Bodenradar
Aus Wissen gegen Minen
Die Ausführungen auf dieser Seite sind stark angelehnt an "Altenatives of Landmine Detection" Jacqueline MacDonald et.al, RAND report, ISBN 0-8330-3301-8, Document Number: MR-1608-OSTP, Year: 2003. Für die Verwendung der englischen Fassung liegt die Erlaubnis von RAND vor.
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Ground Penetrating Radar (GPR) - in den Boden eindringendes Radar, Bodenradar
GPR zur Detektion von vergrabenen Landminen basiert auf Änderungen der elektromagnetischen Eigenschaften der Bodenoberfläche und des darunter liegenden Bodens. GPR gehört zu den aktiven Methoden, das bedeutet, es wird aktiv ein elektromagnetisches Signal erzeugt, ausgesendet und nach Wechselwirkung mit der Umgebung (Boden, Landmine,..) wieder empfangen und ausgewertet.
Physikalische Grundlagen - Wirkungsweise
Mit Hilfe von GPR sucht man im Boden verborgene Objekte durch Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen (Radar) und analysiert die zurückkommenden Signale, die durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften an den Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex (z.B. Landmine und umgebende Erde) erzeugt werden. Grundsätzlich treten Reflexionen bei Änderungen der Dielektrizitätskonstante auf, wie der Abgrenzung zwischen Boden und Landmine oder zwischen Boden und großem Gestein. Ein GPR System besteht aus einer oder einer Serie von Antennen, die Wellen ausstrahlen und das Rücksignal auffangen. Ein kleines, computergesteuertes System wertet das Rücksignal aus, um Form und Position des Objekts zu bestimmen. Das Ergebnis ist ein Bild- bzw. Audiosignal, das, z.B. basierend auf einem Vergleich mit einer Minen-Datenbank, anzeigt, ob die Form einer Landmine ähnelt.
Der wichtigste Kontrollparameter in einem GPR-System ist die Frequenz (oder Wellenlänge) der elektromagnetischen Welle. Die Größe der mit GPR-Systemen zu findenden Objekte ist proportional zur Wellenlänge des Eingabesignals, d.h. die Qualität des Bildes steigt, wenn sich die Wellenlänge verringert (und die Frequenz vergrößert). Andererseits, bei hohen Frequenzen (kleinen Wellenlängen) kann die Eindringtiefe der auftreffenden Welle in den Bodens gering sein. Also muss der Entwickler einen Kompromiss machen zwischen der Bildqualität und der gewünschten Eindringtiefe. Das optimale Design für eine maximale Bildqualität bei ausreichender Eindringtiefe verändert sich mit den Umgebungsbedingungen, dem Bodentyp, der Minengröße und der Minenposition. Verschiedene alternative GPR-Designentwürfe müssen entwickelt werden, um den Kompromiss zwischen Eindringungstiefe und Bildqualität unter den verschiedensten äußeren Bedingungen zu optimieren.
Ein weiterer kritischer Punkt bei den GPR-Systemen sind die Algorithmen der Signalverarbeitung, die die Störsignale herausfiltern und die Objekte auswählen, die als Minen bestimmt werden sollen.
Entwicklungsstand
GPR ist eine ausgereifte Technologie, aber bisher wurde sie noch nicht weitreichend für die Minensuche eingesetzt. Erstmals wurde GPR 1929 genutzt, um die Tiefe eines österreichischen Gletschers zu messen. Die Armee testete die GPR Technik für Minensuche ansatzweise in den 40er Jahren des 20. Jh. Die ersten kommerziellen GPR Systeme wurden 1972 entwickelt. Seitdem hat sich die Nutzung von GPR zur Lokalisierung vergrabener Objekte wie Versorgungstrassen oder archäologischen Funde vermehrt. Obwohl GPR gut etabliert ist für all diese Nutzungen, ist das Verständnis dazu, wie unterschiedlich die Umgebungsbedingungen und Minencharakteristika seine Anwendungsmöglichkeiten beeinflussen, bei weitem nicht komplett. Bis vor kurzem war GPR nicht in der Lage, Durchführungsanforderungen zur Landminendetektion zu erfüllen, die für militärische Minenräumaktionen vonnöten sind.
Obwohl es Ansätze für GPR-Systeme gibt, die Metallantipanzerminen unter Laborbedingungen sicher finden, können diese Testresultate nicht auf andere verminte Umgebungen oder andere Wetterbedingungen aufgrund des erheblichen Einflusses des Bodentyps, der Bodenfeuchtigkeit und anderer natürlicher Störfaktoren auf die GPR Messungen hochgerechnet werden.
Stärken
GPR hat eine Reihe von Vorteilen. Zunächst einmal stellt es eine Ergänzung zu den herkömmlichen Metalldetektoren dar. Es spürt selbst bei der Abwesenheit von Metall Veränderungen der Dielektrizitätskonstante auf und kann deshalb Minen unterschiedlichster Art aufspüren, also nicht nur Metallminen. Ein Bild der Mine oder eines anderen vergrabenen Objekts durch Veränderungen der Dielektrizitätskonstante zu erstellen ist oft möglich, weil die erforderlichen Wellenlänge generell kleiner ist als die Mine selbst, und zwar bei Frequenzen, die immer noch eine angemessene Eindringtiefe aufweisen.
Außerdem stellt GPR eine ausgereifte Technologie mit einer langen Tradition gegenüber anderen Anwendungen dar.
Weiterhin kann GPR als leicht tragbar hergestellt werden und es liefert in vergleichbarer Geschwindigkeit Bilder wie das Metalldetektorsystem misst.
Einschränkungen
Natürliche Oberflächenunebenheiten (Wurzeln, Felsen, Wasserlachen) können Signale und somit Falschalarm (Alarm, obwohl keine Landmine da ist) auslösen. Außerdem kann hochgradig sensibel auf komplexe Wechselwirkungen zwischen dem metallischen Material der Mine, der Empfangsfrequenz, dem Bodenfeuchteprofil und der Rauhigkeit der Bodenoberfläche reagieren. Bei großer Bodenfeuchte wird die in den Boden eindringende Strahlung stark abgeschwächt und GPR kann bei Landminen versagen, die in nassen Böden tiefer als 4 cm liegen.
Andererseits besagen theoretische Untersuchungen, dass verstärkte Bodenfeuchtigkeit und Abfragefrequenz das Signal für nichtmetallische Minen verstärken können , aber nicht gleichmäßige Bodenfeuchtigkeitsprofile (z.B. nasse und trockene Oberflächen) und rauhe Bodenoberflächen Schwierigkeiten bereiten. Für dieselbe Mine kann eine GPR-Messung in Abhängigkeit von der Bodenfeuchtigkeit und der Minenposition effektiv oder ineffektiv sein. Solche komplexen Zusammenhänge machen die Leistung höchst variabel und schwierig vorherzusagen.
Eine weitere Einschränkung ist, dass das GPR System auf eine ausreichend hohe Frequenz gebracht werden muss, damit es nicht sehr kleine Plastikminen übersieht die in flacher Tiefe liegen, weil das von der Bodenoberfläche zurückgeworfene sehr starke Signal (verursacht durch die Unterschiede der elektrischen Eigenschaften zwischen Luft und Boden) das von der Mine aus dem Boden kommende, relative schwache Signal überdeckt.
Letztendlich muss der GPR-Hersteller einen Kompromiss zwischen der Frequenz und räumlichen Auflösung des Rücksignals und der Eindringtiefe machen, weil Hochfrequenz-Signale beste Auflösung bringen, aber nicht in die Tiefe dringen.
Möglichkeiten der Verbesserung Die gegenwärtige GPR-Technologie hat das Potenzial für eine hohe Leistungsfähigkeit. Es ist jedoch wichtig, dass Radarsignal von verschiedenen Landminen und natürlichen Umgebungen (Clutter) zu verstehen und berechnen zu können, um den zu erwartenden Leistungszuwachs bestimmen zu können. Diese Modellierung befindet sich noch in den Anfängen. Idealerweise wären GPR-Systeme in der Lage, räumlich hochauflösende Bilder an ein Signalauswertesystem zu liefern, welches entscheiden könnte, ob das vergrabene Objekt eine Wurzel, ein Stein, ein Störobjekt oder eine Landmine ist.
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