[论文解读] 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 ApplicationsEngineering被引用 18

一句话总结

本研究通过在无人机载具上搭载调频连续波（FMCW）地穿透雷达，实现了基于无人机平台的圆环合成孔径雷达（CSAR）系统，以厘米级精度探测埋藏的反步兵地雷。通过三维重复航迹CSAR成像与深度剖面分析，15个测试地雷中的11个——包括浅埋与深埋地雷——被明确探测到，证明了该方法在人道主义排雷中实现远距离、高精度地雷探测的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发并验证一种新型机载无人机平台地穿透SAR系统，用于远距离探测埋藏的反步兵地雷。
• 通过采用圆环合成孔径雷达（CSAR）克服线性下视SAR的局限性，以提升深度分辨率并减少地表杂波影响。
• 利用相干数据处理与运动补偿技术，在三维空间中实现对埋藏爆炸物威胁的厘米级定位精度。
• 评估侧视雷达几何构型在不同地雷类型下探测地表及深埋地雷的性能表现。
• 展示在真实环境中，利用具有全运动自由度的FMCW雷达与无人机平台实现高分辨率地下成像的可行性。

提出的方法

• 采用搭载1–4 GHz频段频率调制连续波（FMCW）雷达的多旋翼无人机，在圆形飞行轨迹上采集相干雷达数据。
• 系统集成全站仪与惯性测量单元（IMU），实现实时高精度定位与飞行过程中的运动补偿。
• 采用带汉宁窗的FFT与16倍零填充的反投影信号处理方法，实现距离压缩与相位校正，用于三维SAR图像生成。
• 相位模型通过斯涅尔定律考虑信号在空气与土壤中的传播特性，假设土壤介电常数为恒定的经验值。
• 通过在不同平面（z₀）上聚焦SAR，生成深度剖面图，利用各平面上的幅度变化估算目标深度。
• 在每个聚焦平面上应用基于2D单元平均的恒定虚警率（CA-CFAR）算法检测目标，并以颜色编码深度的方式在三维空间中可视化结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于无人机搭载的圆环SAR系统是否能在受控环境中以厘米级精度探测埋藏的反步兵地雷？
• RQ2 侧视CSAR在探测近地表与深埋地雷时，其性能与线性SAR相比如何？
• RQ3 目标深度与散射中心分布对不同聚焦平面上深度剖面中幅度响应的影响程度如何？
• RQ4 当结合三维CSAR成像与运动补偿数据时，简单的CA-CFAR算法是否能可靠检测多种地雷类型？
• RQ5 在应用于多种地雷类型，特别是低金属或非金属地雷时，单传感器雷达探测存在哪些局限性？

主要发现

• 在垂直极化条件下，15种不同类型的假想地雷中有11个被明确探测到，探测精度达到厘米级。
• 深度剖面显示，不同聚焦平面上的幅度变化超过6 dB，证实即使在简化土壤介电常数建模条件下，仍可实现厘米级精度的目标深度估算。
• 具有复杂散射结构的目标（如压力板、VS50）表现出非对称的幅度响应，表明多个散射中心影响探测可见性。
• 当聚焦于目标最大反射发生平面时，检测性能最佳，目标7在东北方向视角下最为清晰可见。
• 虚警主要出现在杂波区域（如目标15附近），且目标6在所有配置中均未被探测到，凸显了单传感器方法的局限性。
• 水平极化探测到15个目标中的9个，证实传感器融合在不同极化与几何构型下对实现全面地雷探测至关重要。