Śledzenie głębokości frontu infiltracji za pomocą poklatkowych zbiorów z wieloma przesunięciami zebranych za pomocą radaru penetrującego grunt z anteną tablicową
1 maja 2018
Tutaj prezentujemy system georadarowy (GPR) oparty na gęsto zaludnionym układzie antenowym do monitorowania dynamicznego procesu infiltracji wód podpowierzchniowych. Poklatkowy obraz radarowy procesu infiltracji pozwolił na oszacowanie głębokości frontu zwilżającego w trakcie procesu infiltracji.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest śledzenie frontu infiltracji w glebie polowej za pomocą radaru penetrującego grunt z anteną matrycową. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie hydrologii stref wadozy, takie jak zrozumienie, w jaki sposób woda przenika do gleby podczas opadów deszczu. Główną zaletą tej techniki jest to, że poklatkowe zbieranie z wieloma przesunięciami może być zbierane bezproblemowo przy minimalnym wysiłku podczas dynamicznych procesów podpowierzchniowych, takich jak infiltracja.
Procedurę zademonstrują Nobuhito Nagai i Yukio Tobe. Układ antenowy jest sercem tego eksperymentu. W tej obudowie znajduje się 21 anten do tego eksperymentu.
Ten schemat zawiera dodatkowe szczegóły. Dostępnych jest 10 anten nadawczych i 11 odbiorczych mono ciągnących z muszką, kontrolowanych przez radar o częstotliwości ciągłej. Macierz może przełączać się między wszystkimi 110 parami nadajnik-odbiornik.
Zidentyfikuj witrynę, na którą należy przeprowadzić test infiltracji. Upewnij się, że powierzchnia jest naga, płaska i ma wymiary około trzech metrów na trzy metry. Uzyskaj porowate rurki o długości 2,5 metra.
Porowatość rurki umożliwia odprowadzanie wody na podłoże. Użyj rur do budowy systemu infiltracji nawadniającej na działce. Rurki tego systemu są równoległe i oddalone od siebie o 15 centymetrów.
Połącz rurki na jednym końcu z wlotem wody regulowanym zaworem podłączonym do źródła wody. I podłącz drugi koniec do gniazdka. Następnie weź cienki drewniany panel, nieco większy niż układ antenowy, i umieść go na porowatych rurkach.
Panel powinien być płaski i zakrywać rurki. Przejdź dalej, aby zainstalować czujniki wilgotności gleby w pobliżu panelu. Ten czujnik prętowy mierzy wilgotność na kilku głębokościach.
Najpierw zamontuj rurkę dostępową czujnika w ziemi obok drewnianego panelu. Następnie umieść czujniki prętowe w rurze dostępowej. Zacznij od umieszczenia anteny na drewnianym panelu, wyśrodkowanym na systemie infiltracji.
Podłącz macierz do kontrolera za pomocą koncentrycznych i podłącz kontroler do komputera. Ustaw sekwencję anteny, aby wykonać pełne skanowanie wszystkich kombinacji nadajnika i odbiornika i rozpocząć zbieranie danych. W tym momencie udaj się do źródła wody i rozpocznij przepływ i infiltrację.
Zatrzymaj wodę po wstrzyknięciu określonej ilości. Następnie przestań zbierać dane za pomocą radaru. Po zebraniu danych przeanalizuj je, aby znaleźć oszacowanie prędkości.
Jest to przykład radargramu poklatkowego z matrycy antenowej. Dane zostały zebrane w ciągu 60 minut eksperymentu. Każdy obszar ograniczony czarnymi liniami odpowiada danym zebranym przez jeden nadajnik i 11 odbiorników.
Lokalizacja nadajnika jest oznaczona czerwonym trójkątem. Wzdłuż trzeciej osi znajduje się całkowity czas od transmisji do odbioru odbitego sygnału. Różne kolory wskazują amplitudę sygnału.
Korzystając z tych danych, skonstruuj typowy moduł danych punktu środkowego. Nowa oś to separacja anten nadawczych i odbiorczych. Jest to przekrój poprzeczny wspólnego modułu danych punktu środkowego w danym momencie eksperymentu.
Zidentyfikuj odbicie od frontu zwilżającego dla każdej takiej ramki. Użyj tego równania, aby dopasować krzywe hiperboliczne, dostosowując dwa parametry, t0 i vr. Biała krzywa reprezentuje czas przebycia odbicia od frontu zwilżającego.
Fioletowe krzywe to czasy podróży fal powietrznych i przyziemnych. Jest to reprezentatywny radargram dla eksperymentu infiltracji. Każda sekcja jest powiązana z nadajnikiem.
Wzdłuż osi pionowej znajduje się czas podróży od nadajnika do reflektora i odbiornika. Mapa kolorów w skali szarości wskazuje amplitudę sygnału. W tym przedziale czasowym z jednego z powszechnych obszarów danych w punkcie środkowym obserwuj, jak sygnał o wysokiej amplitudzie przesuwa się stale w dół wraz z postępem eksperymentu.
Sygnał jest wytwarzany przez odbicia na froncie zwilżającym, gdy woda wnika pod powierzchnię. Do analizy prędkości należy używać typowych danych punktu środkowego pobieranych co minutę. W tych przykładowych danych, po pięciu minutach eksperymentu, najlepszą krzywą dopasowania dla fali odbitej jest ciągła biała linia, a krzywa fali powietrznej jest linią przerywaną.
W miarę upływu czasu czas podróży wydłuża się liniowo. Są to wykresy szacowanej głębokości frontu zwilżającego w funkcji czasu, który upłynął. Trójkąty są przeznaczone dla modelu umundurowanego medium.
Kwadraty są przeznaczone dla modelu dwuwarstwowego, który uwzględnia drewniany panel pod tablicą. Interwały w kolorze czarnym wskazują, kiedy odczyt czujnika wilgotności na danej głębokości zaczął rosnąć i kiedy się ustabilizował. Po raz pierwszy pomysł na tę metodę pojawił się podczas demonstracji radaru penetrującego grunt z anteną matrycową.
Przyszło nam do głowy, aby poprawić dane poklatkowe z wieloma przesunięciami. Największą zaletą tej procedury jest to, że nie musieliśmy przesuwać anten, aby zbierać dane z wieloma przesunięciami, w przeciwieństwie do zwykłych systemów penetrujących grunt. Po rozpoczęciu pomiaru wystarczy monitorować i nic nie robić.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby nie przesuwać anten, aby zapewnić odtwarzalność danych. Po opracowaniu technika ta utoruje drogę naukowcom zajmującym się hydrologią stref wadozy do badania ruchu wody w glebach polowych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać radaru penetrującego grunt z anteną do śledzenia frontów infiltracji.
Przegląd
To badanie przedstawia system radaru penetrującego grunt (GPR) wykorzystujący antenę skouplowaną z podłożem do monitorowania infiltracji wody pod powierzchnią ziemi. Metoda ta pozwala na śledzenie w czasie rzeczywistym frontu nasiąkania podczas procesów infiltracji, dostarczając cenny wgląd w hydrologię strefy aeracji.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Hydrologia
- Geofizyka
- Nauki o glebie
Tło
- Rozumienie infiltracji wody w glebie jest kluczowe dla badań hydrologicznych.
- Tradycyjne metody monitorowania infiltracji mogą być pracochłonne i mniej efektywne.
- Radar penetrujący grunt oferuje nieinwazyjną alternatywę dla monitorowania w czasie rzeczywistym.
- Zdjęcia time-lapse zwiększają zdolność śledzenia dynamicznych procesów pod powierzchnią.
Cel badania
- Opracowanie systemu GPR, który skutecznie śledzi front infiltracji w glebach polowych.
- Poprawa rozumienia ruchu wody podczas opadów deszczu.
- Demonstracja zalet stosowania anteny tablicowej dla bezproblemowego zbierania danych.
Stosowane metody
- Instalacja anteny skouplowanej z podłożem z 21 antenami.
- Budowa systemu infiltracji irygacyjnej za pomocą porowatych rurek.
- Zbieranie danych poprzez zdjęcia radarowe time-lapse podczas infiltracji wody.
- Analiza danych radarowych w celu oszacowania prędkości i głębokości frontu nasiąkania.
Główne wyniki
- Skuteczna obserwacja frontu nasiąkania za pomocą systemu GPR.
- Zdjęcia radarowe time-lapse wykazały ruch frontu nasiąkania w dół.
- Oszacowania prędkości zostały wyprowadzone z analizy danych środka wspólnego.
- Metoda wykazała powtarzalność i efektywność w zbieraniu danych.
Wnioski
- Opracowany system GPR zapewnia niezawodną metodę monitorowania infiltracji wody pod powierzchnią ziemi.
- To podejście może znacząco postępować w badaniach hydrologii strefy aeracji.
- Przyszłe zastosowania mogą poprawić rozumienie dynamiki wody w różnych typach gleb.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables non-invasive, real-time monitoring of subsurface water infiltration dynamics, providing quantitative depth measurements of the wetting front over time. The approach supports predictive modeling in vadose zone hydrology by delivering reproducible, high-temporal-resolution data without antenna movement. It addresses a key challenge in environmental R&D: tracking fluid migration in heterogeneous soils with minimal site disturbance.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables hypothesis testing of fluid transport mechanisms in porous media through direct observation of infiltration front progression.
- Operational Value: Provides standardized, repeatable data collection via stationary array configuration, reducing experimental variability.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative velocity and depth outputs from curve-fitted hyperbola analysis, enabling precise comparison of infiltration rates under varying conditions.
- Operational Value: Facilitates assay standardization through reconstructed Common Mid-Point (CMP) data cubes, supporting cross-run comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Correlates GPR-derived wetting front depth with in situ soil moisture sensor readings, validating the method’s translational reliability.
- Operational Value: Supports risk-adjusted advancement decisions by offering continuous, real-time tracking of subsurface processes critical to environmental modeling.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into environmental R&D workflows from initial hypothesis testing through data-driven model refinement, leveraging time-lapse Multi-Offset Gather (MOG) acquisition for dynamic process monitoring.
- Discovery Biology: Supports interrogation of hydraulic conductivity and preferential flow paths by tracking temporal changes in reflection patterns from the wetting front.
- Screening: Enables high-frequency sampling (every 1.5 seconds) with seamless MOG collection, ensuring assay readiness for time-dependent infiltration studies.
- Analytics: Delivers velocity estimates (vr) and zero-offset time (t0) from hyperbolic curve fitting, providing quantitative metrics for comparing infiltration dynamics across experimental conditions.
- Translational Research: Connects geophysical measurements to biological relevance through validation against soil moisture sensor data, enhancing confidence in subsurface process interpretation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for monitoring any subsurface fluid front (e.g., contaminant plumes, nutrient leaching) without reconfiguring hardware.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in fluid transport models by delivering direct, time-resolved estimates of wetting front depth and propagation velocity.
- Operational Value: Ensures reproducibility through fixed-array deployment and automated time-based triggering, minimizing operator-induced variability.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in environmental risk assessment by providing early, quantitative detection of subsurface changes.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of remediation or land-use strategies based on empirical infiltration kinetics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in GPR data analysis, including common midpoint reconstruction and hyperbolic curve fitting for velocity estimation.
- Necessitates instrumentation capable of rapid Tx-Rx cycling (110 combinations) and coherent control via step-frequency continuous wave radar unit.
- Demands cross-team standardization of data processing protocols (MOG to COG/CMP conversion) to ensure consistent velocity and depth calculations.
- Involves adaptation considerations for varying soil types, surface coverings (e.g., vegetative vs. bare), and burial depths of target reflectors.
- Includes practical limitations such as signal attenuation in conductive soils and resolution constraints near interfaces (e.g., wooden panel substratum).
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:44
The Ground Penetrating Radar Antenna Array
1:18
Field Infiltration Test Preparation
2:29
Ground Penetrating Radar Measurement
3:11
Data Analysis for Velocity Estimation
4:33
Results: Tracking the Water Infiltration Front Depth in Dune Sand
6:03
Conclusion
