Method Article

מעקב אחר הסתננות עומק קבלה באמצעות offset רב בצילום מואץ אוספת הנאספים יחד עם מערך הקרקע אנטנת רדאר חודר

DOI:

10.3791/56847

⸱

May 1st, 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate School of Agriculture, Tokyo University of Agriculture and Technology, 2National Institute for Rural Engineering, National Agriculture and Food Research Organization, 3Arid Land Research Center, Tottori University, 4GeoFive Co. Ltd, 53D-Radar

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מציגים מערכת הקרקע חודר מכ ם (הרדאר חודר הקרקע) המבוססת על מערך האנטנה מצמידים הקרקע, המאוכלס בצפיפות למעקב אחר תהליך דינמי של חדירת מים מתחת לפני הקרקע. תמונת מכ ם בצילום מואץ של תהליך הסתננות מותר הערכת העומק של החזית הרטבה במהלך תהליך הסתננות.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת הקרקע חודר מכ ם (הרדאר חודר הקרקע) המבוססת על מערך האנטנה מצמידים הקרקע, המאוכלס בצפיפות שימש לאיסוף נתונים במהלך ניסוי הסתננות ניצח ב בדיקה באתר ליד חול חולית Tottori, יפן. קרן האנטנה השתמשו במחקר זה מורכב 10 אנטנות שידור (טי אקס) ו-11 קבלת אנטנות (Rx). עבור ניסוי זה, המערכת הוגדרו לשימוש כל זיווגים Tx-Rx אפשרי, וכתוצאה מכך ב היסט מרובי לאסוף (רגע) בהיקף של 110 Tx-Rx שילובים. המערך נשאר נייח במיקום ישירות מעל האזור הסתננות, הנתונים שנאספו כל 1.5 שניות באמצעות מפעיל מבוסס-זמן. קוביות נתונים משותף-Offset לאסוף (שיניים) ואת נקודת האמצע נפוצות (CMP) שוחזרו מתוך נתוני ש א במהלך עיבוד שלאחר. היו מחקרים מעטים השתמשו בצילום מואץ CMP נתונים כדי להעריך שינויים מהירות ההתפשטות. במחקר זה, מהירות הגל האלקטרומגנטי של (EM) הוערך בשיטה יוריסטית במרווחים 1 דקות מנתוני CMP שוחזר באמצעות עקומת התאמה, באמצעות המשוואה היפרבולה. אז התקדמנו כדי לחשב את העומק של החזית הרטבה. האבולוציה של החזית הרטבה במשך הזמן שנרכשו דרך זה שיטה זו עקבית עם התצפיות של חיישן לחות קרקע אשר היה ממוקם בעומק מתחת 20 ס מ. התוצאות שהתקבלו במחקר זה להפגין את היכולת של מערך כזה מערכת הרדאר חודר הקרקע לעקוב אחר תהליך דינאמי מהסבא כמו מים הסתננות במדויק, באופן כמותי.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ההבנה מסה ואנרגיה תחבורה תהליכים באזור למי חשובים עבור יישומים רבים בתחומים חקלאי וסביבתי. בין תהליכים אלה, זרימת המים רוויים variably הוא תהליך חיוני כמה שיותר תהליכים אחרים, כגון תהליכים פיזיים גיאוכימיים, ביולוגי, אפילו מכני, הם בדרך כלל בשילוב עם זרימת המים. התפתחויות בטכניקות הגאופיזית אפשרו אחד לעקוב אחר תהליכים באזור למי לא פולשני. בין טכניקות הגאופיזית רבות, הרדאר חודר הקרקע (הרדאר חודר הקרקע) הוא אחד של הטכניקות בשימוש נרחב ביותר לעקוב אחר, כדי לאפיין דינמיקה מים אדמה כי התפשטות גלי (EM) אלקטרומגנטית הנפלטת והתקבלו על-ידי הרדאר חודר הקרקע אנטנות מאופיין אדמה לחות תוכן1,2,3,4. בין מערכות זמינים, על הקרקע משטח הרדאר חודר הקרקע (המכונה הרדאר חודר הקרקע לעומק השארית של כתב היד) היא הנפוצה ביותר לשימוש בשדה. מערכות הרדאר חודר הקרקע משטח המסורתית עם אחד משדר ומקלט אחד (מערכות מכ ם bistatic) משמשים כדי לסרוק את מהסבא עם פרידה transmitter-receiver קבוע (אופסט). ערכות נתונים שנאספו בתצורה זו מכונים גם היסט נפוצות אוספת (שן). נתוני המכ ם מוצגים כסדרות זמן בהתבסס על זמן הנסיעה הכולל בין המשדר, מחזירי אור בסופו של דבר, חזרה למקלט. כדי להמיר את זמן הנסיעה מידע מעמיק, EM מהירות הגל, הצרכים מהסבא להערכה. לדוגמה, ניתן לבצע זאת באמצעות הניתוח של ערכות נתונים מרובת היסט לאסוף (ש א)5.

אמנם היו מספר מחקרים באמצעות הרדאר חודר הקרקע כדי לפקח על הסתננות מהסבא תהליכים6,7,8,9, אף אחד מהם לא נקבע באופן ישיר את המיקום של החזית הרטבה או הגל EM מבנה מהירות המשתנה עם הזמן במהלך חדירה. הגישה הנפוצה היא להשתמש באובייקטים קבור בעומק ידוע בתור הפניה מחזירי לקביעת מהירות ממוצעת של גל EM ומרטיב עומק קבלה. מאז החזית הרטבה משתנה באופן דינמי במהלך חדירה, יש לאסוף ש א זמן לשגות במרווחי זמן קצר כדי לנצל שינויים במבנה מהירות הגל EM ללא שימוש באובייקטים הפניה. עם נפוץ bistatic משטח הרדאר חודר הקרקע אנטנות, האוסף של זמן לשגות ש א במרווחי זמן קצרים בין אחד לשני היא קשה או בלתי אפשרי כפי שהוא דורש כדי להעביר באופן ידני אנטנות כדי להגדיר את היסט תצורות שונות. לאחרונה, משפחה של מערך אנטנות הרדאר חודר הקרקע (המכונה מערך הרדאר חודר הקרקע להלן) שימש בהרחבה לשיקוף מהסבא במהירות ובדייקנות10. התפיסה הבסיסית של המערך הרדאר חודר הקרקע היא לספק רצועות עבות עם מאמץ מינימלי על ידי מיתוג אלקטרונית מספר אנטנות רכוב בתוך מסגרת בודדת. מערך הרדאר חודר הקרקע מערכות שימשו בעיקר כדי ליצור תמונות 3D מהסבא של שטחים נרחבים במהירות. כמה דוגמאות של יישומים עבור מערכות אלו הן פיקוח כביש וגשר11, prospection הארכיאולוגי12 ו מהשבילים, מוקשים זיהוי13,14. למטרות כאלה, המערך הרדאר חודר הקרקע משמש בעיקר כדי לסרוק מהסבא עם תצורת ההפרדה אנטנה קבועה כדי לאסוף קוג. למרות הוכח ש א שנאסף עם מערך שהרדאר חודר הקרקע יכול לשמש עבור מהירות שערוך15, היישום המעשי של מתודולוגיה זו הוגבלה למקרים ספורות. על ידי הצבת האנטנה במיקום קבוע, ש א ולגנן. ניתן בקלות לאסוף. כפי שמתואר ב הפרסום האחרונה שלנו16, זמן לשגות radargrams נאספו עם המערך מערכת הרדאר חודר הקרקע מתארים מעדיף בבירור את האותות השתקפות מהחזית הרטבה כפי שהוא. נע כלפי מטה בהדרגה במהלך ניסוי הסתננות אנכי בוצעו על דיונה. המטרה העיקרית של העיתון היה להדגים כיצד להשתמש במערך הרדאר חודר הקרקע כדי לאסוף ש א בצילום מואץ במהלך הבחינה הסתננות וכיצד לנתח נתונים כאלה למעקב אחר העומק של החזית הרטבה.

במחקר זה, השתמשנו מערך האנטנה בהיקף של 10 משדר (Tx0 - Tx9) ו-11 קבלת (Rx0 - Rx10) עניבת מונופול אנטנות. העקירה של היסודות האנטנה בתוך המערך מוצג באיור 1 (ראה טבלה של חומרים). קרן האנטנה נשלטת על ידי יחידת מכ ם שלב תדר רציף Waveform (SFCW) שמתפקד טווח תדר של 100 מגה-הרץ עד 3,000 מגה-הרץ. המערך הרדאר חודר הקרקע עובר דרך רצף מוגדר-משתמש של זוגות Rx-Tx באמצעות גלי רדיו (RF) מולטיפלקסר מערך האנטנה10. המספר המרבי של Tx-Rx השילובים עבור מערכת מסוימת זו עומד על 110 עבור ניסוי זה, אנחנו תצורת המערך הרדאר חודר הקרקע לשימוש כל השילובים 110, תכנות הרצף סריקה כך כל משדר, מ Tx0 כדי Tx9, צורף ברצף כל מקלטי 11 מ Rx0 כדי Rx10. הזמן הדרוש לבצע סריקה באמצעות כל השילובים 110 הוא פחות מ- 1.5 שניות. ההיסט בין המשדר והמקלט היה מחושב בהתבסס על המרחק בין הנקודות הזנה של היסודות אנטנה, ההיסט האנכי איפה 85 מ מ כמוצג באיור1.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המטרה העיקרית של מחקר זה היתה לשימוש מערך מערכת הרדאר חודר הקרקע כדי להמחיש מהסבא תהליכים דינאמיים, כגון חדירת מים, זה גם חשוב לתאר איך נערך המבחן הסתננות.

1. בדיקת חדירה שדה

  1. בחר אתר עם משטח החשוף עבור הבדיקה הסתננות.
    הערה: במחקר זה, נערכה הבדיקה הסתננות במתקן חממה גדולה של האוניברסיטה הצחיחה בארץ מחקר מרכז של Tottori, יפן. ראה את הפרסום האחרונה פרטים נוספים16.
  2. מיקום על פני שש 2.5-m צינורות זמן נקבובי בהקבלה ממרחק של 15 ס מ בין אחד לשני, על מנת להבטיח חדירה אחיד (איור 2).
  3. חבר קצה אחד של הצינורות כדי כניסת מוסדר שסתום, אשר מחובר ישנו מאגר מים או ברז, ואת הקצה השני לשקע כדי להסיר את המים העודפים.
  4. המקום של 910 x 1802 מ מ עובי2 לוח עץ (קצת יותר גדולה האנטנה), כדי לכסות את הצינורות נקבובי.
  5. בדוק את ההשפעה של לוח עץ על האות המכ ם לפני הבדיקה הסתננות.
  6. להתקין חיישני לחות קרקע ליד לוח עץ כדי לעקוב אחר השינויים התוכן לחות הקרקע בעומקים שונים.
    הערה: המטרה של חיישנים אלה נועד לספק נתונים הפניה נהגה נצליב התוצאות שהתקבלו מניתוח הנתונים הרדאר חודר הקרקע. במחקר זה, חיישן לחות קרקע מסוג רוד (ראה טבלה של חומרים) הותקן ליד האנטנה כדי לפקח על קבוע דיאלקטרי אדמה ב 10, 20, 30, 40, 60 ו- 100 ס מ עומק.

2. הרדאר חודר הקרקע מדידה

  1. למקם את האנטנה הרדאר חודר הקרקע מערך על לוח עץ.
    הערה: במחקר זה, האנטנה נשאר נייח כדי להבטיח עקביות בין אותות המוקלט.
  2. לחבר את האנטנה בקר באמצעות כבלים קואקסיאליים.
  3. להתחבר הבקר מחשב נייד מחשב עם כבל Ethernet.
  4. להחליט את השילובים אנטנה הרצף שלהם כדי להבטיח נפוצות היסט לאסוף (שיניים) והן לאסוף רב היסט (ש א) נאספים בצורה חלקה.
    הערה: במחקר זה, כל הצירופים האפשריים עבור המערך הרדאר חודר הקרקע העומדים לרשותנו היה בשימוש (110). זה לקח פחות מ 1.5 s כדי לבצע סריקה מלאה דרך כל השילובים.
  5. להתחיל את ההקלטה של נתוני הרדאר חודר הקרקע באמצעות התוכנה אוסף נתונים.
    הערה: חשוב להפעיל את רכישת נתונים לפני המים מוזרק לתוך הצינורות נקבובי.
  6. לפתוח את השסתום כדי להחיל מים (כלומר, להתחיל בתהליך חדירה).
    הערה: קצב הזרקת מים מנת יכול להיקבע וממאפייני הידראולי (למשל, מוליכות הידראולית) של הקרקע היעד. קצב הזרימה השתמשו במחקר זה היה /min3ס מ 7,000, אשר היה פחות מוליכות הידראולית רוויה של חול דיונה.
  7. לאחר כמות קבועה מראש של מים מוזרק, סגור את השסתום.
    הערה: מים היה מוזרק ברציפות במשך 4 שעות, סך של 1,680 לליטר מים שימשו עבור הבדיקה.
  8. שיכוך עם המערך הרדאר חודר הקרקע לתקופה נוספת של זמן, כדי לעקוב אחר תהליך הפצה עבור ניתוח נוסף.
    הערה: המערך שהרדאר חודר הקרקע כבר המשיך באיסוף נתונים במשך 4 שעות אחרי השסתום נסגר. למרות זאת, הנתונים הללו יש נותחו לא לצורך המחקר המוצג כאן.

3. ניתוח נתונים עבור מהירות שערוך

  1. לשחזר שיניים CMP נתונים על-ידי חילוץ הצירופים Tx-Rx היחסי הקוביה נתונים הכולל. זה הושג באמצעות קוד מותאם אישית שפותח על ידי המחברים אשר מחדש את הפרופילים מכ ם כדי לקבץ יחד Tx-Rx זוגות זהים היסט (שן) ואת אלו עם נקודת האמצע באותו (CMP).
    הערה: מכיוון יחידת SFCW הרדאר חודר הקרקע שימש במחקר זה, הנתונים הגולמיים היא בתחום התדר; היה לבצע את הפעולה של תדירות ההמרה זמן שימוש בתוכנה שסיפק היצרן של מערכת הרדאר חודר הקרקע.
  2. להעריך את מהירות הגל האופטימלי EM באזור הרטבה בזמן שחלף נתון על ידי התאמת משך הנסיעה דו-כיווני מחושב, tc, של גל EM משתקף בחזית חדירה על האותות שנצפו. המהירות עם העקומה הכי מתאים נקבע בשיטה יוריסטית.
    figure-protocol-1(1)
    איפה d0 עומק נקודת השתקפות, x הוא המרחק בין Tx ו- Rx, vr הוא שורש-ממוצע-הריבועים המהירות למטוס השתקפות ו- t0 הוא בזמן נסיעה דו-כיוונית קיזוז אפס מחילופי radargram CMP.
    הערה: השיטה הנפוצה ביותר של שערוך מהירות באמצעות ש א היא מראית עין ניתוח5,15,17. בניתוח מראית עין, מהירות שורש ממוצע הריבועים נבחר על סמך ספקטרום מהירות. ניתוח מראית עין שומש מהירות שערוך במחקר זה לא כי יחס אות לרעש נמוך נצפתה במערך הנתונים הרדאר חודר הקרקע אפשרו לנו לפתח קשת מהירות אמין. מציאת בשיטת הסינון המתאימים כדי ליצור קשת מהירות אמין מתוך נתונים אלו נחקרת במחקר מתמשך אחרים. עבור הטווח של המחקר הזה, העקומה התאמת שיטת שימש כדי שיתאים Eq (1) radargrams CMP.
  3. באמצעות הציוד (1), לחשב את הרטבה עומק קבלה d0 בזמן שחלף נתון באמצעות מוערך EM מהירות vr.
    הערה: עבור חלק זה של ניתוח הנתונים, ערכת הנתונים קוג שומש היסט x שווה ל 113 מ מ.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

איור 3 מראה לוח זמן לשגות דיאגרמה של 110 Tx-Rx שילובים רכשה 1.5 כל s במהלך 60 דקות הראשון של הניסוי הסתננות, לאחר המרת הנתונים מתדר לתחום זמן. על מנת לשפר השתקפויות בעומק, הוחל מסנן bandpass ואחריו רווח פיצוי. הדיאגרמה לוח ניתן לחלק סעיפים 10, כל מקטע המקביל Tx מסוים. המיקום של Tx שציין משולש לבן, כל פרוסה תואמת לאות זמן לשגות הקליטה עבור Rx. הציר האנכי מציג את זמן הנסיעה דו כיוונית או TWT, דהיינו הזמן הנחוץ הגל EM לנסוע מהמשדר, רפלקטור בסופו של דבר, חזרה למקלט. הפרופילים להציג את משרעת האות במפת צבע בגווני אפור. ניגוד גדול בצבע מציין משרעת גבוהה בתוך האות המוקלט מכ ם. EM גל השתקפויות, המיוצרים על הממשק בין שכבות שונות דיאלקטרי קבוע או על-ידי אובייקטים עם מאפיינים חשמליים שונים מאשר המדיום שמסביב; ניגוד מבודד גבוהה יקבע השתקפות משרעת גבוהה. במהלך תהליך חדירת מים, יש אזור המכונה אזור המעבר איפה התוכן המים עולה בהדרגה מהקצה של האזור הרטבה, זה איפה המים חודר לתוך האדמה יבשה בתחילה. הגל EM סביר להשתקף לא בקצה. אבל בתוך אזור המעבר, כפי שנצפה במחקרים של מים בשולחן זיהוי18. בהשארית של כתב היד, אזור זה השתקפות נחשבת החזית הרטבה. איור 3, אות משרעת גבוהה מופיע והוא עובר בהתמדה כלפי מטה בעת הזמן מקדמות במהלך הניסוי. השתקפות זו אכן מופק על ידי החזית הרטבה כמו המים בהדרגה חודר כלפי מטה ב- סי. מדיאגרמת הזה, קוג ו- CMP יכול יורכבו כמוצג באיור 2 של איוואסאקי. et al. 16

מהירות ניתוח בוצע על הנתונים CMP שהושג בכל 1 דקות. עבור כל ערכת נתונים CMP, הורכב זמן נסיעה דו-כיוונית נתון על ידי הציוד (1) לבבואה מהחזית הרטבה על-ידי התאמת t0 ו- vr, בהנחה שכבה אחידה באזור רטוב. אפס זמן תוקן על-ידי הזזת את גל אוויר עם המהירות של 0.3 m/ns. איור 4 מציג נתונים CMP במרווחים של 5 דקות מן הזמן שחלף te = 5 דקות כדי te = 50 דקות יחד עם העקומות מיטבית להציג קווים לבנים (קווים מלאים עבור הגל המוחזר) וקו מקווקו עבור הגל אוויר. מאז גל אוויר אינו משתקף גל אלא האות ישיר בין משדר ומקלט, משך הנסיעה עולה באופן ליניארי עם ההיסט. כל העקומות היו מצוידים ועד לפסגות חיובי (בצבע לבן) של הגלים משתקף. כל העיקולים מצויד היטב כדי שנצפה העקומות משתקף שמוצג radargrams CMP-כל ההיסטים, מה שאומר כי הערכים המשוערים עבור t0 ו- vr טובים. לניסוי הסתננות, הוצב לוח עץ יבש בין האנטנה הצינורות נקבובי. בגלל הלוח יש של קבוע דיאלקטרי הרבה נמוך יותר מזה של אדמה רטובה, השלכותיה על התפשטות גל EM עשוי להיות לא זניח, למרות שזה דק. מודל דו שכבתי נחשב אז בנוסף המודל הנ ל שכבה אחידה, בהנחה ערך של 3 עבור קבוע דיאלקטרי העליון 5 ס מ. גם בשביל זה המודל השני, מהירות הגל EM vr הוערך על ידי עקומה פולינומיאלית על ההשתקפות המיוצר על ידי החזית הרטבה.

ב איור 5, העריך במעמקי קבלה הרטבה מותוות כפונקציה של te לדגמי יחיד, דו שכבתי שני. זה ניתן להערכה כי החזית הרטבה נע כלפי מטה באופן ליניארי כמעט הזמן על שני הדגמים, למעט ההאטה בין te = 10 דקות ו- te = 20 דק. ההבדלים בין שני דגמים אינם בתחילה מסתיים משמעותית, אך לאחר ההערכה עבור דגם אחיד נע מעט מהר יותר בהשוואה לדגם דו שכבתי. איור 5, סמלים יהלום משמשות לסימון התקופה קריאות מכל חיישני לחות החלו להגדיל וכאשר הם לימים יציבה; אלו מחוברים עם קו מלא עבור כל עומק חיישן. כפי שהוזכר לעיל, ההשתקפות של הגל EM בהכרח בקצה של אזור רטוב; במילים אחרות, בהתחשב עומק מסוים, אי אפשר לצפות זו השתקפות כדי להיות תואמים את נקודת הזמן כשהוא המקראות מחיישן להתחיל להגדיל. במובן זה, ההשתקפות אינה משרתת רמת עומק בחזית הסתננות איפה התמלאה מים רוויה מסוימת, לעומת האזור מתחת. בהתחשב החיישנים ב 30, 40 ו- 60 ס מ עומק, ההערכה של הרטבה עומק הקבלה מתקבל מתוך נתוני הרדאר חודר הקרקע נופל טוב בטווח המוצג על ידי קווים מוצקים על ציר הזמן. הפעם כאשר הרדאר חודר הקרקע מוערך להרטיב הקדמית הגיעו בעומק 20 ס מ מתאים הזמן מתי ותגביל הקריאה חיישן נצפתה, בעוד ההערכה הרדאר חודר הקרקע להגיע לעומק של 10 ס מ הרבה יותר מהר מאשר מה הופק על ידי חיישן לחות , למרות האות השתקפות מהחזית הרטבה נצפית בבירור לאחר te = 5 דקות (איור 4). בנוסף, יש לציין כי אקסטרפולציה של הרדאר חודר הקרקע מוערך עיקול אינו עובר המקור. אמנם לא ברור מה גרם אי-התאמה זו בעומקים רדודים, ייתכנו כמה הסברים אפשריים. זאת ניתן לייחס הטרוגניות במאפיינים קרקע, או זה יכול להיות בגלל הלא-אחידות ביישום מים. אם זה אכן המצב, זה השפעה רבה יותר מוקדם יותר במהלך תהליך חדירה מאשר בשלב מאוחר יותר. הסבר אחר יכול להיות כי חספוס פני השטח משפיעה על קביעת זמן אפס. בנוסף ההשפעה של לוח עץ, הצינורות נקבובי, ההשפעה של חספוס פני השטח צריכים להילקח בחשבון.

figure-results-1
איור 1 : סכימה של מערך הקרקע חודר תצורת האנטנה של מכ ם, השתמשו במחקר זה. מבנים בצורת V הם אנטנות מונופול עניבת הפרפר. ישנם 10 אנטנות שידור (טי אקס) ו-11 קבלת אנטנות (Rx) המיושרים אופקית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-2
איור 2: סכימות של הניסוי הסתננות. (א) מבט מלמעלה ומבט (ב) בצד שבה מוקמה האנטנה מערך מעל 6 ס מ 250 צינורות נקבובי מיושר 15 ס מ אחד מהשני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-3
איור 3 : Radargram זמן לשגות שהתקבל במהלך 60 דקות הראשון של הניסוי הסתננות. נתונים מורכב אותות מוקלטות עבור שילובי אנטנה 110. פרוסה אחת מקביל זמן לשגות הנתונים שנאספו עם שילוב Tx-Rx יחיד. צבע שונה משמש משרעת האות. קווים אנכיים שחור נתונים נפרדים עבור כל משולשים Tx-לבן מציינים את המיקומים של Tx- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-4
איור 4 : Radargrams של CMP- te = 5 דקות כדי te = 55 דקות במרווחים של 5 דקות. הלבן קווים מלאים לייצג באופן ידני מצויד זמן נסיעה דו-כיוונית של השתקפות מהחזית הרטבה, ואילו לבן קווים מקווקווים מייצגים את זמן הנסיעה של גל אוויר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

figure-results-5
איור 5 : הרטבת במעמקי קבלה. להרטיב את הקבלה ומעמקי מוערך ממערך הרדאר חודר הקרקע ב- offset רב בצילום מואץ לאסוף כפונקציה של הזמן שחלף גם את המדים (משולשים) וגם הדגמים (מרובע) דו שכבתי. קווים שחורים עם יהלומים בשני קצותיו הצג את הזמן בין הגידול הראשוני קריאות, כאשר אלה להגיע רמה קבועה עבור כל עומק חיישן (קרי, משך הזמן של אזור המעבר). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במחקר זה, מערך הקרקע הרדאר חודר (הרדאר חודר הקרקע) נעשה שימוש כדי לעקוב אחר העומק של החזית הרטבה במהלך ניסוי הסתננות ניצח ב שדה ניסיוני ליד חול חולית Tottori, יפן. המערך מערכת הרדאר חודר הקרקע השתמשו במחקר זה מורכב 10 אנטנות שידור (טי אקס) ו-11 קבלת אנטנות (Rx). ניתן להגדיר את המערכת לשימוש עד 110 צירופים שונים של Tx-Rx. במהלך הניסוי חדירה, כל השילובים 110 נסרקו באופן רציף במרווחים 1.5 שניות, עוזב את המערך נייח במיקום שבו הוחלה מים דרך צינורות נקבובי מסוימים על פני השטח. המשותף-offset לאסוף (שיניים) ואת נקודת האמצע נפוצות הנתונים (CMP) שוחזרו הקוביה נתוני זמן לשגות. זה יהיה כמעט בלתי אפשרי לאיסוף נתונים CMP באותו קצב במערכות הרדאר חודר הקרקע bistatic קונבנציונלי. חשוב מאוד להשאיר את האנטנה בהקלטה נייח במהלך הניסוי על מנת לקבל נתונים זמן לשגות משמעותי הדירים.

למרות נתוני הרדאר חודר הקרקע מערך שימשו כדי להעריך אם גל מהירויות15, יש רק מעט מחקרים לנתח זמן לשגות מערך נתונים הרדאר חודר הקרקע להערכת למהירות הגל EM ארעי תהליכים כגון מים הסתננות. במחקר זה, המבנה מהירות גל אלקטרומגנטי (EM) הוערך מנתוני CMP זמן לשגות. במקום ביצוע ניתוח מראית עין, העקומה היפרבולה בפעם נסיעה דו-כיוונית הורכב בשיטה יוריסטית על האותות משתקף ב radargrams CMP כדי לאמוד את מהירות הגל EM הממוצע באיזור הרטבה עקב נמוך אות לרעש (S / N) יחס בנתונים. כאשר היחס S/N נמוך, מראית עין ניתוח לא יכול לשמש ליצירת קשת מהירות אמין. שיטת הסינון המתאימה יצטרך להיות מפותח באמצעות שיטת הניתוח מראית עין. חיישן לחות קרקע מסוג רוד היה מותקן ליד האנטנה הרדאר חודר הקרקע כדי למדוד את השינויים בתכולת לחות הקרקע במהלך הניסוי חדירה; החיישנים היו עקורים בעומק של 10, 20, 30, 40 ו- 60 ס מ, עבד באופן עצמאי.

באמצעות המהירות המשוערת גל EM, העומק של החזית הרטבה היה שחושב במרווחי דקה של תהליך הסתננות. ההתפתחות בזמן של החזית הרטבה מוערך מסכים עם התצפיות מ חיישני לחות הקרקע בעומק מתחת 20 ס מ. בעומקים רדודים, ההערכה הרדאר חודר הקרקע של עומק קבלה הרטבה מציג סתירה עם הקריאות מ חיישני לחות קרקע.

באופן כללי, מחקר זה מדגים כי המערך מערכת הרדאר חודר הקרקע הוא מסוגל מעקב התפתחות העומק קבלה הרטבה במהלך חדירת מים לתוך האדמה, על ידי איסוף נתונים (CMP) נקודת האמצע משותפים זמן לשגות. כמו סוג נתונים זה לא נאסף בקלות מן הרדאר חודר הקרקע משטח המקובלת לפני, הנתונים שהתקבלו במחקר זה הם אלה הראשון למעשה להראות איך החזית הרטבה התרחבו לאורך זמן מנת. בעבודתה העתידית תוכל לחקור את האפשרות של שימוש היפוך נתונים להערכת הפרמטרים הידראולי של הקרקע מהנתונים שהושגו במהלך הניסוי הזה.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה היה בתמיכתם תכנית המחקר המדעי של JSPS מענק הסיוע (מס 16 H 02580, 17H 03885) ועל ידי משותפת תוכנית של צחיח קרקע מחקר מרכז מחקר, אוניברסיטת Tottori.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
יחידת מכ"ם GeoScopeמכ"ם תלת מימד AS
אנטנת DXG1820מכ"ם תלת מימד AS
PR2/6 פרופיל בדיקה דלתא-טי

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Measuring soil water content with ground penetrating radar: A review. Vadose Zone Journal. 2 (4), 476-491 (2003).">Huisman, J., Hubbard, S., Redman, J. D., Annan, P. Measuring soil water content with ground penetrating radar: A review. Vadose Zone Journal. 2 (4), 476-491 (2003).
  2. Analysis of air-launched ground-penetrating radar techniques to measure the soil surface water content. Water Resources Research. 42, 1-12 (2006).">Lambot, S., Weihermüller, L., Huisman, J., Vereecken, H., Vanclooster, M., Slob, E. C. Analysis of air-launched ground-penetrating radar techniques to measure the soil surface water content. Water Resources Research. 42, 1-12 (2006).
  3. The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. Water Resources Research. 51, 3837-3866 (2015).">Binley, A., Hubbard, S., Huisman, J., Revil, A., Robinson, D., Singha, K., Slater, L. The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. Water Resources Research. 51, 3837-3866 (2015).
  4. Soil hydrology: Recent methodological advances, challenges, and perspectives. Water Resources Research. 51, 2616-2633 (2015).">Vereecken, H., Huisman, J., Hendricks, F. H., Bruggemann, N., Bogena, H., Kollet, S., Javaux, M., Van Der Kruk, J., Vanderborght, J. Soil hydrology: Recent methodological advances, challenges, and perspectives. Water Resources Research. 51, 2616-2633 (2015).
  5. Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis. Signal Processing. 132, 1-11 (2017).">Forte, E., Pipan, M. Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis. Signal Processing. 132, 1-11 (2017).
  6. Detecting wetting front movement in a sandy soil with ground-penetrating radar. Transactions of the ASAE. 33 (6), 1867-1874 (1990).">Vellidis, G., Smith, M. S., Thomas, D. L., Asmussen, L. E. Detecting wetting front movement in a sandy soil with ground-penetrating radar. Transactions of the ASAE. 33 (6), 1867-1874 (1990).
  7. Monitoring water flow in the unsaturated zone using georadar. First Break. 19, 679-684 (2001).">Trinks, I., Wachsmuth, D., Stumpel, H. Monitoring water flow in the unsaturated zone using georadar. First Break. 19, 679-684 (2001).
  8. Evaluating Ground Penetrating Radar Use for Water Infiltration Monitoring. Vadose Zone Journal. 7 (1), 208-214 (2008).">Saintenoy, A., Schneider, S., Tucholka, P. Evaluating Ground Penetrating Radar Use for Water Infiltration Monitoring. Vadose Zone Journal. 7 (1), 208-214 (2008).
  9. Hydrodynamic parameters of a sandy soil determined by ground-penetrating radar inside a single ring infiltrometer. Water Resources Research. 50 (7), 5459-5474 (2014).">Léger, E., Saintenoy, A., Coquet, Y. Hydrodynamic parameters of a sandy soil determined by ground-penetrating radar inside a single ring infiltrometer. Water Resources Research. 50 (7), 5459-5474 (2014).
  10. Ground-coupled antenna array for step-frequency GPR. Proceedings of 15th International Conference on Ground Penetrating Radar. , 785-790 (2014).">Eide, E., Valand, P. A., Sala, J. Ground-coupled antenna array for step-frequency GPR. Proceedings of 15th International Conference on Ground Penetrating Radar. , 785-790 (2014).
  11. 3D utility mapping using electronically scanned antenna array, Proceedings of GPR 2002. Proceedings of Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar. , 192-196 (2002).">Eide, E., Hjelmstad, J. F. 3D utility mapping using electronically scanned antenna array, Proceedings of GPR 2002. Proceedings of Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar. , 192-196 (2002).
  12. Stepped frequency ground penetrating radar survey with a multi-element array antenna: Results from field application on archaeological sites. Archaeological Prospection. 17, 187-198 (2010).">Linford, N., Linford, P., Martin, L., Payne, A. Stepped frequency ground penetrating radar survey with a multi-element array antenna: Results from field application on archaeological sites. Archaeological Prospection. 17, 187-198 (2010).
  13. UXO and landmine detection using 3-dimensional ground penetrating radar system in a network centric environment. Proceedings of ISTMP 2004. , (2004).">Eide, E., Hjelmstad, J. F. UXO and landmine detection using 3-dimensional ground penetrating radar system in a network centric environment. Proceedings of ISTMP 2004. , (2004).
  14. GPR using an array antenna for landmine detection. Near Surface Geophysics. 2 (1), 7-13 (2004).">Sato, M., Hamada, Y., Feng, X., Kong, F. N., Zeng, Z., Fang, G. GPR using an array antenna for landmine detection. Near Surface Geophysics. 2 (1), 7-13 (2004).
  15. Estimation of vertical velocity profile by multistatic GPR Yakumo. Proceedings of 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). , 1060-1063 (2015).">Yi, L., Takahashi, K., Sato, M. Estimation of vertical velocity profile by multistatic GPR Yakumo. Proceedings of 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). , 1060-1063 (2015).
  16. Monitoring infiltration process seamlessly using array ground penetrating radar. Agricultural and Environmental Letters. 1, 160002(2016).">Iwasaki, T., Kuroda, S., Saito, H., Tobe, Y., Suzuki, K., Fujimaki, H., Inoue, M. Monitoring infiltration process seamlessly using array ground penetrating radar. Agricultural and Environmental Letters. 1, 160002(2016).
  17. Semblance response to a ground-penetrating radar wavelet and resulting errors in velocity analysis. Near Surface Geophysics. 8 (3), 235-246 (2010).">Booth, A. D., Clark, R., Murray, T. Semblance response to a ground-penetrating radar wavelet and resulting errors in velocity analysis. Near Surface Geophysics. 8 (3), 235-246 (2010).
  18. Ground Penetrating Radar: Water Table Detection Sensitivity to Soil Water Retention Properties. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 4 (4), 748-753 (2011).">Saintenoy, A., Hopmans, J. W. Ground Penetrating Radar: Water Table Detection Sensitivity to Soil Water Retention Properties. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 4 (4), 748-753 (2011).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Array Antenna GPRMulti Offset GatherCommon Midpoint DataWetting Front DepthTime lapse MonitoringInfiltration Front TrackingGround Penetrating RadarVadose Zone HydrologyElectromagnetic Wave VelocityHyperbola Curve Fitting

Related Articles