Name: tracking infiltration front depth using time-lapse multi-offset gathers collected with array antenna ground penetrating radar
Uploaded: 2018-05-01T13:00:00
Duration: 7 min 14 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar at JoVE.com

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.

Hovedformålet med denne undersøgelse var at bruge en array GPR system til at visualisere undergrunden dynamiske processer, såsom vand infiltration, det er også vigtigt at beskrive, hvordan infiltration testen blev gennemført.
1. Infiltration felttest
<ol><li>Vælg et websted med en nøgne overflade for infiltration test. Bemærk: For denne undersøgelse, blev infiltration test gennemført i et stort drivhus anlæg af det tørre jord forskning Center af Tottori Universitet, Japan. Se de seneste offentliggørelse for flere detaljer16.</li>
	<li>Position på overfladen seks 2,5-m lange porøse rør parallelt i en afstand af 15-cm mellem hinanden, for at sikre ensartet infiltration (figur 2).</li>
	<li>Tilslut en ende af rør til en ventil reguleret indløb, som er tilsluttet en vandreservoir eller en hane, og anden enden til en stikkontakt for at fjerne overskydende vand.</li>
	<li>Placer en tynd 910 x 1802 mm2 træ bedømmelseskomite (lidt større end radaren), for at dække de porøse rør.</li>
	<li>Kontrollere effekten af træ-panel på radar signal forud for infiltration testen.</li>
	<li>Installere jord fugt sensorer lige ved siden af træplader til at overvåge ændringer i Jordens vandindhold på forskellige dybder. Bemærk: Formålet med disse følere er at give referencedata anvendes til at krydstjekke resultaterne fra analysen af GPR data. I denne undersøgelse, blev en rod-type jord fugt sensor (Se Tabel af materialer) installeret ved siden af antennen for at overvåge jordbunden dielektricitetskonstant på 10, 20, 30, 40, 60 og 100 cm dybde.</li>
</ol>2. GPR måling
<ol><li>Placer array GPR antenne på panelet træ. Bemærk: I denne undersøgelse, var antennen forlod stationære at sikre konsistens i de registrerede signaler.</li>
	<li>Tilslut antennen til controlleren bruger koaksiale kabler.</li>
	<li>Slut controlleren til en bærbar PC med et Ethernet-kabel.</li>
	<li>Beslutte antenne-kombinationer og deres rækkefølge for at sikre både fælles forskydning samles (COG) og multi offset samles (MOG) er indsamlet problemfrit. Bemærk: I denne undersøgelse var alle de mulige kombinationer for matrixen GPR vi har til rådighed brugte (110). Det tog mindre end 1,5 s til at udføre en fuld scanning gennem alle kombinationer.</li>
	<li>Starte optagelse af GPR data ved hjælp af data collection software. Bemærk: Det er vigtigt at starte dataopsamling, før vandet sprøjtes ind i de porøse rør.</li>
	<li>Åbne ventilen for at anvende vand (dvs.begynde processen med infiltration). Bemærk: Vand injektion sats i undergrunden kan bestemmes ud fra de hydrauliske egenskaber (f.eks. hydraulisk ledningsevne) mål jord. Strømningshastigheden anvendes i denne undersøgelse var 7.000 cm3/min, som var mindre end den mættede hydrauliske ledningsevne af dune sand.</li>
	<li>Efter et forudbestemt antal vand sprøjtes, lukke ventilen. Bemærk: Vand blev injiceret konstant for 4 h, og ialt 1,680 L vand blev brugt til testen.</li>
	<li>Holde scanning med array GPR for en yderligere periode, for at overvåge omfordeling processen for yderligere analyse. Bemærk: Matrixen GPR har været holdt indsamling af data til 4 h efter at ventilen var blevet lukket. Disse data er dog ikke blevet analyseret for studiet præsenteres her.</li>
</ol>3. dataanalyse for hastighed estimering
<ol><li>Rekonstruere COG og CMP data ved at udtrække de relative Tx-Rx kombinationer fra overordnede datakuben. Dette blev opnået gennem nogle brugerdefinerede kode udviklet af forfatterne, som omarrangeret radar profiler for at gruppere Tx-Rx par på identiske offset (COG) og dem med de samme midtpunktet (CMP). Bemærk: Fordi en SFCW GPR enhed blev brugt til denne undersøgelse, er de rå data i frekvens domæne; handlingen af frekvens til tid konvertering blev udført ved hjælp af softwaren, der leveres af producenten af GPR system.</li>
	<li>Skøn den optimale EM bølge hastighed i befugtning zone på en given forløbne tid ved at montere den beregnede tovejs rejsetid, tc, EM bølge afspejles infiltration foran de observerede signaler. Hastighed med den bedste kurve passer blev fastsat heuristisk. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56847/56847eq1.jpg">(1) hvor d0 er dybde til punktet, refleksion, x er afstanden mellem Tx og Rx, vRasmussen er root-mean-square hastighed til refleksion fly og t0 er to-vejs rejsetid på nul kompensationskøb bestemmes ud fra CMP radargram. Bemærk: Den mest almindelige hastighed estimering metode ved hjælp af MOG er antydning analyse5,15,17. I antydning analyse plukkes kvadratiske velocity ved hjælp af en hastighed spektrum. Antydning analyse blev ikke brugt for hastighed estimering i denne undersøgelse, fordi lavt signal / støj forholdet observeret i matrixen GPR data ikke tillade os at udvikle en pålidelig velocity spektrum. At finde en passende filtrering metode til at generere en pålidelig velocity spektrum fra disse data undersøges i andre igangværende forskning. For rammerne af denne undersøgelse, blev kurven montering metode brugt til at passe Eq (1) til CMP radargrams.</li>
	<li>Brug af Eq. (1), beregne befugtning forreste dybde d0 på en given forløbne tid ved hjælp af den anslåede EM hastighed vr. Bemærk: For denne del af dataanalyse, blev COG datasæt anvendt på en offset x svarende til 113 mm.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Huisman, J., Hubbard, S., Redman, J. D., Annan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+soil+water+content+with+ground+penetrating+radar:+A+review.">Measuring soil water content with ground penetrating radar: A review.</a> Vadose Zone Journal. 2 (4), 476-491 (2003).</li><li>Lambot, S., Weiherm&#252;ller, L., Huisman, J., Vereecken, H., Vanclooster, M., Slob, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+air-launched+ground-penetrating+radar+techniques+to+measure+the+soil+surface+water+content.">Analysis of air-launched ground-penetrating radar techniques to measure the soil surface water content.</a> Water Resources Research. 42, 1-12 (2006).</li><li>Binley, A., Hubbard, S., Huisman, J., Revil, A., Robinson, D., Singha, K., Slater, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+hydrogeophysics+for+improved+understanding+of+subsurface+processes+over+multiple+scales.">The emergence of hydrogeophysics for improved understanding of subsurface processes over multiple scales.</a> Water Resources Research. 51, 3837-3866 (2015).</li><li>Vereecken, H., Huisman, J., Hendricks, F. H., Bruggemann, N., Bogena, H., Kollet, S., Javaux, M., Van Der Kruk, J., Vanderborght, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soil+hydrology:+Recent+methodological+advances,+challenges,+and+perspectives.">Soil hydrology: Recent methodological advances, challenges, and perspectives.</a> Water Resources Research. 51, 2616-2633 (2015).</li><li>Forte, E., Pipan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+multi-offset+GPR+applications:+Data+acquisition,+processing+and+analysis.">Review of multi-offset GPR applications: Data acquisition, processing and analysis.</a> Signal Processing. 132, 1-11 (2017).</li><li>Vellidis, G., Smith, M. S., Thomas, D. L., Asmussen, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+wetting+front+movement+in+a+sandy+soil+with+ground-penetrating+radar.">Detecting wetting front movement in a sandy soil with ground-penetrating radar.</a> Transactions of the ASAE. 33 (6), 1867-1874 (1990).</li><li>Trinks, I., Wachsmuth, D., Stumpel, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+water+flow+in+the+unsaturated+zone+using+georadar.">Monitoring water flow in the unsaturated zone using georadar.</a> First Break. 19, 679-684 (2001).</li><li>Saintenoy, A., Schneider, S., Tucholka, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluating+Ground+Penetrating+Radar+Use+for+Water+Infiltration+Monitoring.">Evaluating Ground Penetrating Radar Use for Water Infiltration Monitoring.</a> Vadose Zone Journal. 7 (1), 208-214 (2008).</li><li>L&#233;ger, E., Saintenoy, A., Coquet, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+parameters+of+a+sandy+soil+determined+by+ground-penetrating+radar+inside+a+single+ring+infiltrometer.">Hydrodynamic parameters of a sandy soil determined by ground-penetrating radar inside a single ring infiltrometer.</a> Water Resources Research. 50 (7), 5459-5474 (2014).</li><li>Eide, E., Valand, P. A., Sala, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ground-coupled+antenna+array+for+step-frequency+GPR.">Ground-coupled antenna array for step-frequency GPR.</a> Proceedings of 15th International Conference on Ground Penetrating Radar. , 785-790 (2014).</li><li>Eide, E., Hjelmstad, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+utility+mapping+using+electronically+scanned+antenna+array,+Proceedings+of+GPR+2002.">3D utility mapping using electronically scanned antenna array, Proceedings of GPR 2002.</a> Proceedings of Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar. , 192-196 (2002).</li><li>Linford, N., Linford, P., Martin, L., Payne, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stepped+frequency+ground+penetrating+radar+survey+with+a+multi-element+array+antenna:+Results+from+field+application+on+archaeological+sites.">Stepped frequency ground penetrating radar survey with a multi-element array antenna: Results from field application on archaeological sites.</a> Archaeological Prospection. 17, 187-198 (2010).</li><li>Eide, E., Hjelmstad, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=UXO+and+landmine+detection+using+3-dimensional+ground+penetrating+radar+system+in+a+network+centric+environment.">UXO and landmine detection using 3-dimensional ground penetrating radar system in a network centric environment.</a> Proceedings of ISTMP 2004. , (2004).</li><li>Sato, M., Hamada, Y., Feng, X., Kong, F. N., Zeng, Z., Fang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=GPR+using+an+array+antenna+for+landmine+detection.">GPR using an array antenna for landmine detection.</a> Near Surface Geophysics. 2 (1), 7-13 (2004).</li><li>Yi, L., Takahashi, K., Sato, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+vertical+velocity+profile+by+multistatic+GPR+Yakumo.">Estimation of vertical velocity profile by multistatic GPR Yakumo.</a> Proceedings of 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). , 1060-1063 (2015).</li><li>Iwasaki, T., Kuroda, S., Saito, H., Tobe, Y., Suzuki, K., Fujimaki, H., Inoue, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+infiltration+process+seamlessly+using+array+ground+penetrating+radar.">Monitoring infiltration process seamlessly using array ground penetrating radar.</a> Agricultural and Environmental Letters. 1, 160002 (2016).</li><li>Booth, A. D., Clark, R., Murray, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semblance+response+to+a+ground-penetrating+radar+wavelet+and+resulting+errors+in+velocity+analysis.">Semblance response to a ground-penetrating radar wavelet and resulting errors in velocity analysis.</a> Near Surface Geophysics. 8 (3), 235-246 (2010).</li><li>Saintenoy, A., Hopmans, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ground+Penetrating+Radar:+Water+Table+Detection+Sensitivity+to+Soil+Water+Retention+Properties.">Ground Penetrating Radar: Water Table Detection Sensitivity to Soil Water Retention Properties.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 4 (4), 748-753 (2011).</li></ol>

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.

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:572px;" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">GeoScope Radar Unit</td>
			<td style="width:71px;">3D Radar AS</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">DXG1820 antenna</td>
			<td style="width:71px;">3D Radar AS</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PR2/6 Profile Probe&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Delta-T</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

tracking infiltration front depth using time-lapse multi-offset gathers collected with array antenna ground penetrating radar

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.

Figur 3 viser en time-lapse panel diagram over 110 Tx-Rx kombinationer erhvervet hver 1,5 s under de første 60 min af infiltration eksperimentet, efter at konvertere data fra frekvens til tid domæne. For at øge refleksioner på dybde, var en bandpass filter anvendt efterfulgt af gevinst kompensation. Panelet diagram kan opdeles i 10 afsnit, hvert afsnit, svarende til en bestemt Tx. Placeringen af Tx er angivet med en hvid trekant, og hver skive svarer til en time-lapse signal registreres for en Rx. Den lodrette akse viser to-vejs rejsetid eller TWT, dvs. tid nødvendigt for EM bølge til at rejse fra senderen, til eventuel reflektoren og tilbage til modtageren. Profilerne vises signal amplitude i en gråtoner farve kort. En stor kontrast i farve angiver høj amplitude signalet fra registrerede radar. EM bølge refleksioner er produceret på grænsefladen mellem lag på forskellige dielektricitetskonstant eller af objekter med forskellige elektriske egenskaber end det omgivende medium; en høj dielektrisk kontrast vil afgøre en høj amplitude refleksion. Under vand infiltration proces, der er en zone omtales som den overgangszone, hvor vandindholdet gradvist øges fra kanten af zonen befugtning, thats hvor vand trænger ind i første omgang tør jord. EM bølge er sandsynligvis afspejles ikke på kanten, men inden for overgangszonen som observeret i undersøgelser af vandspejlet påvisning18. I den resterende del af håndskriftet omtales denne refleksion område som befugtning front. I figur 3, en høj amplitude signal vises og flytter støt nedad som tid fremskridt under eksperimentet. Denne refleksion er faktisk produceret af befugtning front da vandet trænger gradvist nedad i i undergrunden. Fra dette diagram, kan tandhjul og CMP rekonstrueres som vist i figur 2 i Iwasaki et al. 16
Velocity analyse blev udført på CMP oplysninger indhentet hver 1 min. For hvert sæt af CMP data, var tovejs rejsetiden givet af Eq. (1) udstyret til refleksion fra befugtning front ved at justere t0 og vRasmussen, under forudsætning af et ensartet lag i den våde zone. Tid nul blev korrigeret ved at montere luft bølge med hastigheden af 0,3 m/ns. Figur 4 viser CMP data med 5 min. mellemrum fra forløbet tid te = 5 min til te = 50 min. sammen med Best-fit kurver vises som hvide linjer (ubrudte linjer for den reflekterede bølge) og stiplede linje for luft bølge. Da luften bølge ikke er en reflekteret bølge, men direkte signalet mellem senderen og modtageren, stiger rejsetiden lineært med forskydningen. Alle kurver var monteret til de positive toppe (i hvid farve) af de reflekterede bølger. Alle kurver udstyret godt til de observerede reflekterede kurver vist i CMP radargrams på alle kompensationer, hvilket betyder at de estimerede værdier for t0 og vr er god. For infiltration eksperiment, blev et tørt træ panel placeret mellem antennen og de porøse rør. Fordi panelet har en meget lavere dielektrisk konstant end for våd jord, kan dens virkninger på EM bølgeudbredelse være ikke ubetydelige, selv om det er tynd. En to-lags model blev derefter anset for ud over den ovennævnte ensartede lag model, antager en værdi af 3 for dielektricitetskonstant på de øverste 5 cm. Også for denne anden model, blev EM bølge hastighed vr anslået kurve montering på refleksion produceret af befugtning front.
I Figur 5, anslået befugtning front dybder afbildes som funktion af te for både enkelt- og to-lags modeller. Det kan blive værdsat, befugtning fronten bevæger sig nedad næsten lineært med tid til begge modeller, med undtagelse af en afmatning mellem te = 10 min og te = 20 min. forskelle mellem to modeller er i første omgang ikke væsentlig, men som tiden standardtimeouttiden er udløbet estimatet for den ensartede model flytter lidt hurtigere i forhold til to-lags-modellen. I figur 5, der diamond symboler bruges til at markere gange når aflæsninger fra fugt sensorer begyndte at stige, og når de blev senere konstant; disse er forbundet med en streg for hver sensor dybde. Som nævnt ovenfor, forekommer refleksion af EM bølge ikke nødvendigvis på kanten af den våde zone; med andre ord, i betragtning af en vis dybde, kan ikke man forvente denne refleksion at matchende punktet i tid når aflæsninger fra en sensor begynder at stige. I denne forstand er refleksion kan henføres til en dybde niveau infiltration foran hvor en visse vand mætning er nået, i forhold til området umiddelbart under. I betragtning af sensorer på 30, 40 og 60 cm i dybden, skøn over befugtning forreste dybde fra GPR data falder godt i rækken vist af de ubrudte linjer på tidslinjen. Tidspunktet Hvornår GPR anslået befugtning front ankom i 20 cm dybde svarer til det tidspunkt, hvor den pludselige stigning i sensoraflæsningen blev observeret, mens GPR skøn nåede dybde 10 cm langt hurtigere end hvad blev produceret af fugt sensor , selv om refleksion signalet fra befugtning front er tydeligt observeret efter te = 5 min (figur 4). Også, det har at blive nævnt at ekstrapolering af GPR anslået kurve ikke går gennem nulpunktet. Selvom det ikke klart, hvad der forårsagede denne uoverensstemmelse ved lavvandede dybder, kan der være et par mulige forklaringer. Det kan tilskrives heterogenitet i jordbundens egenskaber, eller det kan skyldes ikke-ensartethed i vand program. Hvis det forholder sig sådan, ville dette have en større effekt tidligere under infiltration proces end på et senere tidspunkt. En anden forklaring kunne være, at overfladeruhed påvirker bestemmelse af tiden nul. Ud over effekten af de træplader og porøse rør, bør effekten af overfladeruhed tages i betragtning.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig1.jpg"> Figur 1 : Skema af array jorden gennemtrængende radar antenne konfiguration anvendes i denne undersøgelse. V-formede strukturer er Butterfly monopole antenner. Der er 10 fremsendende antenner (Tx) og 11 modtager antenner (Rx) justeres vandret. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig2.jpg"> Figur 2: skemaer af infiltration eksperiment. (A) en ovenfra og (B) sideudsigt hvor array antenne var anbragt oven på seks 250 cm porøse rør på linje 15 cm fra hinanden. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig3.jpg"> Figur 3 : Time-lapse radargram opnået under de første 60 min af infiltration eksperiment. Data består af indspillede signaler for 110 antenne kombinationer. Ét udsnit svarer til time-lapse data indsamlet med en enkelt Tx-Rx kombination. En anden farve bruges til signal amplitude. Lodrette sorte streger særskilte data for hver Tx. White trekanter angive placeringen af Tx. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig3large.jpg" target="_blank">venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig4.jpg"> Figur 4 : Radargrams af CMP på te = 5 min til te = 55 min med 5 min. mellemrum. Hvid ubrudte linjer repræsenterer manuelt monteret tovejs rejsetiden tænkepausen forfra befugtning, mens de hvide stiplede linjer repræsenterer rejsetiden af luft bølge. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig5.jpg"> Figur 5 : Befugtning front dybder. Befugtning front dybder anslået fra array GPR i time-lapse multi offset samles som en funktion af den forløbne tid både uniform (trekanter) og to-lags (firkantet) modeller. Sorte streger med diamanter i begge ender vis tid mellem den indledende stigning i aflæsninger og hvornår disse nåede et konstant niveau for hver sensor dybde (dvs., varigheden af overgangszone). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar at JoVE.com

Tracking Infiltration Front Depth Using Time-lapse Multi-offset Gathers Collected with Array Antenna Ground Penetrating Radar

Sporing Infiltration forreste dybde ved hjælp af Time-lapse multi offset samler indsamlet med Array antenne jorden gennemtrængende Radar

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.

A Ground Penetrating Radar (GPR) system based on a ground-coupled, densely populated antenna array was used to collect data during an infiltration ...

Research

JoVE Journal

Environment

Tracking Microbial Contamination in Retail Environments Using Fluorescent Powder - A Retail Delicatessen Environment Example

Sporing mikrobiel forurening i Retail Miljøer med fluorescerende Powder - En Retail Delicatessen Environment Eksempel

Cross contamination of foodborne pathogens in the retail environment is a significant public health issue contributing to an increased risk for foodborne ...

EPA Method 1615. Measurement of Enterovirus and Norovirus Occurrence in Water by Culture and RT-qPCR. I. Collection of Virus Samples

EPA Method 1615. Måling af Enterovirus og norovirus Forekomst i vand efter kultur og RT-qPCR. I. Indsamling af virus prøver

EPA Method 1615 was developed with a goal of providing a standard method for measuring enteroviruses and noroviruses in environmental and drinking waters. ...

EPA Method 1615. Measurement of Enterovirus and Norovirus Occurrence in Water by Culture and RT-qPCR. Part III. Virus Detection by RT-qPCR

EPA Metode 1615. Måling af Enterovirus og Roskildesyge Forekomst i Water af Kultur og RT-qPCR. Del III. Virus Detection ved RT-qPCR

EPA Method 1615 measures enteroviruses and noroviruses present in environmental and drinking waters. This method was developed with the goal of having a ...

How to Create Conditioned Taste Aversion for Grazing Ground Covers in Woody Crops with Small Ruminants

Sådan oprettes Konditioneret Smag Aversion for Afgræsning bunddække i Woody Afgrøder med små drøvtyggere

Conditioned taste aversion (CTA) is a learning behavior process where animals are trained to reject certain feed after gastrointestinal discomfort has ...

Pretreatment of Lignocellulosic Biomass with Low-cost Ionic Liquids

Forbehandling af lignocellulose biomasse med Lavprisselskaber ioniske væsker

A number of ionic liquids (ILs) with economically attractive production costs have recently received growing interest as media for the delignification of ...

Integrating Remote Sensing with Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions Using the Software for Assisted Habitat Modeling (SAHM)

Integrating Remote Sensing with Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions Using the Software for Assisted Habitat Modeling SAHM

Integration Remote Sensing med artsfordeling Modeller; Kortlægning Tamarisk invasioner Brug af softwaren for Assisted Habitat Modeling (SAHM)

Early detection of invasive plant species is vital for the management of natural resources and protection of ecosystem processes. The use of satellite ...

Video Tracking Protocol to Screen Deterrent Chemistries for Honey Bees

Video Tracking Protocol til Screen Deterrent Chemistries for honningbier

The European honey bee, Apis mellifera L., is an economically and agriculturally important pollinator that generates billions of dollars annually. Honey ...

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Image-baseret Lagrangian Particle Tracking i Bed-load eksperimenter

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

Experimental System of Solar Adsorption Refrigeration with Concentrated Collector

Eksperimentel System af sol Adsorption køle med koncentreret Collector

To improve the performance of solar adsorption refrigeration, an experimental system with a solar concentration collector was set up and investigated. The ...

Characterization of Aquatic Biofilms with Flow Cytometry

Karakterisering af akvatiske biofilm med flowcytometri

Biofilms are dynamic consortia of microorganism that play a key role in freshwater ecosystems. By changing their community structure, biofilms respond ...