تتبع تسلل يجمع الجبهة العمق باستخدام الإزاحة المتعددة الوقت الفاصل بين جمع الصفيف هوائي رادار باطن الأرض
Summary
وهنا يقدم نظام رادار اختراق أرض (غرينلاند) يستند إلى مجموعة هوائي بالإضافة إلى الأرض، مكتظة بالسكان لرصد عملية دينامية لتسلل المياه الجوفية. صورة رادار الوقت الفاصل بين عملية تسلل يسمح بتقدير عمق الجبهة التبول وأثناء عملية تسلل.
Abstract
واستخدمت نظام رادار اختراق أرض (غرينلاند) يستند إلى مجموعة هوائي بالإضافة إلى الأرض، مكتظة بالسكان لجمع البيانات خلال تسلل تجربة أجريت في موقع اختبار القرب من “الكثبان الرملية توتوري”، اليابان. الصفيف هوائي المستخدمة في هذه الدراسة تتكون من هوائيات يحيل 10 (تكساس) و 11 تلقي هوائيات (Rx). لهذه التجربة، تم تكوين النظام لاستخدام جميع الأزواج Tx Rx الممكنة، الناتجة في إزاحة متعددة جمع (موج) تتألف من 110 Tx Rx تركيبات. ترك الصفيف ثابتة في موقف مباشرة فوق منطقة عمليات التسلل، وجمعت بيانات كل 1.5 ثانية باستخدام مشغل يستند إلى الوقت. مكعبات البيانات المشتركة-إزاحة جمع (COG) ونقطة الوسط المشترك (CMP) تم بناؤها من البيانات موج خلال مرحلة ما بعد المعالجة. وهناك دراسات قليلة أن الوقت الفاصل بين CMP البيانات المستخدمة لتقدير التغيرات في سرعة الانتشار. في هذه الدراسة، والكهرومغناطيسي سرعة الموجه (م) قدرت تجريبيا في فواصل زمنية دقيقة واحدة من البيانات CMP أعيد بناؤها من خلال المنحنى المناسب، واستخدام معادلة القطع الزائد. ثم انتقلنا إلى حساب عمق الجبهة التبول. الحصول على تطور الجبهة التبول على مر الزمن من خلال هذا الأسلوب يتسق مع الملاحظات من جهاز استشعار رطوبة تربة التي تم وضعها على عمق أقل من 20 سم. النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة إثبات قدرة هذه المجموعة نظام لائحة برلمان غرينلاند على رصد عملية دينامية باطن الأرض مثل المياه التسلل بدقة كما ونوعاً.
Introduction
فهم عمليات النقل الجماعي والطاقة في منطقة المياه الارتشاحية مهمان للعديد من التطبيقات في المجالات الزراعية والبيئية. بين تلك العمليات، وهي عملية أساسية كالعديد من العمليات الأخرى، مثل العمليات المادية والجيوكيميائية والبيولوجية والميكانيكية حتى تدفق المياه المشبعة مغايرة، تقترن عادة بتدفق المياه. وأتاحت التطورات الحديثة في التقنيات الجيوفيزيائية واحد لرصد العمليات الهيدرولوجية في منطقة المياه الارتشاحية غير إينفاسيفيلي. من بين العديد من التقنيات الجيوفيزيائية، الرادار اختراق الأرض (لائحة برلمان غرينلاند) أحد الأساليب الأكثر استخداماً لرصد وتوصيف التربة المياه حيوية نظراً لانتشار الموجات (م) الكهرومغناطيسية المنبعثة وتلقاها هوائيات لائحة برلمان غرينلاند وتتميز بتربة رطوبة محتوى1،2،،من34. بين النظم المتاحة، على أرض الواقع سطح لائحة برلمان غرينلاند (المشار إليها كسطح لائحة برلمان غرينلاند في ما تبقى المخطوطة) هو الأكثر شيوعاً للاستخدام في حقل. ويشيع استخدام أنظمة لائحة برلمان غرينلاند السطحية التقليدية مع واحد من جهاز الإرسال والاستقبال واحد (أنظمة رادار أمكن) لتفحص تحت السطح مع فصل رسم ثابت (الإزاحة). مجموعات البيانات التي تم جمعها في هذا التكوين، المعروف أيضا إزاحة مشترك يجمع (COG). يتم عرض البيانات الرادارية كالسلاسل الزمنية على أساس السفر مجموع الوقت بين جهاز الإرسال، في نهاية المطاف عاكسات والعودة إلى المتلقي. من أجل تحويل وقت السفر إلى عمق المعلومات، م موجه السرعة في الاحتياجات تحت السطحية التي يمكن تقدير. على سبيل المثال، يمكن أن يتم ذلك من خلال تحليل مجموعات البيانات جمع الإزاحة المتعددة (موج)5.
رغم أنه كانت هناك عدد من الدراسات باستخدام لائحة برلمان غرينلاند لمراقبة التسلل تحت السطح العمليات6،7،،من89، أيا منهم مباشرة تحدد موقع الجبهة ترطيب أو موجه EM هيكل السرعة التي تتغير مع مرور الوقت أثناء عمليات التسلل. نهج مشترك استخدام الكائنات المدفونة في أعماق المعروفة عاكسات مرجع لتحديد متوسط السرعة موجه EM وترطيب الجبهة العمق. منذ الجبهة ترطيب التغييرات بشكل حيوي أثناء عمليات التسلل، يجب جمع موج الوقت الفاصل في فترات زمنية قصيرة استغلال التغييرات في هيكل سرعة موجه م دون استخدام كائنات مرجعية. مع المشتركة أمكن السطحية لائحة برلمان غرينلاند الهوائيات، جمع موج الوقت الفاصل بين فترات قصيرة بين بعضها البعض أمرا صعباً أو مستحيلاً كما أنه يتطلب يدوياً نقل هوائيات لإعداد تكوينات مختلفة الإزاحة. في الآونة الأخيرة، عائلة من هوائي طائفة لائحة برلمان غرينلاند (المشار إليها كطائفة لائحة برلمان غرينلاند أدناه) قد استخدمت على نطاق واسع صورة سريعة تحت السطح، ودقة10. المفهوم الأساسي للمصفوفة لائحة برلمان غرينلاند لتوفير مساحات كثيفة مع الحد أدنى من جهد عن طريق التحول إلكترونيا هوائيات متعددة في إطار واحد. استخدمت طائفة لائحة برلمان غرينلاند نظم أساسا لتوليد الصور تحت السطحية ثلاثية الأبعاد لمناطق واسعة بسرعة. بعض الأمثلة عن التطبيقات العملية لهذه النظم هي شركة الطرق والجسور التفتيش11، والتنقيب الأثرية12 والمتفجرات من مخلفات الحرب والألغام الأرضية13،الكشف عن14. لمثل هذه الأغراض، الصفيف لائحة برلمان غرينلاند يستخدم أساسا لمسح تحت السطح مع تكوين فصل هوائي ثابت لجمع لعب دوراً مهما. على الرغم من أن قد ثبت أن موج المجمعة مع صفيف يمكن استخدامها ل تقدير سرعة15لائحة برلمان غرينلاند، التطبيق العملي لهذه المنهجية قد تقتصر على عدد قليل من الحالات. بوضع مصفوفة الهوائي في مكان ثابت، ويمكن بسهولة جمع موج الوقت المنقضي. كما هو موضح في أعمالنا المنشور مؤخرا16، الوقت الفاصل بين رادارجرامس التي تم جمعها مع الصفيف نظام لائحة برلمان غرينلاند تصوير بدلاً من وضوح إشارات انعكاس من الجبهة التبول وهو يتحرك نزولا تدريجيا خلال تجربة تسلل العمودي أجريت على كثبان الرملية. وكان الهدف الرئيسي من هذه الورقة لإظهار كيفية استخدام الصفيف لائحة برلمان غرينلاند لجمع موج الوقت الفاصل بين أثناء اختبار عمليات التسلل وكيفية تحليل هذه البيانات لتتبع عمق الجبهة التبول.
في هذه الدراسة، استخدمنا صفيف هوائي يتألف من 10 تحيل (Tx0-Tx9) و 11 تلقي (Rx0-Rx10) العنق monopole الهوائيات. تشريد عناصر الهوائي داخل الصفيف ويرد في الشكل 1 (انظر الجدول للمواد). ويسيطر وحدة رادار الموجي خطوة التردد مستمر (سفكو) تعمل على نطاق الترددات من 100 ميجاهرتز إلى ميغاهرتز 3,000 الصفيف الهوائي. الصفيف تبديل لائحة برلمان غرينلاند من خلال تسلسل المعرفة من قبل المستخدم من أزواج Rx-Tx باستخدام أجهزة تردد الراديو (RF) في صفيف الهوائي10. الحد الأقصى لعدد التوافيق Tx Rx لهذا النظام خاصة هو 110. لهذه التجربة، يمكننا تكوين الصفيف لائحة برلمان غرينلاند لاستخدام كافة تركيبات 110، برمجة تسلسل المسح الضوئي حيث أن كل جهاز الإرسال، من Tx0 إلى Tx9، كان يقترن التتابع في جميع أجهزة الاستقبال 11 من Rx0 إلى Rx10. الوقت اللازم لإجراء فحص عبر كافة تركيبات 110 أقل من 1.5 ثانية. وكان حساب الإزاحة بين المرسل والمتلقي استناداً إلى المسافة بين النقاط التي تغذية من عناصر الهوائي، حيث الإزاحة العمودية 85 ملم كما هو مبين في الشكل 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، أجرت الأرض الصفيف الرادار اختراق (لائحة برلمان غرينلاند) استخدمت لتتبع عمق الجبهة التبول أثناء تجربة تسلل في حقل تجريبي القرب من “الكثبان الرملية توتوري”، اليابان. الصفيف نظام لائحة برلمان غرينلاند المستخدمة في هذه الدراسة تتكون من هوائيات يحيل 10 (تكساس) و 11 تلقي هوائيات (Rx). يمكن تكوين النظام لاستخدام ما يصل إلى 110 مجموعات Tx Rx مختلفة. خلال التجربة بالتسلل، كانت تفحص كافة تركيبات 110 بشكل مستمر على فترات 1.5 ثانية، تاركاً الصفيف ثابتة في الموقع حيث تم تطبيق المياه عن طريق بعض الأنابيب المسامية على السطح. أعيد جمع مشتركة الأوفست (COG) وبيانات نقطة منتصف المشتركة (CMP) من الوقت الفاصل بين بيانات المكعب. أنه سيكون من المستحيل عمليا جمع البيانات CMP بنفس المعدل مع نظم لائحة برلمان غرينلاند أمكن التقليدية. من المهم جداً لمغادرة الهوائي في تسجيل ثابتة خلال التجربة بغية الحصول على بيانات الوقت الفاصل بين استنساخه وذات مغزى.
على الرغم من أن صفيف بيانات لائحة برلمان غرينلاند قد استخدمت في تقدير سرعات موجه م15، هناك فقط عدد قليل من الدراسات أن تحليل بيانات الصفيف الوقت الفاصل بين لائحة برلمان غرينلاند لتقدير سرعات م الموجه لعمليات عابرة مثل الماء تسلل. في هذه الدراسة، قدرت الكهرومغناطيسي هيكل سرعة الموجه (م) من البيانات CMP الوقت الفاصل بين. بدلاً من القيام بتحليل مظاهر، كانت مزودة منحنى القطع الزائد لوقت السفر اتجاهين تجريبيا للإشارات التي تنعكس في رادارجرامس CMP بغية تقدير متوسط سرعة موجه م في منطقة التبول بسبب انخفاض إشارة إلى الضوضاء (S/ N) نسبة في البيانات. في حالة انخفاض نسبة S/N، لا يمكن استخدام تحليل مظاهر لتوليد طيف سرعة يمكن الاعتماد عليها. أسلوب تصفية مناسبة ستحتاج لاستخدام أسلوب تحليل مظاهر. تم تركيب جهاز استشعار رطوبة تربة من نوع رود جوار الهوائي لائحة برلمان غرينلاند لقياس التغيرات في محتوى الرطوبة في التربة خلال التجربة التسلل؛ أجهزة الاستشعار المشردين في الأعماق من 10، 20، 30 و 40 و 60 سم وعملت بشكل مستقل.
استخدام سرعة موجه EM المقدرة، تم حساب عمق الجبهة التبول في فواصل زمنية 1 دقيقة لعملية تسلل. التطور في الوقت المناسب للجبهة ترطيب المقدرة تتفق تماما مع الملاحظات من أجهزة الاستشعار رطوبة التربة على أعماق أدناه 20 سم. على أعماق أقل عمقاً، يظهر التقدير لائحة برلمان غرينلاند إلى عمق الجبهة ترطيب تناقض مع القراءات من أجهزة الاستشعار رطوبة التربة.
وعموما، توضح هذه الدراسة أن الصفيف نظام لائحة برلمان غرينلاند قادر على تتبع تطور عمق الجبهة التبول خلال تسرب المياه في التربة، عن طريق جمع الوقت الفاصل بين البيانات (CMP) الشائعة في نقطة الوسط. كما لا كان جمع هذا النوع من البيانات بسهولة من لائحة برلمان غرينلاند السطحية التقليدية قبل، البيانات التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة هي الأولى التي فعلا تظهر كيف تطورت الجبهة التبول على مر الزمن في باطن الأرض. العمل في المستقبل سوف تستكشف إمكانية استخدام البيانات انعكاس لتقدير المعلمات الهيدروليكية للتربة من البيانات التي تم الحصول عليها من خلال هذه التجربة.
Acknowledgements
تم دعم هذه الدراسة ماليا من JSPS معونات برنامج البحث العلمي (رقم 16 ح 02580، ح 17 03885) والمشترك البحث البرنامج من المناطق القاحلة مركز بحوث الأراضي، جامعة توتوري.
Materials
| GeoScope Radar Unit | 3D Radar AS | ||
| DXG1820 antenna | 3D Radar AS | ||
| PR2/6 Profile Probe | Delta-T |
References
- Huisman, J., Hubbard, S., Redman, J. D., Annan, P. Measuring soil water content with ground penetrating radar: A review. Vadose Zone Journal. 2 (4), 476-491 (2003).
- Lambot, S., Weihermüller, L., Huisman, J., Vereecken, H., Vanclooster, M., Slob, E. C. Analysis of air-launched ground-penetrating radar techniques to measure the soil surface water content. Water Resources Research. 42, 1-12 (2006).
- Binley, A., Hubbard, S., Huisman, J., Revil, A., Robinson, D., Singha, K., Slater, L. The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales. Water Resources Research. 51, 3837-3866 (2015).
- Vereecken, H., Huisman, J., Hendricks, F. H., Bruggemann, N., Bogena, H., Kollet, S., Javaux, M., Van Der Kruk, J., Vanderborght, J. Soil hydrology: Recent methodological advances, challenges, and perspectives. Water Resources Research. 51, 2616-2633 (2015).
- Forte, E., Pipan, M. Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis. Signal Processing. 132, 1-11 (2017).
- Vellidis, G., Smith, M. S., Thomas, D. L., Asmussen, L. E. Detecting wetting front movement in a sandy soil with ground-penetrating radar. Transactions of the ASAE. 33 (6), 1867-1874 (1990).
- Trinks, I., Wachsmuth, D., Stumpel, H. Monitoring water flow in the unsaturated zone using georadar. First Break. 19, 679-684 (2001).
- Saintenoy, A., Schneider, S., Tucholka, P. Evaluating Ground Penetrating Radar Use for Water Infiltration Monitoring. Vadose Zone Journal. 7 (1), 208-214 (2008).
- Léger, E., Saintenoy, A., Coquet, Y. Hydrodynamic parameters of a sandy soil determined by ground-penetrating radar inside a single ring infiltrometer. Water Resources Research. 50 (7), 5459-5474 (2014).
- Eide, E., Valand, P. A., Sala, J. Ground-coupled antenna array for step-frequency GPR. Proceedings of 15th International Conference on Ground Penetrating Radar. , 785-790 (2014).
- Eide, E., Hjelmstad, J. F. 3D utility mapping using electronically scanned antenna array, Proceedings of GPR 2002. Proceedings of Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar. , 192-196 (2002).
- Linford, N., Linford, P., Martin, L., Payne, A. Stepped frequency ground penetrating radar survey with a multi-element array antenna: Results from field application on archaeological sites. Archaeological Prospection. 17, 187-198 (2010).
- Eide, E., Hjelmstad, J. F. UXO and landmine detection using 3-dimensional ground penetrating radar system in a network centric environment. Proceedings of ISTMP 2004. , (2004).
- Sato, M., Hamada, Y., Feng, X., Kong, F. N., Zeng, Z., Fang, G. GPR using an array antenna for landmine detection. Near Surface Geophysics. 2 (1), 7-13 (2004).
- Yi, L., Takahashi, K., Sato, M. Estimation of vertical velocity profile by multistatic GPR Yakumo. Proceedings of 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). , 1060-1063 (2015).
- Iwasaki, T., Kuroda, S., Saito, H., Tobe, Y., Suzuki, K., Fujimaki, H., Inoue, M. Monitoring infiltration process seamlessly using array ground penetrating radar. Agricultural and Environmental Letters. 1, 160002 (2016).
- Booth, A. D., Clark, R., Murray, T. Semblance response to a ground-penetrating radar wavelet and resulting errors in velocity analysis. Near Surface Geophysics. 8 (3), 235-246 (2010).
- Saintenoy, A., Hopmans, J. W. Ground Penetrating Radar: Water Table Detection Sensitivity to Soil Water Retention Properties. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 4 (4), 748-753 (2011).
