Nous présentons ici un système de Ground Penetrating Radar (GPR) basé sur un réseau d’antennes sol couplés et densément peuplées de suivi du processus dynamique de l’infiltration des eaux souterraines. Une image radar Time-lapse du processus d’infiltration a permis d’estimer la profondeur du mouillage avant au cours du processus d’infiltration.
A utilisé un système de Ground Penetrating Radar (GPR) basé sur un réseau d’antennes sol couplés et densément peuplées pour recueillir des données au cours d’une expérience d’infiltration menée sur un site d’essai près de la Dune de sable de Tottori, Japon. Le réseau d’antennes utilisée dans cette étude se compose de 10 antennes de transmission (Tx) et 11 réception d’antennes (Rx). Pour cette expérience, le système a été configuré pour utiliser tous les jumelages possibles de Tx-Rx, résultant en un multi-Offset rassembler (MOG) composé de 110 combinaisons de Tx-Rx. Le tableau restait stationnaire directement au-dessus de la zone d’infiltration et les données ont été recueillies à l’aide d’un déclencheur temporel toutes les 1,5 secondes. Des cubes de données commun-Offset se rassemblent (COG) et Common Point médian (CMP) a été reconstituées d’après les données MOG au cours de post-traitement. Il y a eu peu d’études ont utilisé Time-lapse CMP données pour estimer les changements de vitesse de propagation. Dans cette étude, la vitesse des ondes électromagnétique (EM) estimait heuristique à intervalles de 1 minute d’après les données CMP reconstituées par la courbe d’ajustement, en utilisant l’équation de l’hyperbole. Nous avons ensuite procédé pour calculer la profondeur de l’avant du mouillage. L’évolution du front mouillant au fil du temps obtenir grâce à cette méthode est compatible avec les observations d’un capteur d’humidité du sol qui a été placée à une profondeur inférieure à 20 cm. Les résultats obtenus dans cette étude démontrent la capacité de tel tableau système GPR pour surveiller un processus dynamique sous la surface, comme l’infiltration de l’eau avec précision et quantitativement.
Compréhension des processus transport masse et d’énergie dans la zone vadose sont importants pour de nombreuses applications dans les domaines agricoles et environnementales. Parmi ces processus, débit d’eau continu saturés est le processus essentiel comme beaucoup d’autres processus, tels que les processus physiques, biologiques, géochimiques et même mécaniques, sont généralement couplés avec le débit d’eau. Développements récents dans les techniques géophysiques ont permis de surveiller les processus hydrologiques dans la zone vadose non invasive. Parmi les nombreuses techniques géophysiques, radar à pénétration de sol (GPR) est l’une des techniques plus largement utilisées pour surveiller et pour caractériser la dynamique de l’eau des sols car la propagation des ondes électromagnétiques de (EM) émis et reçus par les antennes GPR est caractérisé par le sol l’humidité contenu1,2,3,4. Parmi les systèmes disponibles, sur terrain surface GPR (dénommé surface GPR dans le reste du manuscrit) est le plus courant d’utiliser dans un champ. Systèmes traditionnels de GPR surfaces avec un émetteur et un récepteur (systèmes de radar bistatique) sont utilisées pour analyser le sous-sol avec une séparation constante émetteur-récepteur (offset). Les ensembles de données recueillies dans cette configuration sont également connu sous le nom commun offset rassemble (COG). Les données radar sont affichées comme séries chronologiques issu des temps de parcours total entre l’émetteur, réflecteurs éventuelles et retour au récepteur. Afin de convertir le temps de déplacement pour information de profondeur, vitesse de l’onde EM dans le sous-sol doit être estimée. Par exemple, cela peut être fait par le biais de l’analyse de multiples décalage gather (MOG) ensembles de données5.
Bien qu’il y a eu un certain nombre d’études à l’aide de GPR pour surveiller le processus d’infiltration souterraine6,7,8,9, aucun d’entre eux n’a déterminé directement l’emplacement de l’avant du mouillage ou de l’onde électromagnétique structure de vitesse qui évolue avec le temps au cours de l’infiltration. L’approche courante consiste à utiliser des objets enfouis à des profondeurs connues comme réflecteurs de référence pour déterminer la vitesse de l’onde EM moyenne et mouiller devant profondeur. Étant donné que le front de saturation change dynamiquement au cours de l’infiltration, Time-lapse MOG doit être prélevé à des intervalles de temps pour exploiter les changements dans la structure de vitesse des ondes EM sans utiliser les objets de référence. Commune bistatique antennes GPR-surfaces, la collection de Time-lapse MOG à de courts intervalles entre eux est difficile, voire impossible car elle nécessite de déplacer manuellement les antennes à mettre en place les différentes configurations de décalage. Récemment, une famille de réseau d’antennes GPR (ci-après sous la forme tableau GPR) a été utilisée intensivement afin d’imager le sous-sol rapide et précise10. Le concept de base du tableau GPR est de fournir des andains denses avec un minimum d’effort en passant par voie électronique des antennes multiples montés dans un cadre unique. Gamme GPR systèmes ont été principalement utilisés pour générer des images 3D sous la surface de larges zones rapidement. Quelques exemples d’applications typiques pour ces systèmes sont des ponts et chaussées, inspection11, prospection archéologique12 et munitions non explosées et des mines détection13,14. À ces fins, le tableau GPR est principalement utilisé pour analyser le sous-sol avec une configuration de séparation constante antenne pour recueillir le COG. Même s’il a été démontré que MOG recueillies avec un tableau que GPR pourrait être utilisé pour l’ estimation de vitesse15, l’application pratique de cette méthodologie a été limitée à quelques cas. En plaçant le réseau d’antennes à un emplacement fixe, MOG temps-expiré peut être facilement collecté. Tel que démontré dans notre récente publication16, Time-lapse radargrammes recueillies avec le tableau système GPR dépeignent plutôt clairement les signaux de réflexion du mouillage devant, en se déplaçant progressivement vers le bas au cours d’une expérience d’infiltration verticale réalisée sur une dune de sable. L’objectif principal de l’étude était de démontrer comment utiliser le tableau GPR pour prélever MOG Time-lapse pendant l’essai de l’infiltration et la façon d’analyser ces données pour le suivi de la profondeur du mouillage avant.
Dans cette étude, nous avons utilisé un réseau d’antennes consistant en 10 transmettant (Tx0 – Tx9) et 11 (Rx0 – Rx10) de recevoir papillon antennes de monopole. Le déplacement des éléments dans le tableau antenne est illustré à la Figure 1 (voir la Table des matières). Le réseau d’antennes est contrôlée par une unité de radar de forme d’onde continue étape-fréquence (SFCW) fonctionnant sur la bande passante de 100 MHz à 3 000 MHz. Le tableau GPR passe à travers une séquence définie par l’utilisateur des paires de Rx-Tx à l’aide de radiofréquences (RF) multiplexeurs dans l’antenne tableau10. Le nombre maximum de combinaisons Tx-Rx pour ce système particulier est 110. Pour cette expérience, nous avons configuré le tableau GPR d’utiliser toutes les combinaisons de 110, programmation de la séquence de balayage afin que chaque émetteur de Tx0 au Tx9, était jumelé dans l’ordre avec tous les 11 récepteurs de Rx0 à Rx10. Le temps nécessaire pour effectuer une analyse à travers toutes les combinaisons de 110 est inférieur à 1,5 secondes. Le décalage entre l’émetteur et le récepteur a été calculé selon la distance entre les points d’alimentation des éléments antenne, où le décalage vertical est 85 mm, comme illustré à la Figure 1.
Dans cette étude, terrain de tableau penetrating radar (GPR) a été utilisé pour suivre la profondeur du mouillage front pendant une expérience d’infiltration menées à un champ expérimental près de la Dune de sable de Tottori, Japon. Le tableau système GPR utilisée dans cette étude se compose de 10 antennes de transmission (Tx) et 11 réception d’antennes (Rx). Le système peut être configuré pour utiliser jusqu’à 110 combinaisons différentes de Tx-Rx. Pendant l’expérience de l’infiltration, toutes les combinaisons de 110 ont été balayées en permanence à des intervalles de 1,5 secondes, laissant le tableau immobile à l’endroit où l’eau a été appliquée par le biais de quelques tubes poreux placés sur la surface. Common-offset gather (COG) et des données communes de point médian (CMP) ont été reconstruites dans le cube de données time-lapse. Il serait pratiquement impossible de recueillir des données de la CMP au même rythme avec des systèmes classiques bistatique GPR. Il est très important de laisser l’antenne dans enregistrement stationnaire au cours de l’expérience afin d’obtenir des données de Time-lapse reproductibles et significatives.
Bien que le tableau GPR données ont été utilisées pour estimer les EM vague vitesses15, il y a seulement quelques études qui ont analysé les données GPR tableau Time-lapse pour estimer les vitesses des ondes EM pour processus transitoires comme l’infiltration d’eau. Dans cette étude, la structure de vitesse électromagnétique (EM) vague a été estimée d’après les données time-lapse de la CMP. Plutôt que d’effectuer l’analyse de l’apparence, la courbe de hyperbole pour le temps de déplacement bidirectionnel a été ajustée heuristiquement aux signaux réfléchis dans les radargrammes CMP afin d’estimer la vitesse des ondes EM moyenne dans la zone de mouillage en raison de la faible signal sur bruit (S / N) ratio dans les données. Lorsque le rapport signal/bruit est faible, semblant analyse ne peut pas servir à générer un spectre de vitesse fiables. Une méthode de filtrage appropriée devra être mis au point pour l’utilisation de la méthode d’analyse de semblant. Une sonde d’humidité de sol type tige a été installée à côté de l’antenne GPR pour mesurer les changements dans l’humidité du sol pendant l’expérience de l’infiltration ; les capteurs ont été déplacés à la 10, 20, 30, 40 et 60 cm de profondeur et a travaillé de manière indépendante.
À l’aide de la vitesse des ondes EM estimée, la profondeur de la façade de mouillage a été calculée à intervalles de 1 minute du processus d’infiltration. L’évolution dans le temps du mouillage estimée avant concorde bien avec les observations depuis les capteurs d’humidité du sol à une profondeur inférieure à 20 cm. À des profondeurs moindres, l’estimation GPR de la profondeur de mouillage avant montre une divergence avec les lectures de capteurs d’humidité du sol.
Dans l’ensemble, cette étude démontre que le tableau système GPR est capable de suivre l’évolution de la profondeur de mouillage avant au cours de l’infiltration d’eau dans le sol, en collectant des Time-lapse commun point médian (CMP) données. Comme ce type de données n’a pas facilement prélevé classique GPR surface avant, les données obtenues dans cette étude sont les premier qui montrent comment le mouillage devant a évolué au fil du temps dans le sous-sol. Travaux futurs explorera la possibilité d’utiliser l’inversion de données pour estimer les paramètres hydrauliques du sol des données obtenues au cours de cette expérience.
Cette étude a été soutenue financièrement par JSPS subvention programme de recherche scientifique (n ° 16 H 02580, 17H 03885) et par le Centre commun de recherche Programme de Arid Land Research, Université de Tottori.
GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
PR2/6 Profile Probe | Delta-T |