Śledzenie głębokości frontu infiltracji za pomocą poklatkowych zbiorów z wieloma przesunięciami zebranych za pomocą radaru penetrującego grunt z anteną tablicową

Ogólnym celem tego eksperymentu jest śledzenie frontu infiltracji w glebie polowej za pomocą radaru penetrującego grunt z anteną matrycową. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie hydrologii stref wadozy, takie jak zrozumienie, w jaki sposób woda przenika do gleby podczas opadów deszczu. Główną zaletą tej techniki jest to, że poklatkowe zbieranie z wieloma przesunięciami może być zbierane bezproblemowo przy minimalnym wysiłku podczas dynamicznych procesów podpowierzchniowych, takich jak infiltracja.

Procedurę zademonstrują Nobuhito Nagai i Yukio Tobe. Układ antenowy jest sercem tego eksperymentu. W tej obudowie znajduje się 21 anten do tego eksperymentu.

Ten schemat zawiera dodatkowe szczegóły. Dostępnych jest 10 anten nadawczych i 11 odbiorczych mono ciągnących z muszką, kontrolowanych przez radar o częstotliwości ciągłej. Macierz może przełączać się między wszystkimi 110 parami nadajnik-odbiornik.

Zidentyfikuj witrynę, na którą należy przeprowadzić test infiltracji. Upewnij się, że powierzchnia jest naga, płaska i ma wymiary około trzech metrów na trzy metry. Uzyskaj porowate rurki o długości 2,5 metra.

Porowatość rurki umożliwia odprowadzanie wody na podłoże. Użyj rur do budowy systemu infiltracji nawadniającej na działce. Rurki tego systemu są równoległe i oddalone od siebie o 15 centymetrów.

Połącz rurki na jednym końcu z wlotem wody regulowanym zaworem podłączonym do źródła wody. I podłącz drugi koniec do gniazdka. Następnie weź cienki drewniany panel, nieco większy niż układ antenowy, i umieść go na porowatych rurkach.

Panel powinien być płaski i zakrywać rurki. Przejdź dalej, aby zainstalować czujniki wilgotności gleby w pobliżu panelu. Ten czujnik prętowy mierzy wilgotność na kilku głębokościach.

Najpierw zamontuj rurkę dostępową czujnika w ziemi obok drewnianego panelu. Następnie umieść czujniki prętowe w rurze dostępowej. Zacznij od umieszczenia anteny na drewnianym panelu, wyśrodkowanym na systemie infiltracji.

Podłącz macierz do kontrolera za pomocą koncentrycznych i podłącz kontroler do komputera. Ustaw sekwencję anteny, aby wykonać pełne skanowanie wszystkich kombinacji nadajnika i odbiornika i rozpocząć zbieranie danych. W tym momencie udaj się do źródła wody i rozpocznij przepływ i infiltrację.

Zatrzymaj wodę po wstrzyknięciu określonej ilości. Następnie przestań zbierać dane za pomocą radaru. Po zebraniu danych przeanalizuj je, aby znaleźć oszacowanie prędkości.

Jest to przykład radargramu poklatkowego z matrycy antenowej. Dane zostały zebrane w ciągu 60 minut eksperymentu. Każdy obszar ograniczony czarnymi liniami odpowiada danym zebranym przez jeden nadajnik i 11 odbiorników.

Lokalizacja nadajnika jest oznaczona czerwonym trójkątem. Wzdłuż trzeciej osi znajduje się całkowity czas od transmisji do odbioru odbitego sygnału. Różne kolory wskazują amplitudę sygnału.

Korzystając z tych danych, skonstruuj typowy moduł danych punktu środkowego. Nowa oś to separacja anten nadawczych i odbiorczych. Jest to przekrój poprzeczny wspólnego modułu danych punktu środkowego w danym momencie eksperymentu.

Zidentyfikuj odbicie od frontu zwilżającego dla każdej takiej ramki. Użyj tego równania, aby dopasować krzywe hiperboliczne, dostosowując dwa parametry, t0 i vr. Biała krzywa reprezentuje czas przebycia odbicia od frontu zwilżającego.

Fioletowe krzywe to czasy podróży fal powietrznych i przyziemnych. Jest to reprezentatywny radargram dla eksperymentu infiltracji. Każda sekcja jest powiązana z nadajnikiem.

Wzdłuż osi pionowej znajduje się czas podróży od nadajnika do reflektora i odbiornika. Mapa kolorów w skali szarości wskazuje amplitudę sygnału. W tym przedziale czasowym z jednego z powszechnych obszarów danych w punkcie środkowym obserwuj, jak sygnał o wysokiej amplitudzie przesuwa się stale w dół wraz z postępem eksperymentu.

Sygnał jest wytwarzany przez odbicia na froncie zwilżającym, gdy woda wnika pod powierzchnię. Do analizy prędkości należy używać typowych danych punktu środkowego pobieranych co minutę. W tych przykładowych danych, po pięciu minutach eksperymentu, najlepszą krzywą dopasowania dla fali odbitej jest ciągła biała linia, a krzywa fali powietrznej jest linią przerywaną.

W miarę upływu czasu czas podróży wydłuża się liniowo. Są to wykresy szacowanej głębokości frontu zwilżającego w funkcji czasu, który upłynął. Trójkąty są przeznaczone dla modelu umundurowanego medium.

Kwadraty są przeznaczone dla modelu dwuwarstwowego, który uwzględnia drewniany panel pod tablicą. Interwały w kolorze czarnym wskazują, kiedy odczyt czujnika wilgotności na danej głębokości zaczął rosnąć i kiedy się ustabilizował. Po raz pierwszy pomysł na tę metodę pojawił się podczas demonstracji radaru penetrującego grunt z anteną matrycową.

Przyszło nam do głowy, aby poprawić dane poklatkowe z wieloma przesunięciami. Największą zaletą tej procedury jest to, że nie musieliśmy przesuwać anten, aby zbierać dane z wieloma przesunięciami, w przeciwieństwie do zwykłych systemów penetrujących grunt. Po rozpoczęciu pomiaru wystarczy monitorować i nic nie robić.

Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby nie przesuwać anten, aby zapewnić odtwarzalność danych. Po opracowaniu technika ta utoruje drogę naukowcom zajmującym się hydrologią stref wadozy do badania ruchu wody w glebach polowych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać radaru penetrującego grunt z anteną do śledzenia frontów infiltracji.