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Counter IED 1 & 2

Phase 1: Entwicklung eines Bodenbewertungsverfahrens für Georadarsensoren im Rahmen der Counter-IED (Detektion von „Improvised Explosive Devices“ - Sprengfallen)
Phase 2: Generierung von synthetischen Musterdaten für die Kampfmitteldetektion mittels Georadar-Sensoren

Einleitung

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. Es werden daher komplementär GPR-Sensoren eingesetzt (sogenannte Dualsensoren).
Das GPR kann prinzipiell beliebige Materialien voneinander unterscheiden, vorausgesetzt, der Kontrast der elektrischen bzw. dielektrischen Eigenschaften ist groß genug. Bestimmte Untergrundbedingungen beinträchtigen die GPR-Performance jedoch so stark, dass vergrabene Objekte übersehen werde können. 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

CIED 1: Wellendämpfung & Bodenbewertungssystem

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. IEDs und Blindgänger sind oft tiefer vergraben als Antipersonen-Minen, 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 häufig frequenzabhängig, was zu einer Deformation der Radarsignale führen kann.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Prognose der GPR-Performance. Wir verwenden hierfür die TDR-Technik (time domain reflectometry), um aus der Laufzeit und Amplitude der TDR-Pulse die Dämpfung und die EM Ausbreitungsgeschwindigkeit im Boden zu bestimmen. Das TDR-Verfahren kann aufgrund der einfachen Handhabung auch während der Minenräumung eingesetzt werden, um direkt im Feld für die jeweiligen Bodenbedingungen die GPR-Performance abzuleiten.

CIED 2: Bodenheterogenität, Simulationen und Szenarienkatalog

Neben der Dämpfung sind die Bodenheterogenität und Oberflächenrauhigkeit limitierende Faktoren, welche Rauschen in den Daten verursachen. Dies stellt besonders dann ein Problem dar, wenn der Kontrast des Objekts zum Boden nur gering ist und die reflektierten Radaramplituden entsprechend schwach sind.

Der Aufbau von Testflächen zur Untersuchung der Sensorperformance ist sehr aufwändig und spiegelt stets nur eine begrenzte Kombination an Böden und Zielobjekten wider. Im aktuellen Projekt sollen daher verschiedene Szenariensimulationen durchgeführt und synthetische Musterdatensätze generiert werden, um die verschiedenen Einflussgrößen systematisch zu untersuchen und die Grenzen von GPR-Sensoren in heterogenen Böden zu spezifizieren. Die synthetischen Daten können auch zum Trainieren von Minensuchern oder Mustererkennungsalgorithmen herangezogen werden.

Aktuelle Publikationen

  • Ultra-broadband electrical spectroscopy of soils and sediments - A combined permittivity and conductivity model. - Geophysical Journal International, (2017) 210, 1360-1373
    2017, LOEWER, M., GÜNTHER, T., IGEL, J., KRUSCHWITZ, S., MARTIN, T. & WAGNER, N.
  • Spectral Decomposition of Soil Electrical and Dielectric Losses and Prediction of In Situ GPR Performance. - IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 9 (1): 212-220, Jan. 2016.
    2016, LOEWER, M., IGEL, J. & WAGNER, N.
  • Electrical and Dielectric Properties of Soils in the mHz to GHz Frequency Range. - In: Proceedings of the 11th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, ISEMA 2016, edited by R. Olmi & M. Bittelli, Florence, 2016.
    2016, LOEWER, M., IGEL, J., MINNICH, C. & WAGNER, N.
  • FDTD Simulation of GPR with a Realistic Multi-Pole Debye Description of Lossy and Dispersive Media. - Proceedings of the 16th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR), 2016, Hong Kong.
    2016, LOEWER, M. & IGEL, J.
  • Sensitivity Analysis of Soil Heterogeneity for Ground-Penetrating Radar Measurements by Means of a Simple Modeling. - Radio Science, 50, 79-86, 2015.
    2015, TAKAHASHI, K., IGEL, J., PREETZ, H. & SATO, M.
  • Influence of Heterogeneous Soils and Clutter on the Performance of Ground-Penetrating Radar for Landmine Detection. - IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 52,6, 3464-3472, 2014.
    2014, TAKAHASHI, K., IGEL, J., PREETZ, H. & SATO, M.
  • Landmine and UXO detection using EMI and GPR – limitations due to the influence of the soil. - First Break, 31, 43 - 51.
    2013, IGEL, J., PREETZ, H., TAKAHASHI, K. & LOEWER, M.

Team

Projektleitung

Dr. Jan Igel
+49 511 643-2770

Projektbearbeitung

Sam Stadler

Stephan Schennen

Markus Loewer

Förderung

Bundesministerium für Verteidigung (BMVg)

Laufzeit

01.01.2014 - 30.09.2018

Links

Forschungsfeld Georadar

Nachfolgerprojekt

Counter-IED 3

Vorgängerprojekt

Landminen