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Entwicklung eines Bodenbewertungsverfahrens für Georadarsensoren im Rahmen der Counter-IED

Fig. 1: Dualsensor im Einsatz in einem Minenfeld in Kroatien (Foto: Tohoku-Universität Japan)

Seit einigen Jahren wird bei der Kampfmittelsuche das Georadar (GPR) neben der Detektion von Landminen und Blindgängern vermehrt auch für die Detektion von Sprengfallen (IEDs, improvised explosive devices) eingesetzt. Da diese Sprengfallen häufig aus nicht-metallischen Materialien bestehen, versagen hier Metalldetektoren und es werden komplementär GPR-Sensoren in Form sogenannter Dualsensoren eingesetzt. Das GPR kann prinzipiell beliebige Materialien voneinander unterscheiden, vorausgesetzt, der Kontrast der elektrischen bzw. dielektrischen Eigenschaften ist groß genug. Bei bestimmten Untergrundbedingungen kann jedoch das GPR auch versagen und vergrabene Objekte übersehen. Da bei der Kampfmittelsuche die Kenntnis der Grenzen eines Detektionssystems lebenswichtig sein kann, wird ein Verfahren zur zuverlässigen Vorhersage der Performance eines GPR-Sensors in Abhängigkeit der Bodeneigenschaften benötigt. 

Detektion von IEDs

Die Performance des GPRs wird durch die Dämpfung der elektromagnetischen (EM) Wellen, dem Kontrast der elektrischen und dielektrischen Eigenschaften zwischen Objekt und dem Boden, sowie der Bodenheterogenität beeinflusst. Blindgänger und IEDs sind in der Regel tiefer vergraben als Landminen, so dass die EM Wellendämpfung ein limitierender Faktor wird. Die Dämpfung hängt vom Untergrundmaterial ab und nimmt beispielsweise mit steigendem Salz-, Ton- sowie Wassergehalt des Bodens zu. Die Dämpfung ist auch häufig frequenzabhängig, was zu einer Deformation der Radarsignale führen kann.

Fig. 2: GPR-Profile auf Testflächen mit zwei unterschiedlichen Böden, in denen IEDs (A, B) vergraben wurden. Eine Grenzschicht zwischen Bodenmaterial und einer Kiesschicht ist in Boden 1 sichtbar (C), kann aber in Boden 2 nicht mehr aufgelöst werden.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Prognose der GPR-Performance. Wir verwenden hierfür die TDR-Technik (time domain reflectometry), um die Dämpfung und die dielektrische Permittivität zu bestimmen. Das TDR-Verfahren kann aufgrund der einfachen Handhabung auch von Minensuchern eingesetzt werden kann, um direkt im Feld für die jeweiligen Bodenbedingungen die GPR-Performance abzuleiten.

Landminendetektion

Fig. 3: Radarprofile auf Testflächen aus reinem Sand (oben) und einem steinigen, humosen Boden (unten), in denen jeweils fünf Landminen in einer Tiefe zwischen 5 und 25 cm vergraben wurden. Im heterogenen Untergrund (unten) sind insbesondere die tiefer liegenden Objekte schwer vom Hintergrundrauschen des Bodens zu unterscheiden.

Im Gegensatz zu IEDs und Blindgängern sind Landminen für gewöhnlich nur oberflächennah innerhalb der ersten 10 cm des Bodens vergraben. Deshalb ist für die Anwendbarkeit des GPRs die Wellendämpfung meist nicht der limitierende Faktor, sondern die Bodenheterogenität und Oberflächenrauheit, welche Rauschen in den Daten verursachen, das die Minensignale überdecken kann. Dies stellt besonders dann ein Problem dar, wenn der Kontrast des Objekts zum Boden nur schwach ist und die reflektierten Radaramplituden dementsprechend schwach sind.

Um den Einfluss der Bodenheterogenität systematisch zu untersuchen, führen wir umfangreiche numerische Simulationen mit variierender räumlicher Verteilung der elektromagnetischen Bodeneigenschaften durch. Die resultierenden synthetischen Radargramme werden herangezogen, um die Grenzen von GPR-Sensoren in heterogenen Böden zu spezifizieren. Eine Herausforderung ist die Ableitung eines Bodenbewertungsverfahrens, welches robust und einfach ist und von den Minensuchern im Feld eingesetzt werden kann.

Fig. 4: Modelle (links) für homogenen Sand (oben) und heterogener Boden (unten), die drei Landminen in 10 cm Tiefe beinhalten und darauf beruhende simulierte Radargramme (rechts). Der Farbbalken des Modells bezieht sich auf die Änderung der relativen dielektrischen Permittivität. Die Grauskale der Radargramme zeigt die normalisierte Amplitude der Reflexionen an.
 

Projektleitung

Dr. Jan Igel
 +49 (0)511 643-2770

Laufzeit

01.01.2014 - 31.12.2015

Förderung

BMVg

Ein Projekt aus dem Arbeitsbereich Oberflächennahe Erkundung