Zmiana fazy w falach elektromagnetycznych po przekroczeniu kąta Brewstera

• Autorzy: Marcak H. , Tomecka-Suchoń S.

Warianty tytułu

EN

Phase change between the reflected and refracted waves in GPR measurements of ground wave

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracach rolniczych istotne jest określenie rozkładu wilgotności w glebie. W artykule przedstawiono metodę badania tego rozkładu na podstawie analizy pomiarów georadarowych. Przedstawiono opis właściwości pola elektromagnetycznego na granicy dwóch obszarów o różnych właściwościach elektrycznych w zależności od wielkości kąta padania promienia radarowego. Okazuje się, że zachowanie pola elektromagnetycznego istotnie zależy od stosunku prędkości fali w warstwie nadległej i leżącej pod granicą odbijającą. W szczególności dla stosunku tych prędkości mniejszego od jedynki, to dla kąta zwanego kątem Brewstera zanika energia fali odbitej. W artykule zwrócono uwagę na istotną zależność wielkości współczynnika odbicia i zmiany fazy sygnałów elektromagnetycznych od tego, czy kąt padania przekroczył kat Brewstera i kąt graniczny. Po przekroczeniu kąta Brewstera następuje zmiana fazy w sygnale odbitym o 90 stopni. Znajomość kąta Brewstera pozwala wyznaczyć stosunek prędkości fali elektromagnetycznej po obydwu stronach granicy, na której nastąpiło odbicie. W praktyce badań georadarowych kąt Brewstera powstaje w sytuacji, kiedy warstwa nadległa jest bardziej nasycona wodą. Na przykładzie badań prowadzonych na polach uprawnych pokazano jak na podstawie zaproponowanego sposobu identyfikacji kąta Brewstera można określić zmiany właściwości elektrycznych na profilu pomiarowym. Zmiana fazy pola georadarowego może być wykorzystana do ciągłej kontroli wilgotności gruntu i optymalnego sposobu jego nawadniania.

EN

Information on moisture distribution in the soil is of great importance for agricultural projects. This article presents the GPR geophysical method for the study of water distribution in subsurface parts of rock formation. The analysis of the GPR measurements is used for a description of the electromagnetic field properties at the boundary of two areas of different electric properties, depending on the angle of incidence of radiation. It appears that the behavior of electromagnetic fields substantially depends on the ratio of the velocity waves in layers overlying and underlying the reflective border. In particular, for the ratio smaller than the ones disappears energy of the reflected wave. The article highlights the significant dependence of the reflectance and phase change of the electromagnetic signals on whether the angle of incidence exceeds the Brewster angle and the critical angle. Attention was focused on the Brewster angle and the critical angle for the size of the reflectance and phase change of the electromagnetic signals. In particular, after exceeding the Brewster angle a 90 degree change phase of the reflected signal occurs. Knowledge of this angle allows the ratio of GPR wave velocity in the neighboring soil regions to be determined. We demonstrate, on the example of tests carried out on cultivated areas, how the changes of dielectric properties on the investigated profile can be determined using the identification of the Brewster angle with the procedure proposed above. The phase change georadar field can be used for the continuous monitoring of soil moisture and its optimum method of irrigation.

Słowa kluczowe

PL

metoda georadarowa; zawartość wody w glebie

EN

GPR; liquid contamination; water saturation of soil

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 93
• Strony: 35--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., zdj.

Twórcy

autor

Marcak H.

• Instytut Geofizyki Polskiej Akademii Nauk

autor

Tomecka-Suchoń S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Bibliografia

• [1] Carcione, J.M. i Schoenberg, M. 2000. 3-D Ground Penetrating Radar Simulation and Plane Wave Theory in Anisotropic Media. Geophysics, September-October 2000, Vol. 65, No. 5, s. 1527–1541.
• [2] Fitzpatrick, R. 2006. Classical Electromagnetism. [Online] Dostępne w: http: foreside. ph utexas.edu [Dostęp: 1.06.2016].
• [3] Griffith, D.J. 2007. Introduction to Electrodynamics Pearson Education.
• [4] Hecht, E. 2002. Optics Addison Wesley, San Francisco.
• [5] Huisman, J.A., Hubbard, S.S., Redman, J.D. i Annan, A.P. 2003. Measuring Soil Water Content Penetrating Radar. A Review. Vadose Zone Journal 2, s. 476–491.
• [6] Marcak, H., Szczepańska-Plewa, J., Tomecka-Suchoń, S., Zdechlik, R., Zuberem, W. i Żogała, B. 2011. Geofizyczne i hydrogeologiczne badania zanieczyszczeń środowiska wodno-gruntowego w otoczeniu składowisk odpadów górniczych, Praca zbiorowa pod redakcją naukową: Marcak, H., Tomecka-Suchoń, S. i Zdechlik, R., Warszawa: Oficyna Drukarska-Jacek Chmielewski, 114 s.
• [7] Saarenketo, T. 1998. Electrical Properties of Water in Clay and Silty Soils, Journal of Applied Geophysics No. 40, s. 73–88.
• [8] Schon, J.H. 1996. Physical Properties of Rock, Handbook of Geophysical Exploration, Pergamon Press Inc., 1–212.
• [9] Tomecka-Suchoń, S. 2010. Teoretyczna analiza wpływu nasycenia gruntu roztworem NaCl na amplitudę fali elektromagnetycznej GPR, Przegląd Górniczy nr 6, s. 45–51.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.