Hier präsentieren wir ein Ground Penetrating Radar (GPR) System basiert auf einem Boden zusammen, dicht besiedelten Antenne-Array für die Überwachung des dynamischen Prozesses der Untergrund Wasserinfiltration. Ein Time-Lapse Radarbild der infiltrationsprozess erlaubt schätzen die Tiefe der Benetzung Front im Laufe des Prozesses Infiltration.
Ein Ground Penetrating Radar (GPR) System basierend auf einem Boden zusammen, dicht besiedelten Antenne Array wurde verwendet, um Daten zu sammeln, während ein Infiltration Experiment auf einem Testgelände in der Nähe von Tottori Sanddüne, Japan. Die in dieser Studie verwendeten Antennenstation besteht aus 10 Sendeantennen (Tx) und 11 Empfangsantennen (Rx). Für dieses Experiment wurde das System so konfiguriert, dass alle mögliche Tx-Rx Paarungen, was in einer Multi-Offset zu sammeln (MOG) bestehend aus 110 Tx-Rx-Kombinationen verwenden. Das Array an eine Position direkt über dem Filterbereich stationäre blieb und Daten alle 1,5 Sekunden einen zeitbasierte Trigger verwenden. Gemeinsamen-Offset zu sammeln (COG) und gemeinsamen Mittelpunkt (CMP) Datencubes wurden während der Nachbearbeitung aus den MOG Daten rekonstruieren. Gab es nur wenige Studien, die Time-Lapse CMP-Daten verwendet, um Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu schätzen. In dieser Studie schätzte die elektromagnetischen (EM) Wellengeschwindigkeit heuristisch im 1-Minuten-Takt aus der rekonstruierten CMP-Daten durch Kurve passend, unter Verwendung der Gleichung der Hyperbel. Dann gingen wir in die Tiefe der Benetzung Front zu berechnen. Die Entwicklung der Benetzung vorne im Laufe der Zeit erhalten durch diese Methode steht im Einklang mit den Beobachtungen aus einer Bodenfeuchtesensor, die in einer Tiefe unter 20 cm platziert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen die Möglichkeit solche Arrays GPR System, einen Untergrund dynamischen Prozess wie Infiltration präzise und quantitativ Wasser zu überwachen.
Verständnis Masse und Energie Transportprozesse in der ungesättigten Zone sind wichtig für viele Anwendungen in der Agrar- und Umweltpolitik Disziplinen. Zwischen diesen Prozessen variabel gesättigte Wasser-Strömung ist der wesentliche Prozess als viele andere Prozesse, wie physikalische, geochemische, biologische und auch mechanische Prozesse, sind in der Regel mit Wasser verbunden. Neuentwicklungen in der geophysikalischen Techniken ermöglichten eine hydrologische Prozesse in der ungesättigten Zone nicht-invasiv zu überwachen. Unter vielen geophysikalischer Techniken ist Ground penetrating Radar (GPR) eines der am weitesten verbreiteten Verfahren zu überwachen und zu Boden Wasserdynamik zu charakterisieren, da die Ausbreitung von elektromagnetischen (EM) Wellen abgestrahlt und von GPR-Antennen empfangen wird gekennzeichnet durch Boden Feuchtigkeit Inhalt1,2,3,4. Unter den verfügbaren Systemen ist Bodenoberfläche GPR (Oberfläche GPR in den Rest des Manuskripts genannt) die häufigste, in einem Feld zu verwenden. Traditionelle GPR Oberflächensysteme mit einem Sender und einem Empfänger (bistatischen Radarsysteme) werden häufig verwendet, um den Untergrund mit einer Konstanten Sender-Empfänger-Trennung (Versatz) zu scannen. In dieser Konfiguration erfassten Datensätze sind auch bekannt als gemeinsame Versatz (COG) sammelt. Radar-Daten werden als Zeitreihen basierend auf gesamte Fahrzeit zwischen Sender, eventuelle Reflektoren und zurück zum Empfänger angezeigt. Um die Fahrzeit konvertieren Tiefeninformationen, EM Wellengeschwindigkeit im Untergrund muss geschätzt werden. Beispielsweise kann dies durch die Analyse von Multi-offset Gather (MOG) Datensätze5erfolgen.
Zwar gab es eine Reihe von Studien, die Überwachung von unterirdischen Versickerung Prozesse6,7,8,9mit GPR, bestimmt keiner von ihnen direkt die Position des vorderen Benetzung oder die EM-Welle Geschwindigkeitsstruktur, die mit der Zeit während Infiltration verändert. Das gemeinsame Vorgehen soll Objekte begraben in bekannten tiefen als Referenz Reflektoren durchschnittliche EM Wellengeschwindigkeit bestimmen und Benetzung der vorderen Tiefe zu verwenden. Da die Benetzung Front während Infiltration dynamisch ändert, muss Zeitraffer MOG in kurzen Zeitabständen auf Änderungen in der EM-Wellen-Geschwindigkeit-Struktur zu nutzen, ohne Verwendung von Referenzobjekten gesammelt werden. Mit gemeinsamen bistatischen Oberfläche GPR-Antennen ist die Sammlung von Zeitraffer MOG in kurzen Abständen untereinander erschweren oder unmöglich machen, wie es erfordert, Antennen, um die verschiedenen Offset Konfigurationen einrichten manuell bewegen. Vor kurzem, eine Familie von Antennengruppe GPR (bezeichnet als Array GPR nachstehend) ausgiebig wurde zur Untergrund schnell und exakt10Bild. Das Grundkonzept des Arrays ist GPR die dichten Schwaden mit minimalem Aufwand durch elektronisch Schalten mehrerer Antennen in einem einzigen Rahmen montiert. Array-GPR-Systeme wurden vor allem zur Untergrund 3D-Bilder von weiten Bereichen schnell zu erzeugen. Einige Beispiele für typische Anwendungen für diese Systeme sind Straßen- und Brückenbau Inspektion11, archäologische Prospektion12 und Blindgänger und Landmine Detection13,14. Für solche Zwecke dient das Array GPR vor allem Scannen Sie den Untergrund mit einer Konstanten Antenne Trennung Konfiguration, COG zu sammeln. Obwohl nachgewiesen wurde, dass MOG mit einer Reihe gesammelt, die GPR für Geschwindigkeit Schätzung15verwendet werden könnten, wurde die praktische Anwendung dieser Methodik auf wenige Fälle beschränkt. Durch die Platzierung der Antenne-Array an einem festen Standort, kann Zeit verstrichen MOG leicht gesammelt werden. Wie in unserer jüngsten Publikation16, Schildern, Zeitraffer radargramme gesammelt mit dem Array GPR System ziemlich eindeutig Reflexion Signale von vorne Benetzung wie es langsam nach unten während eines Experimentes vertikale Infiltration bewegt sich auf einer Sanddüne durchgeführt. Das Hauptziel des Papiers war wie das GPR-Array verwenden, um Zeitraffer MOG während der Infiltration Test sammeln und Analysieren dieser Daten für die Verfolgung von der Tiefe der Benetzung Front zu demonstrieren.
In dieser Studie verwendeten wir eine Antennengruppe bestehend aus 10 übertragen (Tx0 – Tx9) und 11 (Rx0 – Rx10) empfangen Fliege Monopole Antennen. Die Verschiebung der Antennenelemente im Array ist in Abbildung 1 dargestellt (siehe Tabelle der Materialien). Die Antennenstation erfolgt durch eine Schrittfrequenz kontinuierliche Wellenform (SFCW) Radareinheit über den Frequenzbereich von 100 MHz auf 3.000 MHz in Betrieb. Die Array-GPR-Schalter durch eine Benutzer-definierte Abfolge von Rx-Tx-Paare mit Radiofrequenz (RF) Multiplexer in die Antenne Array10. Die maximale Anzahl von Tx-Rx-Kombinationen für dieses System ist 110. Für dieses Experiment konfiguriert wir das Array GPR, verwenden alle 110 Kombinationen, die Scan-Sequenz programmieren, so dass jeder Sender aus Tx0, Tx9, nacheinander mit allen 11 Empfänger von Rx0 Rx10 gepaart war. Die notwendige Zeit, um einen Scan durch alle 110 Kombinationen durchführen ist weniger als 1,5 Sekunden. Der Abstand zwischen Sender und Empfänger wurde basierend auf den Abstand zwischen den feed der Antennenelemente berechnet wo der vertikale Versatz 85 mm ist, wie in Abbildung 1dargestellt.
In dieser Studie Array Ground penetrating Radar (GPR) verwendet wurde, um die Tiefe der Benetzung Front während eines Experiments Infiltration zu verfolgen in einem Experimentierfeld in der Nähe von Tottori Sanddüne, Japan durchgeführt. Das Array in dieser Studie verwendeten GPR-System besteht aus 10 Sendeantennen (Tx) und 11 Empfangsantennen (Rx). Das System kann so konfiguriert werden, bis zu 110 verschiedene Tx-Rx-Kombinationen verwenden. Während des Experiments Infiltration wurden alle 110 Kombinationen kontinuierlich gescannt, in 1,5 Sekunden Abständen, verlassen das Array stationär an der Stelle, wo Wasser durch einige porösen Schläuche auf die entsprechende Fläche angewendet wurde. Gemeinsamen-Offset Gather (COG) und gemeinsame Mitte Punktdaten (CMP) wurden aus der Time-Lapse Data Cube rekonstruiert. Es wäre praktisch unmöglich, CMP-Daten mit der gleichen Rate mit konventionellen bistatischen GPR Systeme zu sammeln. Es ist sehr wichtig, die Antenne in der stationären Aufnahme während des Experiments zu verlassen, um reproduzierbare und aussagekräftige Zeitraffer-Daten zu erhalten.
Obwohl GPR Arraydaten verwendet wurden, um EM Welle Geschwindigkeiten15schätzen, gibt es nur wenige Studien, die analysiert Zeitraffer Arraydaten GPR um EM Welle Geschwindigkeiten zu schätzen, für transiente Prozesse wie Eindringen Wasser. In dieser Studie wurde die elektromagnetischen (EM) Geschwindigkeit Wellenstruktur aus den Zeitraffer CMP-Daten geschätzt. Anstelle von Schein-Analyse durchführen, wurde die Hyperbel Kurve für die zwei-Wege-Fahrzeit heuristisch auf die reflektierten Signale in der CMP-radargramme um EM Welle die Durchschnittsgeschwindigkeit in der Benetzung Zone wegen geringen Signal-Rausch-schätzen ausgestattet (S / (N) Verhältnis in den Daten. Wenn das S/N-Verhältnis niedrig ist, kann nicht Schein Analyse verwendet werden, um eine zuverlässige Geschwindigkeit Spektrum zu erzeugen. Eine entsprechende Filtermethode müssten entwickelt werden, die Schein-Analyse-Methode bilanziert. Ein Stab-Typ Bodenfeuchtesensor wurde neben der GPR-Antenne zur Messung der Veränderungen in Bodenfeuchte während des Experiments Infiltration installiert; die Sensoren wurden in einer Tiefe von 10, 20, 30, 40 und 60 cm vertrieben und arbeitete selbständig.
Verwenden die geschätzte EM Wellengeschwindigkeit, war die Tiefe der Benetzung Front im 1-Minuten-Takt von der infiltrationsprozess berechnet. Die Entwicklung in der Zeit der geschätzten Benetzung Front stimmt gut mit den Beobachtungen von der Erde-Feuchte-Sensoren in Tiefen von 20 cm. Bei geringeren Tiefen zeigt die GPR-Schätzung der Benetzung vorne Tiefe eine Diskrepanz mit den Lesungen aus dem Boden Feuchte-Sensoren.
Insgesamt zeigt diese Studie, dass das Array GPR System verfolgen die Entwicklung der vorderen Tiefe Benetzung bei Eindringen von Wasser in den Boden, Datensammlung Zeitraffer gemeinsamen Mittelpunkt (CMP) kann. Da diese Art von Daten nicht leicht von konventionellen Oberfläche GPR vor gesammelt wurden, sind in dieser Studie gewonnenen Daten die allerersten, die tatsächlich zu zeigen, wie die Benetzung Front entwickelte sich im Laufe der Zeit im Untergrund. Zukünftige Arbeit untersuchen die Möglichkeit der Verwendung von Daten-Inversion, um die hydraulischen Parameter des Bodens aus den während dieses Experiment gewonnenen Daten zu schätzen.
Diese Studie wurde finanziell unterstützt von JSPS Beihilfe Scientific Research Program (Nr. 16 H 02580, 17 H 03885) und durch gemeinsame Forschung Programm von trockenen Land Research Center, Tottori Universität.
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