassen. De evolutie van het bedplassen front na verloop van tijd verkrijgen door middel van deze methode is in overeenstemming met de opmerkingen van een bodem vocht sensor die was geplaatst op een diepte dan 20 cm. De resultaten van deze studie tonen de mogelijkheid van dergelijke matrix GPR systeem om te controleren van een ondergrond dynamisch proces zoals water infiltratie nauwkeurig en kwantitatief.
Begrip massa en energie transportprocessen in de vadose zone zijn belangrijk voor vele toepassingen in de landbouw- en milieuconditie disciplines. Onder die processen, variabel verzadigde waterstroom is het essentieel proces zo veel van de andere processen, zoals fysieke, geochemische, biologische en zelfs mechanische processen, zijn meestal gekoppeld aan waterstroom. Recente ontwikkelingen in geofysische technieken hebben toegestaan een hydrologische processen in de vadose zone niet-gebeurt te controleren. Onder vele geofysische technieken is grond penetrerend radar (GPR) één van de meest gebruikte technieken te volgen en te karakteriseren bodem water dynamiek omdat de voortplanting van elektromagnetische golven van (EM) uitgezonden en ontvangen door GPR antennes gekenmerkt door bodem vocht inhoud1,2,3,4. Onder beschikbare systemen is op-grondoppervlak GPR (hierna: oppervlak GPR in het restant van het manuscript) de meest voorkomende te gebruiken in een veld. Traditionele oppervlaktesystemen GPR met een zender en een ontvanger (bistatic radarsystemen) worden vaak gebruikt voor het scannen van de ondergrond met een scheiding van de constante transmitter-receiver (offset). Verzamelingen van gegevens verzameld in deze configuratie zijn ook bekend als gemeenschappelijk verschuiving verzamelt (COG). Radargegevens worden weergegeven als tijdreeksen op basis van de totale reistijd tussen de zender, uiteindelijke reflectoren en terug naar de ontvanger. Om de reistijd omzetten in diepgaande informatie, EM Golf snelheid in de ondergrond moet worden geschat. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door de analyse van multi offset verzamelen (MOG) datasets5.
Al zijn er een aantal studies met behulp van GPR volgen ondergrond infiltratie processen6,7,8,9, bepaald geen van hen direct de locatie van de voorkant van het bedplassen of de EM-Golf snelheid structuur die met de tijd tijdens de infiltratie verandert. De gemeenschappelijke benadering is het gebruik van objecten begraven op bekende diepten als referentie reflectoren om te bepalen van de gemiddelde snelheid van EM Golf en bevochtiging van de voorste diepte. Aangezien de bevochtiging voorkant dynamisch tijdens infiltratie verandert, moet time-lapse MOG worden verzameld met korte tijdintervallen te exploiteren van veranderingen in de structuur van EM Golf snelheid zonder gebruik te maken van reference-objecten. Met gemeenschappelijke bistatic oppervlakte GPR antennes is de collectie van time-lapse MOG korte tussenpozen tussen elkaar moeilijk of onmogelijk als het handmatig verplaatsen van antennes instellen van de verschillende offset configuraties vereist. Onlangs, is een familie van antenne-array GPR (hierna aangeduid als matrix GPR hierna) uitgebreid om het imago van de ondergrond snel en nauwkeurig10gebruikt. Het basisconcept van de matrix GPR is bedoeld als dichte zwaden met een minimale inspanning door elektronisch schakelen meerdere antennes in één frame gemonteerd. Matrix GPR systemen zijn voornamelijk gebruikt voor het genereren van 3D ondergrond beelden van brede gebieden snel. Enkele voorbeelden van typische toepassingen voor deze systemen zijn weg en brug inspectie11, archeologisch prospectie12 en UXO en landmijnen detectie13,14. Voor dergelijke doeleinden, de matrix GPR wordt voornamelijk gebruikt voor het scannen van de ondergrond met een constante antenne scheiding configuratie voor het verzamelen van de KOGGE. Hoewel is gebleken dat MOG verzameld met een matrix die GPR kan worden gebruikt voor snelheid schatting15, is de praktische toepassing van deze methode beperkt tot slechts een paar gevallen. Door het plaatsen van de antenne-array op een vaste locatie, kan tijd vervallen MOG gemakkelijk worden verzameld. Zoals aangetoond in onze recente publicatie16, portretteren time-lapse radargrams verzameld met de array GPR systeem nogal duidelijk de signalen van de reflectie van de voorkant van het bedplassen als het geleidelijk naar beneden tijdens het experiment van een verticale infiltratie beweegt uitgevoerd op een uitzichtpunt. De belangrijkste doelstelling van het papier was om aan te tonen hoe met de array GPR time-lapse MOG gedurende de infiltratie test halen en hoe te analyseren van dergelijke gegevens voor het bijhouden van de diepte van de voorzijde van het bedplassen.
In deze studie, gebruikten we een antenne-array bestaande uit 10 overdracht (Tx0 – Tx9) en 11 (Rx0 – Rx10) ontvangen ‘ bow-tie monopole antennes. De verplaatsing van de antenne-elementen in de matrix is afgebeeld in Figuur 1 (Zie Tabel van materialen). De antenne-array wordt bestuurd door een trapfrequentie continu golfvorm (SFCW)-radarinstallatie die over het frequentiebereik van 100 MHz tot 3000 MHz. De schakelaars van de GPR matrix door een gebruiker gedefinieerde opeenvolging van Rx-Tx paren met behulp van radiofrequentie (RF) multiplexers in de antenne-array10. Het maximum aantal Tx-Rx combinaties voor dit specifieke systeem is 110. Voor dit experiment, we geconfigureerd de array GPR gebruiken alle 110 combinaties, de scanreeks programmeren zodat elke zender, van Tx0 tot Tx9, werd opeenvolgend gecombineerd met alle 11 ontvangers van Rx0 naar Rx10. De tijd die nodig is voor het uitvoeren van een scan via alle 110 combinaties is minder dan 1,5 seconde. De offset tussen zender en ontvanger was berekend op basis van de afstand tussen de feed punten van de antenne-elementen, waar de verticale verschuiving 85 mm is zoals aangegeven in Figuur 1.
In deze studie, matrix grond penetrerend radar (GPR) werd gebruikt voor het bijhouden van de diepte van het bedplassen front tijdens een infiltratie experiment uitgevoerd bij een experimentele veld in de buurt van het zandduin Tottori, Japan. De array GPR systeem dat wordt gebruikt in deze studie bestaat uit 10 verzendende antennes (Tx) en 11 ontvangen antennes (Rx). Het systeem kan worden geconfigureerd voor het gebruik tot 110 verschillende combinaties van de Tx-Rx. Tijdens het experiment van de infiltratie, zijn alle 110 combinaties voortdurend gescand 1,5 seconde intervallen, de matrix stationaire verlaten op de locatie waar het water werd toegepast door sommige poreuze buisjes geplaatst op het oppervlak. Common-offset verzamelen (COG) en gemeenschappelijke halverwege gegevens (CMP) werden gereconstrueerd op basis van de time-lapse gegevenskubus. Het zou vrijwel onmogelijk om CMP gegevens hetzelfde tempo met conventionele bistatic GPR systemen te verzamelen. Het is zeer belangrijk om te laten de antenne in stationaire opname tijdens het experiment om reproduceerbare en zinvolle time-lapse gegevens te verkrijgen.
Hoewel array GPR gegevens zijn gebruikt om te schatten EM Golf snelheden15, er zijn alleen een paar studies die geanalyseerd time-lapse matrix GPR gegevens voor het inschatten van EM Golf snelheden voor voorbijgaande processen zoals water infiltratie. In deze studie werd de elektromagnetische (EM) Golf snelheid structuur geschat uit de time-lapse CMP-gegevens. In plaats van het uitvoeren van analyses van de schijn, de hyperbool curve voor de twee richtingen reistijd was uitgerust heuristisch aan de gereflecteerde signalen in het CMP-radargrams om te kunnen inschatten van de gemiddelde snelheid van EM Golf in de bevochtiging zone vanwege lage signal-to-noise (S / N) verhouding in de gegevens. Wanneer de S/N-verhouding laag is, worden schijn analyse niet gebruikt voor het genereren van een betrouwbare snelheid spectrum. Een passende filtermethoden zou moeten worden ontwikkeld voor het gebruik van de methode van de analyse van de schijn. Een staaf-type grond vochtigheid sensor aangelegd naast de GPR-antenne voor het meten van de veranderingen in bodemvochtgehalte tijdens het experiment infiltratie; de sensoren werden verdreven in de diepten van 10, 20, 30, 40 en 60 cm en werkte onafhankelijk.
Met behulp van de geschatte snelheid van EM Golf, is de diepte van de voorzijde van het bedplassen berekend met tussenpozen van 1 minuut van het proces van de infiltratie. De evolutie in de tijd van de geschatte bevochtiging voorkant eens goed met de opmerkingen van de bodem vocht sensoren op een diepte van minder dan 20 cm. In ondiepere diepten toont de GPR-schatting van de voorste diepte van bedplassen een discrepantie met de lezingen van de bodem vocht sensoren.
Over het geheel genomen is deze studie toont aan dat de array GPR systeem geschikt is voor het bijhouden van de evolutie van de voorste diepte van bedplassen tijdens water infiltratie in de bodem, door time-lapse gemeenschappelijk halverwege (CMP) gegevens te verzamelen. Als dit type gegevens was niet gemakkelijk worden verzameld van conventionele oppervlakte GPR vóór, zijn de gegevens in deze studie de allereerste die daadwerkelijk laten zien hoe de bevochtiging voorkant geëvolueerd in de tijd in de ondergrond. Toekomstige werkzaamheden zal de mogelijkheid onderzoeken gebruik van inversie van de gegevens voor de raming van de hydraulische parameters van de bodem van de gegevens die zijn verkregen tijdens dit experiment.
Deze studie werd financieel ondersteund door JSPS Grant-in-aid wetenschappelijke Research Program (nr. 16 H 02580, 17u 03885) en gezamenlijk onderzoek programma van Arid Land Research Center, Tottori Universiteit.
GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
PR2/6 Profile Probe | Delta-T |