利用阵列天线探地雷达采集的时移多偏移距数据追踪入渗锋深度

本实验的总体目标是利用阵列天线探地雷达追踪野外土壤中的入渗锋面。该方法有助于解答包气带水文学领域的关键问题，例如理解降雨期间水分如何渗入土壤。该技术的主要优势在于，能够在入渗等动态地下过程中，以最少的人工干预连续采集时间推移的多偏移距数据集。

演示该实验步骤的是 Nobuhito Nagai 和 Yukio Tobe。天线阵列是本实验的核心部分。此外壳内包含本次实验所用的 21 根天线。

该示意图提供了更多细节。系统包含由步进频率连续波雷达单元控制的10个发射天线和11个接收蝴蝶结形单拉天线。该阵列可切换全部110个收发器配对。

确定渗透试验的地点。确保地表无覆盖物、平坦，面积约为三米乘三米。准备2.5米长的多孔管。

管道的孔隙性可使水释放到地面。使用这些管道在地块上构建一个灌溉渗滤系统。该系统的管道相互平行，间距为15厘米。

将管子的一端通过阀门调节的进水口连接至水源，另一端连接至出水口。接着取一块略大于天线阵列的薄木板，将其覆盖在多孔管上方。

面板应保持平整并覆盖住管道。接下来在面板附近安装土壤湿度传感器。这种杆状传感器可在多个深度测量湿度。

首先，在木板旁边的地面上安装传感器的接入管。然后将杆式传感器插入接入管中。开始时将天线阵列放置在木板上，并对准入渗系统的中心位置。

使用同轴电缆将阵列连接到控制器，并将控制器连接至计算机。设置天线序列，以通过所有发射-接收组合进行完整扫描，并开始采集数据。此时，前往水源处并启动水流和入渗过程。

当注入预定量的水后，停止注水。然后，停止使用雷达阵列采集数据。数据采集完成后，对其进行分析以获得速度估算值。

这是来自天线阵列的时间推移雷达图的一个示例。数据是在实验的60分钟内采集的。每条黑线所包围的区域对应于一个发射器和11个接收器采集的数据。

发射器的位置由红色三角形表示。第三轴表示从发射到接收到反射信号的总时间。不同颜色表示信号的幅度。

利用这些数据，构建共中心点数据立方体。新轴表示发射天线与接收天线之间的间距。这是实验过程中某一时刻共中心点数据立方体的横截面。

识别每个帧中湿润锋的反射。通过调整两个参数 t0 和 vr，使用此方程拟合双曲线。白色曲线表示湿润锋反射的传播时间。

紫色曲线表示空气波和地波的传播时间。这是入渗实验的代表性雷达剖面图。每个剖面均与一个发射器相关联。

纵轴表示信号从发射器到反射体再到接收器的传播时间。灰度色标表示信号振幅。在此段共中心点数据区域的时间推移过程中，可观察到高振幅信号随着实验的进行持续向下移动。

信号由水渗透到地下时湿润锋面处的反射产生。进行速度分析时，使用每隔一分钟采集的共中心点数据。在此样本数据中，实验进行到第五分钟时，反射波的最佳拟合曲线为白色实线，而空气波的为虚线。

随着时间的推移，旅行时间呈线性增加。这些图表示估测的湿润锋深度随经过时间的变化关系。三角形代表均匀介质模型的结果。

方块对应于一个双层模型，该模型考虑了阵列下方的木板。黑色区间表示在特定深度处，湿度传感器读数开始上升以及达到稳定的时间段。我们最初是在进行阵列天线探地雷达演示时想到此方法的。

我们想到可以校正时间推移的多偏移距数据。该方法最大的优势在于，无需像常规探地雷达系统那样移动天线来采集多偏移距数据集。一旦开始测量，只需监控而无需进行其他操作。

在进行该操作时，重要的是要记住不要移动天线，以确保数据的可重复性。该技术开发完成后，将为包气带水文学领域的研究人员探索田间土壤中的水分运移提供新的途径。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用阵列天线探地雷达来追踪入渗锋面。