Qui presentiamo un sistema di terra penetrante Radar (GPR) basato su un array di antenne terra-accoppiato, densamente popolate per monitorare il processo dinamico di infiltrazioni d’acqua sotto la superficie. Un’immagine radar time-lapse del processo di infiltrazione ha permesso di stimare la profondità della parte anteriore di bagnatura durante il corso del processo di infiltrazione.
Un sistema di terra penetrante Radar (GPR) basato su un array di antenne terra-accoppiato, densamente popolata è stato utilizzato per raccogliere dati durante un esperimento di infiltrazione condotto in un sito vicino alla duna di Tottori, Giappone. L’array di antenne utilizzate in questo studio è costituito da 10 antenne di trasmissione (Tx) e 11 antenne (Rx). Per questo esperimento, il sistema è stato configurato per utilizzare tutti i possibili abbinamenti di Tx-Rx, risultante in un multi-Offset raccogliere (MOG) costituita da 110 combinazioni di Tx-Rx. La matrice è stata lasciata ferma in una posizione direttamente sopra l’area di infiltrazione e dati sono stati raccolti ogni 1,5 secondi utilizzando un trigger basati sul tempo. Cubi di dati comune-Offset raccogliere (COG) e punto medio comune (CMP) sono state ricostruite dai dati MOG in fase di elaborazione. Ci sono stati pochi studi che hanno utilizzato Time-lapse CMP dati per stimare i cambiamenti nella velocità di propagazione. In questo studio, la velocità di onda elettromagnetica (EM) è stato stimato euristicamente ad intervalli di 1 minuto dai dati CMP ricostruiti attraverso la curva di raccordo, usando l’equazione dell’iperbole. Abbiamo poi proceduto a calcolare la profondità della parte anteriore di bagnatura. L’evoluzione della parte anteriore di bagnatura nel tempo ottenere attraverso questo metodo è coerenza con le osservazioni da un sensore di umidità del terreno che si trovava a una profondità inferiore a 20 cm. I risultati ottenuti in questo studio dimostrano la capacità di tale matrice sistema GPR per monitorare un processo dinamico sottosuolo come infiltrazioni d’acqua con precisione e quantitativamente.
Comprensione processi di trasporto di massa e di energia nella zona vadosa sono importanti per molte applicazioni in discipline agronomiche e ambientali. Tra quei processi, flusso variabile saturi d’acqua è il processo essenziale come molti altri processi, quali processi fisici, geochimici, biologici e anche meccanici, solitamente sono accoppiati con flusso d’acqua. Recenti sviluppi nelle tecniche geofisiche hanno permesso uno monitorare i processi idrologici nella zona vadosa non invadente. Tra le molte tecniche geofisiche, georadar (GPR) è una delle tecniche più ampiamente usate per monitorare e per caratterizzare la dinamica dell’acqua del terreno perché la propagazione delle onde elettromagnetiche (EM) emessi e ricevuti dalle antenne GPR è caratterizzata da terreno umidità contenuto1,2,3,4. Tra i sistemi disponibili, superficie a terra GPR (denominato superficie GPR nel resto del manoscritto) è il più comune da utilizzare in un campo. Tradizionali sistemi di GPR superficie con un trasmettitore e un ricevitore (sistemi radar bistatico) sono comunemente usati per eseguire la scansione del sottosuolo con una separazione costante trasmettitore-ricevitore (offset). Insiemi di dati raccolti in questa configurazione sono noti anche come offset comune raccoglie (COG). I dati radar vengono visualizzati come serie di tempo basato sul tempo totale di corsa tra il trasmettitore, eventuali riflettori e al ricevitore. Al fine di convertire il tempo di viaggio informazioni di profondità, velocità delle onde di EM in sottosuolo deve essere stimato. Ad esempio, questo può essere fatto attraverso l’analisi di insiemi di dati di raccogliere multi-offset (MOG)5.
Anche se ci sono stati una serie di studi utilizzando GPR per monitorare sottosuolo infiltrazione processi6,7,8,9, nessuno di loro direttamente determinata la posizione della parte anteriore di bagnatura o l’onda EM struttura di velocità che sta cambiando con tempo durante l’infiltrazione. L’approccio comune è quello di utilizzare oggetti sepolti a profondità noto come riflettori di riferimento per determinare la velocità media delle onde EM e bagnare profondità anteriore. Poiché la parte anteriore di bagnatura cambia dinamicamente durante l’infiltrazione, time-lapse MOG devono essere raccolti in brevi intervalli di tempo per sfruttare i cambiamenti nella struttura della velocità dell’onda di EM senza l’utilizzo di oggetti di riferimento. Con antenne GPR comune bistatico superficiale, la raccolta di time-lapse MOG a brevi intervalli tra di loro è difficile o impossibile quanto richiede di spostare manualmente le antenne per impostare le varie configurazioni di offset. Recentemente, una famiglia di array di antenne GPR (denominato matrice GPR in seguito) è stata usata estesamente all’immagine il sottosuolo veloce e preciso10. Il concetto di base della matrice GPR è quello di fornire andane densi con un minimo sforzo di commutazione elettronicamente più antenne montate in un singolo fotogramma. Sistemi di array GPR sono stati principalmente utilizzati per generare rapidamente immagini 3D sottosuolo di vaste aree. Alcuni esempi di applicazioni tipiche di questi sistemi sono strada e ponte ispezione11, prospezione archeologica12 e UXO e delle mine antiuomo rilevazione13,14. Per tali scopi, la matrice GPR è principalmente utilizzata per eseguire la scansione del sottosuolo con una configurazione di separazione costante antenna per raccogliere COG. Anche se è stato dimostrato che MOG raccolti con una matrice che GPR potrebbe essere usato per velocità stima15, l’applicazione pratica di questa metodologia è stata limitata a pochi casi. Inserendo l’array di antenne in postazione fissa, MOG sponde possono essere facilmente raccolti. Come dimostrato nel nostro recente pubblicazione16, time-lapse radargrams raccolti con la matrice sistema GPR ritraggono piuttosto chiaramente i segnali di riflesso dalla parte anteriore di bagnatura mentre si sposta gradualmente verso il basso durante un esperimento di infiltrazione verticale effettuato su una duna di sabbia. L’obiettivo principale della carta era di dimostrare come utilizzare la matrice GPR per raccogliere MOG time-lapse durante la prova di infiltrazione e come analizzare tali dati per gestire la profondità della parte anteriore di bagnatura.
In questo studio, abbiamo utilizzato un array di antenne composto da 10 trasmissione (Tx0 – Tx9) e 11 ricezione (Rx0 – Rx10): Papillon-antenne monopole. Lo spostamento degli elementi dell’antenna all’interno della matrice è illustrato nella Figura 1 (Vedi Tabella materiali). L’array di antenne è controllato da un’unità di radar di frequenza di passaggio continuo delle forme d’onda (SFCW) operano sopra la gamma di frequenza da 100 MHz a 3.000 MHz. La matrice GPR passa attraverso una sequenza di coppie di Rx-Tx mediante radiofrequenza (RF) multiplexer nella matrice antenna10definiti dall’utente. Il numero massimo di combinazioni di Tx-Rx per questo particolare sistema è 110. Per questo esperimento, abbiamo configurato la matrice GPR per utilizzare tutte le 110 combinazioni, programmazione la sequenza di scansione, in modo che ogni trasmettitore, da Tx0 a Tx9, era accoppiato in sequenza con tutti i 11 ricevitori da Rx0 a Rx10. Il tempo necessario per eseguire una scansione attraverso tutte le 110 combinazioni è inferiore a 1,5 secondi. L’offset tra trasmettitore e ricevitore è stato calcolato in base alla distanza tra i punti di alimentazione degli elementi dell’antenna, dove l’offset verticale è 85 mm come mostrato in Figura 1.
In questo studio, terra di matrice penetrante radar (GPR) è stato utilizzato per rilevare la profondità della parte anteriore di bagnatura durante un esperimento di infiltrazione condotto presso un campo sperimentale vicino la duna di Tottori, Giappone. La matrice sistema GPR utilizzato in questo studio è costituita da 10 antenne di trasmissione (Tx) e 11 antenne (Rx). Il sistema può essere configurato per utilizzare fino a 110 combinazioni diverse di Tx-Rx. Durante l’esperimento di infiltrazione, 110 tutte le combinazioni sono state scannerizzate continuamente ad intervalli di 1,5 secondi, lasciando la matrice stazionario nella posizione in cui è stato applicato acqua attraverso alcuni tubi porosi posizionate sulla superficie. Comune-offset gather (COG) e dati comuni mid point (CMP) sono stati ricostruiti dal cubo dati time-lapse. Sarebbe praticamente impossibile raccogliere dati di CMP allo stesso tasso con i sistemi convenzionali bistatico GPR. È molto importante lasciare l’antenna nella registrazione stazionario durante l’esperimento al fine di ottenere risultati riproducibili e significativi dati time-lapse.
Anche se dati GPR matrice sono stati utilizzati per stimare EM onda velocità15, ci sono solo pochi studi che hanno analizzato i dati di time-lapse matrice GPR per stimare la velocità di onda di EM per processi transitori come infiltrazioni d’acqua. In questo studio, la struttura di velocità di elettromagnetica (EM) onda era stimata dai dati CMP time-lapse. Invece di eseguire analisi di parvenza, la curva di iperbole per il tempo di corsa bidirezionale era montata euristicamente segnali riflessi nella radargrams CMP al fine di stimare la velocità di onda EM media nella zona di bagnatura a causa di basso segnale-rumore (S / N) rapporto nei dati. Quando il rapporto S/N è basso, analisi parvenza non possono essere utilizzato per generare un spettro di velocità affidabile. Un appropriato metodo di filtraggio avrebbe bisogno di essere sviluppato con il metodo di analisi di parvenza. Un sensore di umidità del suolo tipo di asta è stato installato accanto l’antenna GPR per misurare i cambiamenti nel contenuto di umidità del terreno durante l’esperimento di infiltrazione; i sensori sono stati sfollati a profondità di 10, 20, 30, 40 e 60 cm e ha lavorati in modo indipendente.
Utilizzando la velocità delle onde EM stimata, la profondità della parte anteriore di bagnatura è stata computata ad intervalli di 1 minuto del processo di infiltrazione. L’evoluzione nel tempo della parte anteriore di bagnatura stimato concorda bene con le osservazioni dei sensori di umidità del suolo ad una profondità inferiore a 20 cm. A profondità più poco profonde, la stima GPR della bagnatura profondità anteriore mostra una discrepanza con le letture dei sensori di umidità del suolo.
Nel complesso, questo studio dimostra che la matrice sistema GPR è in grado di tracciare l’evoluzione della profondità anteriore bagnatura durante l’infiltrazione di acqua nel suolo, raccogliendo i dati comuni time-lapse (CMP) di punto medio. Come questo tipo di dati non è stato raccolto facilmente dalla superficie convenzionale GPR prima, i dati ottenuti in questo studio sono i primissimi che effettivamente mostrano come il fronte di bagnatura si è evoluta nel tempo nel sottosuolo. Lavoro futuro esplorerà la possibilità di utilizzare inversione di dati per stimare i parametri idraulici del suolo da dati ottenuti durante questo esperimento.
Questo studio è stato sostenuto finanziariamente da JSPS sovvenzione dai programma di ricerca scientifica (n. 16 H 02580, 17h 03885) e di comune ricerca programma di arida terra Research Center, Università di Tottori.
GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
PR2/6 Profile Probe | Delta-T |