Tracking-Infiltration, die vorderen Tiefe mit Zeitraffer Multi-Offset sammelt mit Array Antenne Bodenradars gesammelt

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Infiltrationsfront im Feldboden mit Hilfe von Array-Antennen-Bodenradar zu verfolgen. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen im Bereich der Hydrologie der Vadose-Zone zu beantworten, z. B. das Verständnis, wie Wasser während des Regens in den Boden eindringt. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Zeitraffer-Mehrfach-Offset-Erfassung nahtlos und mit minimalem Aufwand bei dynamischen Untergrundprozessen wie z. B. Infiltration erfasst werden kann.

Das Verfahren wird von Nobuhito Nagai und Yukio Tobe vorgeführt. Das Antennenarray ist das Herzstück dieses Experiments. In diesem Gehäuse befinden sich die 21 Antennen für dieses Experiment.

Dieser Schaltplan enthält weitere Details. Es gibt 10 Sende- und 11 Empfangs-Mono-Zugantennen mit Fliege, die von einer Stufenfrequenz-Dauerstrich-Radareinheit gesteuert werden. Das Array kann alle 110 Sender-Empfänger-Paare durchschalten.

Identifizieren Sie einen Standort für den Infiltrationstest. Stellen Sie sicher, dass die Oberfläche nackt, flach und etwa drei mal drei Meter groß ist. Besorgen Sie sich 2,5 Meter lange poröse Rohre.

Durch die Porosität des Rohrs kann Wasser an den Boden abgegeben werden. Verwenden Sie die Rohre, um ein Bewässerungsversickerungssystem auf dem Grundstück zu errichten. Die Röhren dieses Systems sind parallel und 15 Zentimeter voneinander entfernt.

Verbinden Sie die Rohre an einem Ende mit einem ventilgesteuerten Wassereinlass, der mit einer Wasserquelle verbunden ist. Und verbinden Sie das andere Ende mit der Steckdose. Besorgen Sie sich als Nächstes eine dünne Holzplatte, die etwas größer als das Antennenarray ist, und legen Sie diese über die porösen Rohre.

Die Platte sollte flach sein und die Rohre abdecken. Fahren Sie fort und installieren Sie Bodenfeuchtesensoren in der Nähe des Panels. Dieser Stabsensor misst die Feuchtigkeit in mehreren Tiefen.

Installieren Sie zunächst das Zugangsrohr des Sensors im Boden neben der Holzplatte. Platzieren Sie dann Stabsensoren in das Zugangsrohr. Beginnen Sie damit, das Antennenarray auf der Holzplatte zu platzieren, zentriert auf das Infiltrationssystem.

Verbinden Sie das Array über Koaxialkabel mit dem Controller, und schließen Sie den Controller an einen Computer an. Stellen Sie die Antennensequenz so ein, dass ein vollständiger Scan aller Sender-Empfänger-Kombinationen durchgeführt wird, und beginnen Sie mit der Datenerfassung. Gehen Sie an dieser Stelle zur Wasserquelle und starten Sie den Durchfluss und die Infiltration.

Stoppen Sie das Wasser, wenn eine vorher festgelegte Menge injiziert wurde. Beenden Sie dann die Datenerfassung mit dem Radar-Array. Nachdem Sie Daten gesammelt haben, analysieren Sie sie, um eine Geschwindigkeitsschätzung zu finden.

Dies ist ein Beispiel für das Zeitraffer-Radargramm des Antennenarrays. Die Daten wurden über 60 Minuten des Experiments aufgenommen. Jeder Bereich, der durch schwarze Linien begrenzt ist, entspricht den Daten, die von einem Sender und den 11 Empfängern gesammelt wurden.

Der Standort des Senders wird durch das rote Dreieck angezeigt. Entlang der dritten Achse befindet sich die Gesamtzeit von der Übertragung bis zum Empfang des reflektierten Signals. Die verschiedenen Farben zeigen die Signalamplitude an.

Erstellen Sie anhand dieser Daten den gemeinsamen Mittelpunkt-Datencube. Die neue Achse ist die Trennung von Sende- und Empfangsantenne. Dies ist ein Querschnitt durch den gemeinsamen Mittelpunktsdatenwürfel zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Experiments.

Identifizieren Sie die Reflexion von der Benetzungsfront für jeden dieser Rahmen. Verwenden Sie diese Gleichung, um die hyperbolischen Kurven anzupassen, indem Sie die beiden Parameter t0 und vr anpassen. Die weiße Kurve stellt die Laufzeit der Reflexion von der Benetzungsfront dar.

Die violetten Kurven sind die Reisezeiten für die Luft- und Bodenwellen. Dies ist ein repräsentatives Radargramm für ein Infiltrationsexperiment. Jede Sektion ist mit einem Sender verknüpft.

Entlang der vertikalen Achse befindet sich die Fahrzeit vom Sender zum Reflektor zum Empfänger. Die Graustufen-Farbkarte zeigt die Signalamplitude an. In diesem Zeitraffer von einem der üblichen Mittelpunktsdatenbereiche bewegt sich das Signal mit hoher Amplitude im Laufe des Experiments stetig nach unten.

Das Signal wird durch die Reflexionen an der Benetzungsfront erzeugt, wenn das Wasser in den Untergrund eindringt. Verwenden Sie für die Geschwindigkeitsanalyse gängige Mittelpunktsdaten, die jede Minute erfasst werden. In diesen Beispieldaten ist nach fünf Minuten des Experiments die am besten angepasste Kurve für die reflektierte Welle die durchgezogene weiße Linie und die der Luftwelle die gestrichelte Linie.

Mit der Zeit nimmt die Reisezeit linear zu. Dies sind Diagramme der geschätzten Benetzungsfronttiefe als Funktion der verstrichenen Zeit. Die Dreiecke sind für ein Modell eines uniformierten Mediums.

Die Quadrate sind für ein zweischichtiges Modell, das die Holzplatte unter dem Array berücksichtigt. Die Intervalle in Schwarz zeigen an, wann der Messwert eines Feuchtigkeitssensors in einer bestimmten Tiefe zu steigen begann und wann er sich stabilisierte. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erstmals bei einer Demonstration für Array-Antennen-Bodenradar

Es kam uns in den Sinn, Zeitraffer-Multi-Offset-Daten zu korrigieren. Der größte Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass wir die Antennen nicht bewegen mussten, um im Gegensatz zu herkömmlichen größeren Systemen, die in den Boden eindringen, zu sammeln. Sobald Sie die Messung starten, ist es nur noch zu überwachen und nichts zu tun.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, die Antennen nicht zu bewegen, damit die Reproduzierbarkeit der Daten gewährleistet ist. Nach ihrer Entwicklung wird diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Hydrologie der Vadose-Zone den Weg ebnen, um die Wasserbewegung in Feldböden zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Bodenradar mit Array-Antennen verwenden können, um Infiltrationsfronten zu verfolgen.