Implementierung eines schnellen numerischen GPR -Simulators zur stochastischen Analyse von improvisierten Sprengsätzen in Kolumbien

Jochen Jebramcik, Jan Barowski, Christoph Baer, Ilona Rolfes

Klein­heu­ba­cher Ta­gung 2017, U.R.S.I. Lan­des­aus­schuss in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land e.V., Mil­ten­berg, Ger­ma­ny, Sep 25-27, 2017


Abstract

vergleichsweise geringen Anteil metallischer Komponenten auf, was zum einen die zuverlässige Detektion und zum anderen die Unterscheidung von anderen vergrabenen Objekten erschwert. Um das durch den kleinen Radarrückstreuquerschnitt geringe SNR zu verbessern, werden oftmals Methoden zur Fokussierung der Radarechos auf Basis von SAR-Algorithmen (SAR - Synthetic Aperture Radar) eingesetzt. Darüber hinaus kann das Ausnutzen des Resonanzverhaltens bestimmter Komponenten der Sprengsätze eine Identifikation ermöglichen. Die gemessenen Radardaten sind hierbei sowohl von der Beschaffenheit und Orientierung der Sprengsätze selbst als auch von verschiedenen Bodeneigenschaften, wie beispielsweise Feuchtigkeit und Oberflächenrauigkeit, abhängig. Die Auswirkung dieser großen Parameteranzahl kann durch Messungen alleine nicht untersucht werden, weshalb eine effektive und genaue Simulationsumgebung für eine stochastische Analyse benötigt wird. Eine vollständige 3D-Simulation des Gesamtszenarios, bestehend aus Antenne, Bodenstruktur und IED führt aufgrund der sehr kleinen Details (z.B. der Zünder der Mine) in Kombination mit dem großen Simulationsraum zu sehr langen Rechenzeiten und ist hierfür daher ungeeignet. In diesem Zusammenhang wird eine Simulationsumgebung vorgestellt, die auf der zweidimensionalen Finite-Differenzen-Methode im Frequenzbereich (FDFD) beruht. Bei der FDFD handelt es sich um ein exaktes numerisches Verfahren, welches ähnlich der FDTD die Lösung elektrischer Feldprobleme auf einem diskreten Gitter (Grid) ermöglicht und bereits erfolgreich zur Simulation von photonischen Kristallen und periodischen Gittern eingesetzt wurde. Eine Implementierung im Frequenzbereich bietet im Bezug auf GPR-Messungen den Vorteil, dass die großen Verluste und das stark dispersive Verhalten der Bodenstruktur einfach berücksichtigt werden können und darüber hinaus resonantes Verhalten der Sprengsätze effektiv simuliert wird. Die Eigenschaften der Antenne haben ebenfalls einen großen Einfluss auf die realen Messdaten eines GPR-Systems. Die Simulation der Antenne als vollständiges Modell ist allerdings sehr aufwendig, weshalb mithilfe der Total-Field / Scattered-Field - Methode (TF/SF) eine Möglichkeit implementiert wurde, das Quellfeld direkt in die Simulation einzufügen und auf diese Weise Simulationszeit zu sparen. Ein großes Problem bei der Detektion von oberflächennahen Objekten ist Clutter, bedingt durch die starke Reflexion an der Bodenoberfläche. In diesem Zusammenhang werden Simulationsergebnisse vorgestellt, die den Einfluss von Oberflächenrauigkeit auf die Rohdaten (B-Scan)und fokussierten Daten zeigen. Zur Fokussierung wurde hierbei der Backprojection-Algorithmus verwendet, der eine pulsweise Verarbeitung der Daten ermöglicht und daher für den Einsatz in einem mobilen Gerät mit Echtzeit-Prozessierung geeignet ist. Die Simulation zeigt, dass durch die Fokussierung eine Verbesserung des Radarechos des Sprengsatzes erreicht werden kann und die Bodenreflexion räumlich stärker begrenzt ist, wodurch oberflächennahe Objekte besser erkannt werden können.

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