[論文レビュー] An Experimental Study on Airborne Landmine Detection Using a Circular Synthetic Aperture Radar

Markus Schartel, Ralf Burr+3 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2020

Geophysical Methods and Applications被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、UAS搭載のFMCW地上透過レーダーを用いて、空中から円形合成開口レーダー（CSAR）を実装し、埋設された対人用地雷をセンチメートルレベルの精度で検出することを示した。3次元繰り返し飛行CSAR画像化と深さプロファイルを用いて、浅い埋設および深く埋設された地雷を含む15個の試験地雷のうち11個が明確に検出された。これは、人道的除草作業における非接触で高精度な地雷検出の可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Many countries in the world are contaminated with landmines. Several thousand casualties occur every year. Although there are certain types of mines that can be detected from a safe stand-off position with tools, humanitarian demining is still mostly done by hand. As a new approach, an unmanned aerial system (UAS) equipped with a ground penetrating synthetic aperture radar (GPSAR) was developed, which is used to detect landmines, cluster munition, grenades, and improvised explosive devices (IEDs). The measurement system consists of a multicopter, a total station, an inertial measurement unit (IMU), and a frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar operating from 1 GHz to 4 GHz. The highly accurate localization of the measurement system and the full flexibility of the UAS are used to generate 3D-repeat-pass circular SAR images of buried antipersonnel landmines. In order to demonstrate the functionality of the system, 15 different dummy landmines were buried in a sandbox. The measurement results show the high potential of circular SAR for the detection of minimum metal mines. 11 out of 15 different test objects could be detected unambiguously with cm-level accuracy by examining depth profiles showing the amplitude of the targets response over the processing depth.

研究の動機と目的

• 非接触での埋設対人用地雷検出を目的とした、新規の空中UASベースの地上透過SARシステムの開発と検証。
• 線形垂直指向SARの限界を克服するため、深さ分解能の向上と表面クラッターの低減を目的として、円形合成開口レーダー（CSAR）を採用。
• コherrentデータ処理と運動補償を用いて、3次元空間における爆発的脅威のセンチメートルレベルの局所化精度を達成。
• さまざまな地雷種別において、表面および深く埋設された地雷の両方を検出可能な側面指向レーダー幾何構成の性能を評価。
• 実環境条件下で高解像度の地下画像を得るため、UAS上でのフルモーションの自由度を有するFMCWレーダーの使用可能性を実証。

提案手法

• 1–4 GHzで動作する周波数変調連続波（FMCW）レーダーを搭載したマルチコプターUASを用い、円形飛行軌道に沿ってコherrentレーダーデータを収集した。
• 飛行中の高精度リアルタイム局所化と運動補償を実現するため、トータルステーションと慣性計測装置（IMU）を統合した。
• バックプロジェクション信号処理にハン窓を適用したFFTと16倍のゼロパディングを用い、3次元-SAR画像形成のための距離圧縮と位相補正を実現。
• 屈折の法則を用いて、空気および土壌中を通過する信号の伝播をモデル化し、土壌の誘電率は経験的値を仮定した定数とした。
• 深さプロファイルは、異なる平面（z₀）にSARを焦点合わせることで生成され、これらの平面における振幅変動を用いて、ターゲットの深さを推定した。
• 各焦点平面に2次元セル平均化一定誤報率（CA-CFAR）アルゴリズムを適用し、3次元空間で色分けされた深さで結果を可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAS搭載の円形SARシステムは、制御された環境下で、埋設された対人用地雷をセンチメートルレベルの精度で検出可能か？
• RQ2 表面付近および深く埋設された地雷の両方を検出するにあたり、側面指向CSARの性能は線形SARと比較してどう異なるか？
• RQ3 ターゲットの深さおよび散乱中心の分布が、さまざまな焦点平面における振幅応答に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 3次元-CSAR画像化と運動補償データを組み合わせた場合、単純なCA-CFARアルゴリズムが複数の地雷種別を信頼性高く検出可能か？
• RQ5 特に金属含有量が最小限または非金属の地雷種別に対して、単一センサーのレーダー検出の限界は何か？

主な発見

• 垂直偏光を用いた結果、15種類の異なるダミー地雷のうち11個が明確に検出され、検出精度はセンチメートルレベルであった。
• 深さプロファイルでは、異なる焦点平面間で6 dBを超える振幅変動が観測され、簡素化された土壌誘電率モデルのもとでも、ターゲット深さのセンチメートルレベルの精度での推定が可能であることが確認された。
• 複雑な散乱構造（例：圧力板、VS50）を有するターゲットは非対称な振幅応答を示し、複数の散乱中心が検出可視性に影響を与えていることが示された。
• ターゲットの最大反射が発生する平面に焦点を合わせた場合に、最高の検出性能が得られ、特にターゲット7は北東方向から最も明確に観測された。
• 誤検出は主にクラッターが強い領域（例：ターゲット15の周辺）に発生し、ターゲット6はすべての設定で検出されなかった。これは単一センサー手法の限界を示している。
• 水平偏光では15個のターゲットのうち9個が検出された。これは、包括的な地雷検出のため、偏光および幾何構成のセンサーフュージョンが不可欠であることを確認した。