Verringerung der Falschalarmrate bei der Landminendetektion mit einem Ground-Penetrating-Radar

Abstract

Täglich steigt die Zahl verlegter Minen und anderer hochexplosiver Objekte. Damit einhergehend ist der stete Anstieg an Minenopfern. Zivilpersonen stellen den überwiegenden Anteil an Opfern dar, zumal die Explosiva noch Jahrzehnte nach Konfliktbeendigung hochgradig reaktiv sind und durch Umwelteinflüsse weiträumig verlagert worden sein können. Die humanitäre Minenräumung ist eine langwierige, teure und gefährliche Aufgabe für die Minenräumer. Gegenwärtig werden für diesen Prozess hauptsächlich handgeführte Metalldetektoren (MDs) eingesetzt. Mit diesen MDs ist die Detektion von Minimum-Metall-Landminen sehr schwierig, weshalb zusätzlich Ground-Penetrating-Radar (GPR)-Systeme zum Einsatz kommen. Ein GPR kann jedoch durch eine Vielzahl an Einflüssen der Umgebung gestört werden. Das Ziel dieser Arbeit ist, die humanitäre Minenräumung durch den Einsatz neuartiger GPR-Systeme zu verbessern. Dazu sind verschiedene Einflüsse auf ein GPR systematisch zu untersuchen und seine jeweiligen Grenzen für den Einsatz in der humanitären Minenräumung aufzuzeigen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit kommen sowohl die klassische „downlooking“ Radaranordnung als auch ein „sidelooking“ Synthetic Aperture Radar (SAR) zum Einsatz. Ausgehend von diesen Erkenntnissen ist ein roverbasiertes GPR-System zu konzipieren, aufzubauen und damit erste Testmessungen durchzuführen. Weiterhin ist die Detektionsfähigkeit eines in der Entwicklung befindlichen Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-gestützten Ground-Penetrating Synthetic-Aperture-Radar (GPSAR)-Systems zu steigern. Für beide GPR-Anwendungen ist gleichzeitig die Falschalarmrate (FAR) zu verringern. Die systematische Untersuchung der verschiedenen Einflüsse im Labor hat gezeigt, dass vorwiegend der Wassergehalt im Boden wie auch in der Vegetation einen wesentlichen Einfluss auf die Detektion vergrabener Objekte hat. Auch ist die Struktur der Pflanzen von Bedeutung; homogen gewachsenes Gras hat einen geringeren Einfluss als einzelne krautartige Gewächse. Die Topologie der Oberfläche kann die charakteristische Zielantwort, primär von flach vergrabenen, kleineren Objekten deformieren und deshalb deren Detektion erschweren. Die Leistungsfähigkeit des konzipierten roverbasierten GPR-Systems konnte mit ersten Feldmessungen nachgewiesen werden. Eingesetzte Simulanten von Panzerabwehrminen (AVMs) und Antipersonenminen (APMs) konnten erfolgreich detektiert werden. Zusätzlich wurden verschiedene Detektionsalgorithmen auf deren Leistungsfähigkeit untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Labor zeigen sich auch in den GPSAR-Messungen. Durch die Implementierung eines auf der Kreissignatur im Phasengang der GPSAR-Daten basierenden Detektionsverfahren konnte die Leistungsfähigkeit des GPSAR-Systems nachhaltig gesteigert werden. Insbesondere die FAR kann auf Grundlage dieses Ansatzes deutlich verringert werden. Ausgehend von den in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnissen können GPR-Systeme weiterentwickelt und in Folge für die humanitäre Minenräumung effektiv eingesetzt werden. Sie bieten so die Möglichkeit, die direkte Gefahr für den Minenräumer zu verringern und beispielsweise durch den automatisierten Betrieb die Räumgeschwindigkeit zu erhöhen.