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

Deze studie werd financieel ondersteund door JSPS Grant-in-aid wetenschappelijke Research Program (nr. 16 H 02580, 17u 03885) en gezamenlijk onderzoek programma van Arid Land Research Center, Tottori Universiteit.

De belangrijkste doelstelling van deze studie was om een array GPR systeem gebruiken om te visualiseren ondergrond dynamische processen, zoals infiltratie van water, het is ook belangrijk om te beschrijven hoe de infiltratie test werd uitgevoerd.
1. veld infiltratie Test
<ol><li>Selecteer een site met een kale oppervlak voor de infiltratie-test. Opmerking: Voor deze studie, werd de infiltratie test uitgevoerd in een grote serre faciliteit van de Universiteit van het dorre Land Research Center van Tottori, Japan. Zie de recente publicatie voor meer details16.</li>
	<li>Positie op de oppervlakte zes 2.5-m lang poreuze buizen parallel op een afstand van 15 cm tussen elkaar, zodat uniforme infiltratie (Figuur 2).</li>
	<li>Sluit één uiteinde van de buizen aan een gereglementeerde inlaat ventiel, die is aangesloten op een waterreservoir of op een kraan, en het andere uiteinde op een stopcontact om het overtollige water te verwijderen.</li>
	<li>Plaats een dun 910 x 1802 mm2 houten paneel (iets groter dan de antenne-array), ter dekking van de poreuze buisjes.</li>
	<li>Het effect van de houten paneel op het radarsignaal voor de infiltratie proef te controleren.</li>
	<li>Installeer bodem vocht sensoren vlak naast het houten paneel te controleren van wijzigingen in het vochtgehalte van de bodem op verschillende diepten. Opmerking: Het doel van deze sensoren is referentiegegevens gebruikt voor toetsing de resultaten van de analyse van de GPR-gegevens te verstrekken. In deze studie, een staaf-type grond vochtigheid sensor (Zie Tabel van materialen) aangelegd naast de antenne om te controleren de bodem diëlektrische constante op 10, 20, 30, 40, 60 en 100 cm diepte.</li>
</ol>2. GPR meting
<ol><li>Plaats de antenne van de GPR matrix op het houten paneel. Opmerking: In deze studie bleef de antenne stationaire te zorgen voor samenhang in de opgenomen signalen.</li>
	<li>Sluit de antenne aan op de controller met behulp van coax-kabels.</li>
	<li>Sluit de controller aan op een laptop met een Ethernet-kabel.</li>
	<li>Beslissen de antenne combinaties en hun volgorde om beide gemeenschappelijke verschuiving verzamelen (COG) en multi offset verzamelen (MOG) naadloos worden verzameld. Opmerking: In deze studie was alle mogelijke combinaties voor de array GPR ons ter beschikking staan gebruikt (110). Het duurde minder dan 1.5 s een volledige scan via alle combinaties uit te voeren.</li>
	<li>De opname van de GPR-gegevens met behulp van de software van de verzameling van gegevens te starten. Opmerking: Het is belangrijk om te beginnen met de data-acquisitie voordat water wordt geïnjecteerd in de poreuze buisjes.</li>
	<li>Open de klep om toe te passen van water (dat wil zeggen, beginnen met het proces van infiltratie). Opmerking: De water injectie tarief in de ondergrond kan worden bepaald uit de hydraulische eigenschappen (bijvoorbeeld hydraulische geleidbaarheid) van de bodem doel. De stroomsnelheid gebruikt in deze studie was 7.000 cm3/min, die minder dan de verzadigde hydraulische geleidbaarheid van het zand-duin.</li>
	<li>Na een vooraf bepaalde hoeveelheid water wordt geïnjecteerd, sluit de klep. Opmerking: Water werd voortdurend ingespoten gedurende 4 uur, en een totaal van 1680 L water werden gebruikt voor de test.</li>
	<li>Houden scannen met de array GPR voor een aanvullende periode van tijd, om te kunnen volgen van het proces van de herverdeling voor verdere analyse. Opmerking: De matrix die GPR is gehouden het verzamelen van gegevens voor 4 uur nadat de klep was afgesloten. Deze gegevens hebben echter niet is geanalyseerd voor de studie die hier gepresenteerd.</li>
</ol>3. data-analyse voor de schatting van de snelheid
<ol><li>COG en CMP gegevens door de relatieve Tx-Rx combinaties wilt uitpakken vanaf de algehele gegevenskubus reconstrueren. Dit werd bereikt door sommige aangepaste code die is ontwikkeld door de auteurs die herschikt de radar profielen zodat te groeperen van Tx-Rx paren aan identieke offset (COG) en degenen met dezelfde halverwege (CMP). Opmerking: Omdat een SFCW GPR-eenheid werd gebruikt voor deze studie, is de ruwe gegevens in het frequentiedomein; de werking van frequentie naar tijd conversie werd uitgevoerd met behulp van de software die wordt geleverd door de fabrikant van de GPR-systeem.</li>
	<li>Schatten de optimale EM Golf snelheid in de bevochtiging zone op een bepaalde verstreken tijd door het aanbrengen van de berekende tweeweg reistijd, t,c, van de Golf van de EM weerspiegeld infiltratie vooraan aan de waargenomen signalen. De snelheid met de beste curve past werd heuristisch vastgesteld. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56847/56847eq1.jpg">(1) waar d0 is de diepte aan het punt van bezinning, x is de afstand tussen Tx en Rx, vr de kwadratische-gemiddelde snelheid op het vlak van de reflectie en t0 is de twee richtingen reistijd op nul offsets bepaald door de CMP-radargram. Opmerking: De meest voorkomende snelheid schattingsmethode geschieden met behulp van MOG is schijn analyse5,15,17. In schijn de analyse, wordt de kwadratische gemiddelde snelheid geplukt met een snelheid-spectrum. Analyse van de schijn werd niet gebruikt voor snelheid schatting in deze studie omdat de lage signaal-/ ruisverhouding waargenomen in de matrix GPR gegevens niet in ons staat te ontwikkelen van een betrouwbare snelheid spectrum. Het vinden van een geschikte filter methode voor het genereren van een betrouwbare snelheid-spectrum van deze gegevens wordt onderzocht in andere lopend onderzoek. Voor de scope van deze studie, werd de curve passend methode gebruikt voor het aanpassen van Eq (1) aan de CMP-radargrams.</li>
	<li>Met behulp van Eq. (1), berekenen het bedplassen front diepte d0 bij een bepaalde verstreken tijd met behulp van de geschatte EM snelheid vr. Opmerking: Voor dit deel van de data-analyse, werd de COG-gegevensset gebruikt op een offset x gelijk is aan 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>

In deze studie, matrix grond penetrerend radar (GPR) werd gebruikt voor het bijhouden van de diepte van het bedplassen front tijdens een infiltratie experiment uitgevoerd bij een experimentele veld in de buurt van het zandduin Tottori, Japan. De array GPR systeem dat wordt gebruikt in deze studie bestaat uit 10 verzendende antennes (Tx) en 11 ontvangen antennes (Rx). Het systeem kan worden geconfigureerd voor het gebruik tot 110 verschillende combinaties van de Tx-Rx. Tijdens het experiment van de infiltratie, zijn alle 110 combinaties voortdurend gescand 1,5 seconde intervallen, de matrix stationaire verlaten op de locatie waar het water werd toegepast door sommige poreuze buisjes geplaatst op het oppervlak. Common-offset verzamelen (COG) en gemeenschappelijke halverwege gegevens (CMP) werden gereconstrueerd op basis van de time-lapse gegevenskubus. Het zou vrijwel onmogelijk om CMP gegevens hetzelfde tempo met conventionele bistatic GPR systemen te verzamelen. Het is zeer belangrijk om te laten de antenne in stationaire opname tijdens het experiment om reproduceerbare en zinvolle time-lapse gegevens te verkrijgen.
Hoewel array GPR gegevens zijn gebruikt om te schatten EM Golf snelheden15, er zijn alleen een paar studies die geanalyseerd time-lapse matrix GPR gegevens voor het inschatten van EM Golf snelheden voor voorbijgaande processen zoals water infiltratie. In deze studie werd de elektromagnetische (EM) Golf snelheid structuur geschat uit de time-lapse CMP-gegevens. In plaats van het uitvoeren van analyses van de schijn, de hyperbool curve voor de twee richtingen reistijd was uitgerust heuristisch aan de gereflecteerde signalen in het CMP-radargrams om te kunnen inschatten van de gemiddelde snelheid van EM Golf in de bevochtiging zone vanwege lage signal-to-noise (S / N) verhouding in de gegevens. Wanneer de S/N-verhouding laag is, worden schijn analyse niet gebruikt voor het genereren van een betrouwbare snelheid spectrum. Een passende filtermethoden zou moeten worden ontwikkeld voor het gebruik van de methode van de analyse van de schijn. Een staaf-type grond vochtigheid sensor aangelegd naast de GPR-antenne voor het meten van de veranderingen in bodemvochtgehalte tijdens het experiment infiltratie; de sensoren werden verdreven in de diepten van 10, 20, 30, 40 en 60 cm en werkte onafhankelijk.
Met behulp van de geschatte snelheid van EM Golf, is de diepte van de voorzijde van het bedplassen berekend met tussenpozen van 1 minuut van het proces van de infiltratie. De evolutie in de tijd van de geschatte bevochtiging voorkant eens goed met de opmerkingen van de bodem vocht sensoren op een diepte van minder dan 20 cm. In ondiepere diepten toont de GPR-schatting van de voorste diepte van bedplassen een discrepantie met de lezingen van de bodem vocht sensoren.
Over het geheel genomen is deze studie toont aan dat de array GPR systeem geschikt is voor het bijhouden van de evolutie van de voorste diepte van bedplassen tijdens water infiltratie in de bodem, door time-lapse gemeenschappelijk halverwege (CMP) gegevens te verzamelen. Als dit type gegevens was niet gemakkelijk worden verzameld van conventionele oppervlakte GPR vóór, zijn de gegevens in deze studie de allereerste die daadwerkelijk laten zien hoe de bevochtiging voorkant geëvolueerd in de tijd in de ondergrond. Toekomstige werkzaamheden zal de mogelijkheid onderzoeken gebruik van inversie van de gegevens voor de raming van de hydraulische parameters van de bodem van de gegevens die zijn verkregen tijdens dit experiment.

Begrip massa en energie transportprocessen in de vadose zone zijn belangrijk voor vele toepassingen in de landbouw- en milieuconditie disciplines. Onder die processen, variabel verzadigde waterstroom is het essentieel proces zo veel van de andere processen, zoals fysieke, geochemische, biologische en zelfs mechanische processen, zijn meestal gekoppeld aan waterstroom. Recente ontwikkelingen in geofysische technieken hebben toegestaan een hydrologische processen in de vadose zone niet-gebeurt te controleren. Onder vele geofysische technieken is grond penetrerend radar (GPR) één van de meest gebruikte technieken te volgen en te karakteriseren bodem water dynamiek omdat de voortplanting van elektromagnetische golven van (EM) uitgezonden en ontvangen door GPR antennes gekenmerkt door bodem vocht inhoud1,2,3,4. Onder beschikbare systemen is op-grondoppervlak GPR (hierna: oppervlak GPR in het restant van het manuscript) de meest voorkomende te gebruiken in een veld. Traditionele oppervlaktesystemen GPR met een zender en een ontvanger (bistatic radarsystemen) worden vaak gebruikt voor het scannen van de ondergrond met een scheiding van de constante transmitter-receiver (offset). Verzamelingen van gegevens verzameld in deze configuratie zijn ook bekend als gemeenschappelijk verschuiving verzamelt (COG). Radargegevens worden weergegeven als tijdreeksen op basis van de totale reistijd tussen de zender, uiteindelijke reflectoren en terug naar de ontvanger. Om de reistijd omzetten in diepgaande informatie, EM Golf snelheid in de ondergrond moet worden geschat. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door de analyse van multi offset verzamelen (MOG) datasets5.
Al zijn er een aantal studies met behulp van GPR volgen ondergrond infiltratie processen6,7,8,9, bepaald geen van hen direct de locatie van de voorkant van het bedplassen of de EM-Golf snelheid structuur die met de tijd tijdens de infiltratie verandert. De gemeenschappelijke benadering is het gebruik van objecten begraven op bekende diepten als referentie reflectoren om te bepalen van de gemiddelde snelheid van EM Golf en bevochtiging van de voorste diepte. Aangezien de bevochtiging voorkant dynamisch tijdens infiltratie verandert, moet time-lapse MOG worden verzameld met korte tijdintervallen te exploiteren van veranderingen in de structuur van EM Golf snelheid zonder gebruik te maken van reference-objecten. Met gemeenschappelijke bistatic oppervlakte GPR antennes is de collectie van time-lapse MOG korte tussenpozen tussen elkaar moeilijk of onmogelijk als het handmatig verplaatsen van antennes instellen van de verschillende offset configuraties vereist. Onlangs, is een familie van antenne-array GPR (hierna aangeduid als matrix GPR hierna) uitgebreid om het imago van de ondergrond snel en nauwkeurig10gebruikt. Het basisconcept van de matrix GPR is bedoeld als dichte zwaden met een minimale inspanning door elektronisch schakelen meerdere antennes in één frame gemonteerd. Matrix GPR systemen zijn voornamelijk gebruikt voor het genereren van 3D ondergrond beelden van brede gebieden snel. Enkele voorbeelden van typische toepassingen voor deze systemen zijn weg en brug inspectie11, archeologisch prospectie12 en UXO en landmijnen detectie13,14. Voor dergelijke doeleinden, de matrix GPR wordt voornamelijk gebruikt voor het scannen van de ondergrond met een constante antenne scheiding configuratie voor het verzamelen van de KOGGE. Hoewel is gebleken dat MOG verzameld met een matrix die GPR kan worden gebruikt voor snelheid schatting15, is de praktische toepassing van deze methode beperkt tot slechts een paar gevallen. Door het plaatsen van de antenne-array op een vaste locatie, kan tijd vervallen MOG gemakkelijk worden verzameld. Zoals aangetoond in onze recente publicatie16, portretteren time-lapse radargrams verzameld met de array GPR systeem nogal duidelijk de signalen van de reflectie van de voorkant van het bedplassen als het geleidelijk naar beneden tijdens het experiment van een verticale infiltratie beweegt uitgevoerd op een uitzichtpunt. De belangrijkste doelstelling van het papier was om aan te tonen hoe met de array GPR time-lapse MOG gedurende de infiltratie test halen en hoe te analyseren van dergelijke gegevens voor het bijhouden van de diepte van de voorzijde van het bedplassen.
In deze studie, gebruikten we een antenne-array bestaande uit 10 overdracht (Tx0 - Tx9) en 11 (Rx0 - Rx10) ontvangen ' bow-tie monopole antennes. De verplaatsing van de antenne-elementen in de matrix is afgebeeld in Figuur 1 (Zie Tabel van materialen). De antenne-array wordt bestuurd door een trapfrequentie continu golfvorm (SFCW)-radarinstallatie die over het frequentiebereik van 100 MHz tot 3000 MHz. De schakelaars van de GPR matrix door een gebruiker gedefinieerde opeenvolging van Rx-Tx paren met behulp van radiofrequentie (RF) multiplexers in de antenne-array10. Het maximum aantal Tx-Rx combinaties voor dit specifieke systeem is 110. Voor dit experiment, we geconfigureerd de array GPR gebruiken alle 110 combinaties, de scanreeks programmeren zodat elke zender, van Tx0 tot Tx9, werd opeenvolgend gecombineerd met alle 11 ontvangers van Rx0 naar Rx10. De tijd die nodig is voor het uitvoeren van een scan via alle 110 combinaties is minder dan 1,5 seconde. De offset tussen zender en ontvanger was berekend op basis van de afstand tussen de feed punten van de antenne-elementen, waar de verticale verschuiving 85 mm is zoals aangegeven in Figuur 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

Een grond penetrerend Radar (GPR)-systeem dat is gebaseerd op een grond-combinatie, dichtbevolkte antenne-array werd gebruikt om gegevens te verzamelen tijdens een infiltratie experiment uitgevoerd bij een testsite in de buurt van het zandduin Tottori, Japan. De antenne-array gebruikt in deze studie bestaat uit 10 verzendende antennes (Tx) en 11 ontvangen antennes (Rx). Voor dit experiment, was het systeem geconfigureerd voor het gebruik van alle mogelijke koppelingen met Tx-Rx, resulterend in een multi Offset verzamelen (MOG) bestaande uit 110 Tx-Rx combinaties. De matrix stationaire werd achtergelaten op een positie direct boven de infiltratie gebied en gegevens werden verzameld elke 1,5 seconden met behulp van een tijd gebaseerde trigger. Common-Offset verzamelen (COG) en gemeenschappelijke halverwege (CMP) gegevenskubussen werden gereconstrueerd op basis van de gegevens van de MOG tijdens post-processing. Er zijn weinig studies die time-lapse CMP gegevens gebruikt voor het schatten van veranderingen in de snelheid van de voortplanting. In deze studie werd elektromagnetische (EM) Golf snelheid heuristisch geschat op 1 minuut intervallen van de gereconstrueerde CMP-gegevens via curve fitting, met behulp van de vergelijking van hyperbool. We vervolgens overgegaan tot het berekenen van de diepte van de voorzijde van het bedplassen. De evolutie van het bedplassen front na verloop van tijd verkrijgen door middel van deze methode is in overeenstemming met de opmerkingen van een bodem vocht sensor die was geplaatst op een diepte dan 20 cm. De resultaten van deze studie tonen de mogelijkheid van dergelijke matrix GPR systeem om te controleren van een ondergrond dynamisch proces zoals water infiltratie nauwkeurig en kwantitatief.

Figuur 3 toont een time-lapse deelvenster diagram van 110 Tx-Rx combinaties verkregen elke 1.5 s tijdens de eerste 60 min van het experiment van de infiltratie, na het omzetten van de gegevens van de frequentie naar tijdsdomein. Om te vergroten reflecties op diepte, werd een bandfilter filter gevolgd door winst compensatie toegepast. Het deelvenster diagram kan worden onderverdeeld in 10 delen, elke sectie overeenkomt met een bepaalde Tx. De locatie van de Tx wordt aangegeven door een wit driehoek, en elk segment komt overeen met een time-lapse signaal opgenomen voor een Rx. De verticale as ziet u de twee richtingen reistijd of TWT, d.w.z. de tijd nodig voor de EM-Golf om te reizen van de zender, aan de uiteindelijke reflector te bevestigen en terug naar de ontvanger. De profielen weergeven de amplitude van het signaal in een kleurplan grijswaarden. Een groot contrast in kleur geeft aan hoge amplitude in de opgenomen radarsignaal. EM Golf reflecties worden geproduceerd op het raakvlak tussen lagen op verschillende diëlektrische constante of door objecten met verschillende elektrische eigenschappen dan het omringende medium; een diëlektrische contrastrijke bepaalt een weerspiegeling van de hoge amplitude. Tijdens het proces van infiltratie van water is er een zone genoemd het overgangsgebied waar het watergehalte geleidelijk verhoogt vanaf de rand van de bevochtiging zone, dat is waar water doordringt in de aanvankelijk de droge grond. De EM-Golf is waarschijnlijk blijken niet op de eigenlijke rand maar binnen de overgangszone, zoals waargenomen in studies van de grondwaterspiegel detectie18. In het restant van het manuscript, is dit gebied van reflectie hierna de voorkant van het bedplassen. In Figuur 3, een hoge amplitude signaal verschijnt en beweegt zich gestaag naar beneden zoals tijd tijdens het experiment voorschotten. Deze reflectie wordt inderdaad geproduceerd door de voorkant van het bedplassen als het water geleidelijk naar beneden in de ondergrond dringt. Uit dit diagram kunnen COG en CMP worden gereconstrueerd als afgebeeld in Figuur 2 van Iwasaki et al. 16
Snelheid analyse werd uitgevoerd op de gegevens van de CMP verkregen elke 1 min. Voor elke verzameling van CMP gegevens, was de twee richtingen reistijd gegeven door Eq. (1) uitgerust aan de reflectie van het bedplassen front door t0 en vr, uitgaande van een uniforme laag in de natte zone aan te passen. Tijd nul werd gecorrigeerd door het aanbrengen van de Golf van de lucht met de snelheid van 0.3 m/ns. Figuur 4 toont CMP gegevens van verstreken tijd te tussenpozen 5 min = 5 min naar te = 50 min samen met de best-fit curven weergegeven als witte lijnen (ononderbroken lijnen voor de gereflecteerde Golf) en onderbroken lijn voor de lucht-Golf. Aangezien de lucht Golf niet een gereflecteerde Golf maar het directe signaal tussen de zender en ontvanger is, de reistijd neemt lineair toe met de verschuiving. Alle de krommen werden uitgerust aan de positieve pieken (in witte kleur) van de teruggekaatste golven. Alle de bochten goed op de waargenomen gereflecteerde curven weergegeven in het CMP-radargrams op alle offsets, wat betekent dat de geschatte waarden voor de t0 en vr goed zijn gemonteerd. Voor de infiltratie experiment, was een droge houten paneel tussen de antenne en de poreuze buisjes geplaatst. Omdat het paneel een veel lagere diëlektrische constante dan die van de natte bodem heeft, kunnen de gevolgen ervan voor de EM-golfvoortplanting niet te verwaarlozen is, ook al is het dun. Een twee-laag model werd vervolgens geacht naast de bovengenoemde uniforme laag model, uitgaande van een waarde van 3 voor de diëlektrische constante van de bovenste 5 cm. Ook voor dit tweede model, werd de EM Golf snelheid vr geschat door curve passend bij de reflectie geproduceerd door de voorkant van het bedplassen.
In Figuur 5, geschat bevochtiging front diepten worden uitgezet als functie van te voor zowel de eenpersoons- en twee-laag modellen. Het kan worden gewaardeerd dat de bevochtiging voorkant naar beneden beweegt bijna lineair met tijd voor beide modellen, met uitzondering van een vertraging tussen te = 10 min en t-e = 20 min. verschillen tussen twee modellen zijn in eerste instantie niet significante, maar als de tijd verstrijkt de raming voor het uniforme model beweegt iets sneller in vergelijking met de twee-laag model. In Figuur 5, diamant symbolen gebruikt ter gelegenheid van de tijden wanneer lezingen uit de vocht sensoren beginnen te stijgen en ze werd later gestage; Deze zijn verbonden met een ononderbroken lijn voor elke sensor diepte. Zoals hierboven vermeld, treedt de reflectie van de EM-Golf noodzakelijkerwijs niet op als de rand van de vochtige zone; met andere woorden, gezien een bepaalde diepte, niet kan men verwachten dat deze reflectie te overeenkomen het punt in tijd wanneer de lezingen van een sensor beginnen te verhogen. In deze zin is de reflectie toe te schrijven aan een diepteniveau aan de voorzijde van de infiltratie waar een bepaalde water verzadiging is bereikt, in vergelijking met het gebied eronder. Gezien de sensoren bij 30, 40 en 60 cm in de diepte, de raming van de bevochtiging front diepte de GPR-gegevens verkregen valt goed in het bereik door de ononderbroken lijnen op de tijdlijn weergegeven. Het tijdstip wanneer de GPR geschat bevochtiging voorzijde aangekomen bij 20 cm (diepte) komt overeen met de tijd wanneer de plotselinge stijging van de sensorgegevens werd waargenomen, terwijl de GPR-schatting de diepte van 10 cm veel sneller bereikt dan wat werd geproduceerd door de vocht sensor , hoewel het signaal van de reflectie van de voorkant van het bedplassen duidelijk na te waargenomen is = 5 min (Figuur 4). Ook moet worden vermeld dat de extrapolatie van de GPR geschat kromme niet kan passeren door de oorsprong. Hoewel het is niet duidelijk wat de oorzaak van deze discrepantie bij ondiepere diepten, kunnen er een paar mogelijke verklaringen. Het kan worden toegeschreven aan de heterogeniteit in de bodemeigenschappen van de, of het kan worden veroorzaakt door niet-uniformiteit in de toepassing van het water. Als dat inderdaad het geval is, zou dit een groter effect hebben eerder tijdens de infiltratie proces dan in een later stadium. Een andere verklaring zou kunnen zijn dat oppervlakteruwheid is van invloed op de bepaling van tijd nul. Naast de werking van het hout panel en de poreuze buisjes, moet rekening worden gehouden met het effect van de oppervlakteruwheid.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig1.jpg"> Figuur 1 : Schema van matrix grond penetrerend radar antenne configuratie gebruikt in deze studie. V-vormige structuren zijn bowtie monopole antennes. Er zijn 10 verzendende antennes (Tx) en 11 ontvangen antennes (Rx) horizontaal uitgelijnd. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig2.jpg"> Figuur 2: schema's van de infiltratie-experiment. (A) een bovenaanzicht en (B) een zijaanzicht waarin de matrix antenne is geplaatst op de top van zes 250-cm poreuze buizen uitgelijnd 15 cm uit elkaar. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig3.jpg"> Figuur 3 : Time-lapse radargram verkregen tijdens de eerste 60 min van het experiment infiltratie. Gegevens bestaan uit de opgenomen signalen voor 110 antenne combinaties. Één segment komt overeen met time-lapse gegevens verzameld met een enkele combinatie van Tx-Rx. Een andere kleur wordt gebruikt voor de amplitude van het signaal. De afzonderlijke gegevens van de verticale zwarte lijnen voor elke Tx. White driehoeken geeft u de locatie van Tx. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig4.jpg"> Figuur 4 : Radargrams van de CMP op te = 5 min naar te = 55 min 5 min tussenpozen. De witte ononderbroken lijnen handmatig vertegenwoordigen voorzien twee richtingen reistijd van de reflectie van het bedplassen front, terwijl de witte onderbroken lijnen de reistijd van de lucht-Golf geven. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56847/56847fig5.jpg"> Figuur 5 : Front diepten bevochtiging. Bevochtiging front diepten geschat uit matrix GPR in time-lapse multi verschuiving verzamelen als een functie van de verstreken tijd, zowel voor het uniform (driehoeken) en de twee-laag (vierkante) modellen. Zwarte lijnen met diamanten aan beide kanten de tijd tussen de initiële toename van de lezingen en wanneer deze een gestage niveau heeft bereikt voor elke sensor diepte (dat wil zeggen, de duur van de overgangszone) weergegeven. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56847/56847fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</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

Bijhouden van infiltratie Front diepte met behulp van Time-lapse multi offset verzamelt verzameld met Array antenne Ground-Penetrating Radar

Hier presenteren we een systeem van de grond penetrerend Radar (GPR) gebaseerd op een grond-combinatie, dichtbevolkte antenne-array voor de follow-up van het dynamische proces van ondergrond water infiltratie. Een time-lapse radarbeeld van het proces van infiltratie toegestaan schatten van de diepte van de voorzijde van het bedplassen in de loop van het proces van de infiltratie.

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

Tracking microbiële verontreiniging in Retail Environments met fluorescerende poeder - Een Retail Delicatessen Milieu Voorbeeld

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. Meting van Enterovirus en Norovirus Voorkomen in water per cultuur en RT-qPCR. I. Het verzamelen van Virus Samples

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 Method 1615. Meting van Enterovirus en Norovirus Voorkomen in water per cultuur en RT-qPCR. Deel III. Virus Detectie door 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

Hoe te Geconditioneerd Taste Afkeer Maak voor beweiding Hoezen in houtgewassen met kleine herkauwers

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

Voorbehandeling van lignocellulose met Low-cost ionische vloeistoffen

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

Integratie van Remote Sensing met Species Distribution Models; Mapping Tamarisk Invasions De software gebruiken voor 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 voor Screen Deterrent Chemistries voor Honingbijen

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 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

Experimenteel systeem van zonne-adsorptie koeling met geconcentreerde 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 van aquatische Biofilms met stroom Cytometry

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