Her præsenterer vi en jorden gennemtrængende Radar (GPR) system baseret på en jorden-kombineret, tætbefolkede antenne array til at overvåge den dynamiske proces af undergrunden vand infiltration. En time-lapse radar billede af infiltration proces tilladt estimering dybden af befugtning front i løbet af infiltration proces.
Et jorden gennemtrængende Radar (GPR) system baseret på en jorden-kombineret, tætbefolkede radaren blev brugt til at indsamle data i løbet af en infiltration eksperiment udført på et forsøgssted i nærheden af Tottori Sand Dune, Japan. Antenne array bruges i denne undersøgelse består af 10 fremsendende antenner (Tx) og 11 modtager antenner (Rx). Dette eksperiment, var systemet konfigureret til at bruge alle mulige Tx-Rx bindinger, hvilket resulterer i en multi Offset samle (MOG) bestående af 110 Tx-Rx kombinationer. Arrayet var tilbage stationært på en holdning direkte ovenfor området infiltration og dataene blev indsamlet hver 1,5 sekunder ved hjælp af en tidsbaseret udløser. Fælles-Offset samle (COG) og fælles midtpunkt (CMP) datakuber blev rekonstrueret fra MOG data under post-processing. Der har været få undersøgelser, der bruges time-lapse CMP data til at vurdere ændringer i hastigheden af formering. I denne undersøgelse, blev elektromagnetiske (EM) bølge hastighed anslået heuristisk med 1 minuts intervaller fra den rekonstruerede CMP data gennem kurven montering, ved hjælp af Hyperbel ligning. Vi gik derefter til at beregne dybden af befugtning front. Udviklingen af befugtning front med tiden opnå gennem denne metode er i tråd med bemærkningerne fra en jord fugt sensor, som var placeret på under 20 cm dybde. Resultaterne af denne undersøgelse påvise sådanne array GPR system evne til at overvåge en undergrunden dynamisk proces som vand infiltration, præcist og kvantitativt.
Forståelse masse og energi transport processer i umættet zone er vigtigt for mange programmer i landbrugs- og miljømæssig discipliner. Blandt disse processer, trinløst mættede vandflow er den væsentlige proces, som mange af de øvrige processer, såsom fysiske, geokemiske, biologiske og endda mekaniske processer, er normalt kombineret med vandflow. Den seneste udvikling i geofysiske teknikker har lov til at overvåge hydrologiske processer i umættet zone ikke-invasivt. Blandt mange geofysiske teknikker er jorden gennemtrængende radar (GPR) en af de mest udbredte teknikker til at overvåge og at karakterisere jord vand dynamics, fordi udbredelsen af elektromagnetiske (EM) bølger udsendes og modtages af GPR antenner er karakteriseret ved jord fugt indhold1,2,3,4. Blandt tilgængelige systemer er på jorden overflade GPR (benævnt overflade GPR i den resterende del af håndskriftet) det mest almindeligt at bruge i et felt. Traditionelle overflade GPR systemer med en sender og en modtager (bistatic radarsystemer) er almindeligt anvendt til at scanne den undergrunden med en konstant transmitter-receiver adskillelse (forskydning). Datasæt, der opsamlet i denne konfiguration er også kendt som fælles forskydning samler (COG). Radar data vises som tidsserier baseret på total rejsetid mellem senderen, eventuel reflektorer og tilbage til modtageren. For at konvertere rejsetiden til dybde oplysninger, EM bølge hastighed i undergrunden behov estimeres. Dette kan eksempelvis ske gennem en analyse af multi offset samles (MOG) datasæt5.
Selv om der har været en række undersøgelser ved hjælp af GPR for at overvåge undergrunden infiltration processer6,7,8,9, bestemmes ingen af dem direkte befugtning front eller EM bølge placering Velocity struktur, der forandrer sig med tiden under infiltration. Den fælles tilgang er at bruge objekter begravet på kendte dybder som reference reflekser at bestemme gennemsnitlige EM bølge hastighed og fugte forreste dybde. Da befugtning front ændres dynamisk under infiltration, skal time-lapse MOG indsamles på kort tid mellemrum at udnytte ændringer i strukturen EM bølge hastighed uden at bruge reference objekter. Med fælles bistatic overflade GPR antenner er samlingen af time-lapse MOG med korte intervaller mellem hinanden vanskeligt eller umuligt da det kræver at manuelt flytte antenner til at konfigurere de forskellige offset konfigurationer. For nylig, en familie af radaren GPR (refereret til som array GPR herefter) har været udbredt til at undergrunden hurtigt og præcist10billedet. Det grundlæggende koncept af matrixen GPR er at give tætte skår med en minimal indsats af elektronisk switching flere antenner monteret i et enkelt billede. Array GPR systemer har været primært bruges til at generere 3D undergrunden billeder af brede områder hurtigt. Nogle eksempler på typiske applikationer for disse systemer er vej- og broen inspektion11, arkæologiske prospektering12 og UXO og landminer påvisning13,14. Til sådanne formål, array GPR bruges primært til at scanne den undergrunden med en konstant antenne adskillelse konfiguration til at indsamle tandhjul. Selv om det er blevet påvist, at MOG indsamlet med arrayet GPR kunne bruges til hastighed estimering15, har den praktiske anvendelse af denne metode været begrænset til bare nogle få tilfælde. Ved at placere på radaren på et fast sted, kan tid-bortfalder MOG være let indsamlet. Som påvist i vores seneste publikation16, skildre time-lapse radargrams indsamlet med array GPR system snarere klart refleksion signaler fra befugtning front, som den gradvist bevæger sig nedad under en vertikal infiltration eksperiment udføres på en Klit. Hovedformålet med papiret var at vise, hvordan du kan bruge matrixen GPR for at indsamle time-lapse MOG under infiltration test og hvordan man kan analysere sådanne data til sporing af dybden af befugtning front.
I denne undersøgelse, brugte vi en antenne array bestående af 10 overførsel (Tx0 – Tx9) og 11 modtager (Rx0 – Rx10) Butterfly monopole antenner. Fordrivelse af antenne elementer i en matrix er vist i figur 1 (Se Tabel af materialer). Radaren er kontrolleret af et trin-frekvens kontinuerlig bølgeform (SFCW) radar enhed, der opererer i frekvensområdet fra 100 MHz til 3,000 MHz. Matrixen GPR skifter gennem en bruger-defineret rækkefølge af Rx-Tx par ved hjælp af radio frekvens (RF) multipleksere i antenne array10. Det maksimale antal af Tx-Rx kombinationer for dette særlige system er 110. For dette eksperiment konfigureret vi array GPR bruge alle 110 kombinationer, programmering scanningssekvensen, således at hver transmitter, fra Tx0 til Tx9, var parret sekventielt med alle 11 modtagere fra Rx0 til Rx10. Tid til, at udføre en scanning gennem alle 110 kombinationer er mindre end 1,5 sekunder. Forskydningen mellem senderen og modtageren var beregnet på baggrund af afstand mellem punkterne feed af antenne elementer, hvor den lodrette forskydning er 85 mm, som vist i figur 1.
I denne undersøgelse, array jorden gennemtrængende radar (GPR) blev brugt til at spore dybden af befugtning front under en infiltration eksperiment udført på et eksperimenterende område i nærheden af Tottori Sand Dune, Japan. Matrixen GPR system, der anvendes i denne undersøgelse består af 10 fremsendende antenner (Tx) og 11 modtager antenner (Rx). Systemet kan konfigureres til at bruge op til 110 forskellige Tx-Rx kombinationer. Under infiltrationen eksperimentet, blev alle 110 kombinationer scannet løbende 1,5 sekunder mellemrum, forlader arrayet stationære på det sted, hvor vandet blev anvendt gennem nogle porøse rør placeret på overfladen. Fælles-offset samles (COG) og fælles midtpunkt data (CMP) blev rekonstrueret fra time-lapse datakuben. Det ville være praktisk talt umuligt at indsamle CMP data på den samme sats med konventionelle bistatic GPR systemer. Det er meget vigtigt at forlade antennen i stationære optagelse under eksperimentet for at opnå reproducerbare og meningsfuld time-lapse data.
Selvom array GPR data har været brugt til at estimere EM bølge hastigheder15, der er kun et par studier, der analyserede time-lapse array GPR data for at anslå EM bølge hastigheder for forbigående processer som vand infiltration. I denne undersøgelse blev det anslået elektromagnetiske (EM) bølge velocity struktur fra time-lapse CMP data. I stedet for at udføre antydning analyse, Hyperbel kurven for to-vejs rejse gang var monteret heuristisk reflekterede signaler i CMP radargrams for at estimere den gennemsnitlige EM bølge hastighed i zonen befugtning på grund af lavt signal til støj (S / N) forhold i dataene. Når S/N-forholdet er lav, kan ikke antydning analyse bruges til at generere en pålidelig velocity spektrum. En passende filtrering metode ville skal udvikles for at bruge metoden antydning analyse. En rod-type jord fugt sensor blev installeret ved siden af GPR antenne til at måle ændringer i Jordens vandindhold under infiltration eksperimentet; sensorerne blev fordrevet i 10, 20, 30, 40 og 60 cm dybder og arbejdet selvstændigt.
Ved hjælp af den anslåede EM bølge hastighed, var dybden af befugtning front beregnet på 1 minuts intervaller af infiltration proces. Udviklingen i tid af den anslåede befugtning forreste enig godt observationer fra jorden fugt sensorer på dybder under 20 cm. På lavvandede dybder viser GPR estimatet af befugtning forreste dybde en uoverensstemmelse med aflæsninger fra jord fugt sensorer.
Samlet set viser denne undersøgelse, at matrix GPR system er i stand til at spore udviklingen af befugtning forreste dybde under vand infiltration i jorden, ved at indsamle time-lapse fælles midtpunkt (CMP) data. Da denne type data ikke var let indsamlet fra konventionelle overflade GPR før, er oplysninger indhentet i denne undersøgelse de allerførste, faktisk viser hvordan befugtning front udviklet sig over tid i undergrunden. Fremtidige arbejde vil udforske muligheden af at anvende data inversion for at anslå de hydrauliske parametre af jord fra oplysninger indhentet i løbet af dette eksperiment.
Denne undersøgelse blev økonomisk støttet af JSP’ER licensbetaling videnskabelig Research Program (nr. 16 H 02580, 17H 03885) og ved fælles forskning Program af tørre jord Research Center, Tottori Universitet.
GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
PR2/6 Profile Probe | Delta-T |