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.
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.
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.
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.
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.
GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
PR2/6 Profile Probe | Delta-T |