[논문 리뷰] An Experimental Study on Airborne Landmine Detection Using a Circular Synthetic Aperture Radar

Markus Schartel, Ralf Burr외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 06.

Geophysical Methods and ApplicationsEngineering인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 UAS에 탑재된 FMCW 지하 탐지 레이더를 사용하여 공중에서 원형 합성(aperture) 레이더(CSAR)를 구현하여 인명 폭발물 지뢰를 센티미터 수준의 정밀도로 탐지하는 것을 보여준다. 3차원 반복 비행 CSAR 영상 및 깊이 프로파일링을 통해 15개의 시험 지뢰 중 11개—얕고 깊이 묻힌 지뢰를 포함—이 명확하게 탐지되었으며, 이는 인도적 데모닝에서 원거리 고정밀 지뢰 탐지에 이 방법의 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원거리에서 묻힌 인명 폭발물 지뢰를 탐지하기 위한 새로운 공중 UAS 기반 지하 탐지 SAR 시스템을 개발하고 검증하는 것.
• 선형 하향 레이더의 한계를 극복하기 위해 원형 합성(aperture) 레이더(CSAR)를 도입하여 깊이 해상도를 향상시키고 표면 클러터를 감소시키는 것.
• 코herent 데이터 처리 및 운동 보정을 통해 3차원 공간에서 묻힌 폭발물 위협의 센티미터 수준 정밀도의 국소화를 달성하는 것.
• 다양한 지뢰 유형에 걸쳐 표면 및 깊이 묻힌 지뢰를 탐지하는 데 있어 측면 레이더 기하학의 성능을 평가하는 것.
• 실제 환경 조건에서 고해상도 지하 영상 촬영을 위해 UAS에 설치된 FMCW 레이더를 전면 운동 유연성과 함께 활용할 수 있는 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 1–4 GHz 대역에서 동작하는 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더를 탑재한 다로터 UAS를 사용하여 원형 비행 궤적을 따라 코herent 레이더 데이터를 수집하였다.
• 고정밀 실시간 국소화 및 비행 중 운동 보정을 위해 총계 측량기와 관성 측정 장치(IMU)를 통합하였다.
• 백프로젝션 신호 처리에 히트윈드로우드 FFT 및 16배의 제로 패딩을 적용하여 범위 압축 및 위상 보정을 수행함으로써 3D-SAR 영상 생성을 구현하였다.
• 신호가 공기와 토양을 통과할 때의 전파를 고려하기 위해 스넬의 법칙을 적용하였으며, 토양의 비례율은 경험적 값으로 일정하다고 가정하였다.
• 다양한 평면(z₀)에 초점을 맞춰 SAR를 집중시키고, 이러한 평면들 사이의 진폭 변화를 분석하여 목표물 깊이를 추정하였다.
• 각 초점 평면에 대해 2D-셀 평균 기반 일정한 거짓 경고율(CA-CFAR) 알고리즘을 적용하여 목표물을 탐지하였으며, 결과는 색상으로 깊이를 표시한 3차원 시각화로 제공되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UAS에 장착된 원형 SAR 시스템은 통제된 환경에서 묻힌 인명 폭발물 지뢰를 센티미터 수준 정밀도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 측면 레이더 기하학의 CSAR 성능은 표면 근처나 깊이 묻힌 지뢰 탐지에서 선형 SAR에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 목표물의 깊이와 산란 중심 분포가 다양한 초점 평면에서의 진폭 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 3D-CSAR 영상 및 운동 보정 데이터와 결합된 단순한 CA-CFAR 알고리즘이 여러 지뢰 유형을 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ5 특히 최소 금속 또는 비금속 지뢰 유형에 적용했을 때 단일 센서 레이더 탐지의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 수직 편광을 사용하여 15종의 다른 드럼 지뢰 중 11개가 명확하게 탐지되었으며, 탐지 정밀도는 센티미터 수준이었다.
• 깊이 프로파일에서 다양한 초점 평면 간 진폭 변화가 6 dB 이상으로 관찰되어, 단순화된 토양 비율 모델링에도 불구하고 목표물 깊이를 센티미터 정밀도로 추정할 수 있음을 확인하였다.
• 복잡한 산란 구조를 가진 목표물(예: 압력판, VS50)은 비대칭적인 진폭 응답을 보였으며, 이는 다중 산란 중심이 탐지 가능성에 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 목표물의 최대 반사가 발생하는 평면에 초점을 맞출 때 가장 높은 탐지 성능를 달성하였으며, 특히 목표물 7은 북동쪽 방향에서 가장 명확하게 관측되었다.
• 거짓 경고는 주로 클러터가 많은 지역(예: 목표물 15 근처)에서 발생하였으며, 목표물 6는 모든 설정에서 탐지되지 않았다. 이는 단일 센서 접근의 한계를 보여준다.
• 수평 편광은 15개의 목표물 중 9개를 탐지하였으며, 이는 다양한 편광 및 기하학적 조합의 센서 융합이 포괄적인 지뢰 탐지에 필수적임을 확인한다.