DE102017112210A1

DE102017112210A1 - Verfahren zur Ermittlung der Position einer in einem Suchgebiet befindlichen Landmine

Info

Publication number: DE102017112210A1
Application number: DE102017112210.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Schartel; Winfried Mayer; Christian Waldschmidt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Positioneiner in einem Suchgebiet (4) befindlichen Landmine (2) mittels eines SAR-basierten Distanzmessgerätes (5), das an einem unbemannten Luftfahrzeug (1) angebracht ist. Es umfasst folgende Verfahrensschritte: - Umfliegen des Suchgebietes (4) entlang einer kreisförmigen Flugbahn (3) in einer vorbekannten Flughöhe (h), wobei während des Umfliegens ein Sendesignal (S) in Richtung des Suchgebietes (4) ausgesendet wird und ein durch Reflektion an der Landmine (1) erzeugtes Echosignal (E) vom Distanzmessgerät (5) empfangen wird: - Bestimmung einer Entfernungsinformation (d) und Zuordnung einer korrespondierenden Flugpositionauf der Flugbahn (3) zu jedem der abgespeicherten Echosignale (E); - Berechnung der Positionder Landmine (1) anhand der Flugpositions-abhängigen Entfernungsinformationen (d) und der Flughöhe (h). Durch dieses Verfahren wird unabhängig davon, ob die Landmine (2) vergraben ist, ein verfälschungssicheres, einfaches und genaues Verfahren zur Ortung von Landminen bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position einer in einem Suchgebiet befindlichen Landmine mittels eines Radar-basierten Distanzmessgerätes, welches nach der Methode der synthetischen Apertur arbeitet.
In vielen Ländern werden Land-Gebiete aufgrund von militärischen Konflikten mit Landminen, also Anti-Personen Minen oder Anti-Panzer Minen, kontaminiert. Dadurch werden diese Gebiete auch nach Ende der militärischen Auseinandersetzungen für Menschen nur unter Gefahr betretbar. Vor allem nach Ende der Auseinandersetzungen ist es jedoch erstrebenswert, potentiell verminte Gebiete auf etwaige Landminen hin zu untersuchen und gegebenenfalls deren genaue Position zu lokalisieren. Somit kann entweder sichergestellt werden, dass sich in dem untersuchten Suchgebiet keine Landmine befindet. Andernfalls können lokalisierte Minen gezielt entschärft werden. Die Lokalisierung von Landminen in solchen Suchgebieten ist jedoch nach dem Stand der Technik schwer möglich, ohne dass das Suchgebiet von Menschen oder von Maschinen betreten wird. Hierdurch entsteht eine entsprechende Gefährdung für Mensch und/oder Maschine.
Ein Verfahren zum Lokalisieren von Landminen, bei dem kein Betreten des Geländes erforderlich ist, wird in dem europäischen Patent EP 016 936 42 B1 beschrieben. Dort erfolgt das Lokalisieren in zwei aufeinanderfolgenden Schritten: In einem ersten Schritt wird eine bioreaktive Lösung auf dem Suchgebiet aufgebracht, beispielsweise mittels Versprühen. Dabei reagiert die bioreaktive Lösung mit dem Explosivstoff im direkten Umfeld der Landmine zu einem fluoreszierenden Stoff. Anschließend wird in einem zweiten Schritt das Suchgebiet mit einem Laser-Gerät abgescannt und dadurch die Position mit fluoreszierendem Stoff bzw. die Position der Landmine lokalisiert. Hierbei ist das Laser-Gerät an einem Luftfahrzeug angebracht, so dass das Suchgebiet nicht betreten werden muss. Nachteilig an dem beschrieben Verfahren ist jedoch zum einen, dass es bedingt durch die zwei Verfahrensschritte vergleichsweise zeitaufwändig ist. Zum anderen besteht eine Unsicherheit des Verfahrens darin, dass bei nicht flächendeckendem Aufbringen der bioreaktiven Lösung etwaige Landminen nicht mit Sicherheit detektiert werden. Ein dritter Nachteil besteht darin, dass nicht bestimmt werden kann, ob und wie tief die Landmine vergraben ist.
Daneben sind zum Zweck der Landminen-Lokalisierung auch Radar-basierte Verfahren bekannt. Ein auf dem Prinzip des „Stripmap-SAR“ beruhendes Verfahren wird beispielsweise in der Nicht-Patent-Literatur Heinzel et al.; „Focussing Methods for Ground Penetrating MIMO SAR Imaging within Half-Spaces of Different Permittivity“; EUSAR 2016; Hamburg June 2016 beschrieben. Das dortige Verfahren basiert auf der Verwendung mindestens zweier versetzt angeordneter Radar-Antennen, mittels derer auch die Position vergrabener Landminen dreidimensional abgebildet werden kann. Um die Position der Landmine genau bestimmen zu können, ist es notwendig, den Versatz der zwei Antennen entsprechend groß zu wählen. Dadurch wird es jedoch erschwert, das entsprechende Radar-Gerät so kompakt zu realisieren, dass es an einem unbemannten Luftfahrzeug angebracht werden kann. Dabei sind bemannte Luftfahrzeuge insbesondere dann nur schwer einsetzbar, wenn das Suchgebiet sehr kleingliedrig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, sicheres und genaues Verfahren zur Detektion von Landminen bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung der Position einer in einem Suchgebiet befindlichen Landmine mittels eines Radar-basierten Distanzmessgerätes. Hierbei ist das Distanzmessgerät an einem unbemannten Luftfahrzeug angebracht. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:

- Umfliegen des Suchgebietes mittels des unbemannten Luftfahrzeuges entlang einer geschlossen und zumindest annähernd kreisförmigen (also beispielsweise einer elliptischen) Flugbahn in einer vorbekannten Flughöhe. Dabei wird während des Umfliegens
- ○ durch das Distanzmessgerät ein Sendesignal in Richtung des Suchgebietes ausgesendet,
- ○ ein durch Reflektion des Sendesignals an der Landmine erzeugtes Echosignal vom Distanzmessgerät empfangen und mit einer vorbestimmten Abtastrate abgespeichert,
- Bestimmung einer Entfernungsinformation und Zuordnung einer korrespondierenden Flugposition auf der Flugbahn zu jedem der abgespeicherten Echosignale,
- Berechnung der Position der Landmine anhand der Flugpositions-abhängigen Entfernungsinformationen und der Flughöhe, wobei die Berechnung der Position der Landmine anhand der Flugpositions-abhängigen Entfernungsinformationen und der Flughöhe mittels eines Algorithmus durchgeführt wird, der auf der Methode der synthetischen Apertur (auch bekannt unter dem Begriff „SAR: Synthetic Aperture Radar“) basiert.

Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass das Vergraben der Landmine nicht zu einer Verfälschung von deren detektierter Position führt. Somit kann die Position einer etwaigen Landmine zwecks Entschärfung graphisch (beispielsweise auf dem Display eines Mobilfunkgerätes) angezeigt werden. Zu einer zweidimensionalen Visualisierung der Position der Landmine innerhalb des Suchgebietes z. B. könnte dabei insbesondere der Algorithmus der gefilterten Rückprojektion angewendet werden.
Dadurch, dass das Verfahren auf der Methode der synthetischen Apertur gestützt ist, wird eine sehr präzise Positionsbestimmung auf Basis eines vergleichsweise kompakt realisierbaren Distanzmessgerätes möglich. Somit kann das Verfahren mittels eines leichten und entsprechend präzise manövrierbaren, unbemannten Luftfahrzeuges, wie beispielsweise einem batteriebetriebenen Quadrocopter, durchgeführt werden. Dabei ist es zugunsten einer hohen Auflösung vorteilhaft, die Flughöhe, die Frequenz des Sendesignals, die Abtastrate und/oder die Flugbahn derart zu wählen, dass die Position der Landmine mit einer Auflösung von weniger als 10 cm detektiert werden kann.
Die genaue Bestimmung der Position mittels des Verfahrens der synthetischen Apertur wird dadurch ermöglicht, dass die Amplitude und/oder die Phase des empfangenen Echosignals vom Distanzmessgerät komplexwertig abgespeichert bzw. ausgewertet werden/wird. Die Berechnung der Position der Landmine kann außerdem auf sehr einfache Weise implementiert werden, wenn die Sende- bzw. Empfangs-Antenne derart an dem unbemannten Luftfahrzeug angeordnet ist, dass der Strahlkegel (bzw. die Achse des Strahlkegels) der Antenne des Distanzmessgerätes in etwa senkrecht zur Flugbahn ausgerichtet ist. Im Falle einer separaten Sende- und Empfangs-Antenne gilt dies natürlich für die Strahlkegel beider Antennen.
Im Rahmen der Erfindung wird nicht fest vorgeschrieben, ob das Distanzmessgerät auf Basis des Puls-Laufzeit-Verfahrens oder auf Basis des FMCW-Verfahrens („Frequency Modulated Continuos Wafe“) betrieben wird. Im Falle des Puls-Laufzeit-Verfahrens wird das Sendesignal entsprechend gepulst ausgesendet und die jeweilige Flugpositions-abhängige Entfernungsinformation mittels Messung einer Laufzeit des an der Landmine reflektierten Pulses ermittelt. Im Falle des FMCW-Verfahrens wird das Sendesignal mit einer Frequenz ausgesendet, die sich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes insbesondere linear ändert. Die jeweilige Entfernungsinformation wird bei FMCW mittels Messung einer Frequenzdifferenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ermittelt.
Um eine flächendeckende Suche zu erreichen, besteht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, mehrere Suchgebiete, die entlang eines insbesondere geradlinigen Pfades aufeinanderfolgend angeordnet sind, entlang mehrerer in etwa kreisförmiger Flugbahnen, die entlang des Pfades einen entsprechenden Versatz aufweisen, aufeinanderfolgend mit dem unbemannten Luftfahrzeug zu umfliegen.
Die Frequenz, mit der das Distanzmessgerät das Sendesignal aussendet, ist vorzugsweise so zu wählen, dass es möglichst gut an etwaigen (metallischen) Landminen reflektiert wird, ohne vom Boden des Suchgebietes reflektiert zu werden. Hierzu bietet es sich erfindungsgemäß an, dass die Frequenz des Sendesignals höher als 0.5 GHz ist und sich insbesondere in einem Frequenzband von 1 GHz bis 10 GHz befindet. Zwecks Erhöhung der Sende-/Empfangs-Dynamik kann das Distanzmessgerät zudem vorteilhaft so ausgelegt werden, dass es nicht nur eine einzige Antenne zum Senden und Empfangen, sondern sowohl eine Sende-Antenne zum Aussenden des Sendesignals in einem vordefinierten Strahlkegel und zumindest eine Empfangs-Antenne zum Empfang des Echosignals innerhalb eines entsprechenden Strahlkegels umfasst. In diesem Zusammenhang besteht eine besonders günstige Ausgestaltungsvariante darin, dass das Distanzmessgerät zwei Empfangs-Antennen mit jeweils einem Strahlkegel aufweist, wobei sich die zwei Strahlkegel komplett oder zumindest teilweise überlappen.
Im Sinne der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn als unbemanntes Luftfahrzeug ein ferngesteuerter oder autonom fliegender Drehflügler, insbesondere ein Multicopter, eingesetzt wird, da insbesondere diese Art von Luftfahrzeug präzise manövrierbar ist. Solche Luftfahrzeuge sind in der Lage, die Flugbahn sehr genau (auch in niedrigen Höhen) abzufliegen, so dass die Methode der synthetischen Apertur anwendbar ist und die Position etwaig lokalisierter Landminen präzise und verfälschungsfrei erfasst wird. Dabei kann die Steuerung des unbemannten Luftfahrzeugs entlang der in etwa kreisförmigen Flugbahn auf Basis eines GPS-gestützten Navigationsverfahrens, eines trägheitsgestützten Navigationsverfahrens, und/oder eines optisch gestützten Navigationsverfahrens erfolgen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Eine Veranschaulichung der SAR-basierten Landminensuche nach dem Stand der Technik,
2: eine graphische Darstellung Positionsverfälschung bei Anwendung des SAR Verfahrens nach dem Stand der Technik,
3: ein erfindungsgemäßes SAR Verfahren zur Lokalisierung von Landminen, und
4: eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen SAR Verfahrens.

Bildgebende Verfahren, die auf Radar-basierter Distanzmessung aufbauen und allgemein zur Lokalisierung von Objekten eingesetzt werden, sind technisch bereits ausgereift und werden kommerziell eingesetzt. Sie basieren auf dem Prinzip des sogenannten „Synthetic Aperture Radar“ (SAR; zu Deutsch: „Verfahren der synthetischen Apertur“) und werden beispielsweise zur Erfassung von Geländetopographien mittels Satelliten-gestütztem Radar eingesetzt. Anhand von 1 wird das Funktionsprinzip von SAR basierten Verfahren nach dem Stand der Technik erläutert. Anhand dessen wird verdeutlicht, welche Nachteile sich jedoch in Hinblick auf die Lokalisierung einer Landmine 2 ergeben:
Wie in 1 dargestellt ist, basiert das SAR Verfahren grundsätzlich darauf, ein Radar-basiertes Distanzmessgerät 5 über eine in etwa gerade Flugbahn 3 entlang eines vorgegebenen Suchgebietes 4 zu führen. Dabei wird das Distanzmessgerät 5 so geführt, dass es ein Radar- bzw. Mikrowellen-basiertes Sendesignal S_HF über eine entsprechende Antenne in circa senkrechtem Winkel zur Flugbahn 3 in Richtung des Suchgebietes 4 aussendet. Dementsprechend definiert sich die Länge des Suchgebietes 4 durch die Länge der Flugbahn 3. Die Breite Δy des Suchgebietes 4 wird jedoch vom Neigungswinkel der Antenne des Distanzmessgerätes 5 gegenüber der Horizontalen, vom Öffnungswinkel der Antenne, sowie von der Flughöhe h, in der das Distanzmessgerät 5 geführt wird, bestimmt.
Befindet sich auf dem Suchgebiet 4 ein zu detektierendes Objekt (im erfindungsgemäßen Anwendungsfall eine Landmine 2), so wird das Sendesignal S_HF hiervon reflektiert. Dabei ist die Tatsache, dass die Oberfläche des Suchgebietes selbst kaum reflektiert, auf die bodendurchdringende Eigenschaft von Radar-Signalen bei entsprechenden Radar-Frequenzen zurückzuführen. Dieser Effekt ist technisch unter dem Begriff „Ground Penetrating Radar“ bekannt. Hierfür nutzbare Radar-Frequenzen liegen oberhalb von 0.5 GHz und befinden sich insbesondere in einem Frequenzband von 1 GHz bis 10 GHz.
Anhand des reflektierten Echosignals E_HF ermittelt das Distanzmessgerät 5 aus dessen aktueller Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
auf der Flugbahn 3 eine aktuelle Entfernungsinformation d_i zur Landmine 2 und ordnet es der aktuellen Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 zu. Die jeweilige Entfernungsinformation d_i kann hierbei die (komplexwertige) Phase und/oder die (komplexwertige) Amplitude eines jeden empfangenen, reflektierten Signals E_HF sein. Dabei ist es zur Bestimmung der Entfernungsinformationen d_i per se nicht festgelegt, ob im Distanzmessgerät 5 das Puls-Laufzeit-Verfahren oder das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuos Wafe“) implementiert ist. Die absolute Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 (also deren laterale Position sowie deren Tiefe) ergibt sich dementsprechend aus der aktuellen Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 und der korrespondierenden Entfernungsinformation d_i (unter Kenntnis der Flughöhe h, in der das Distanzmessgerät 5 geführt wird). Die so ermittelte Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 könnte damit als Ausgangsbasis für eine gezielte Entschärfung dienen.
Wie aus der obigen Betrachtung hervorgeht, ist die Kenntnis der momentanen Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 auf der Flugbahn 3 in Bezug zu einem festen Bezugspunkt bzw. Bezugssystem des Suchgebietes 4 erforderlich, um die Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 „absolut“, also in Relation zu dem Bezugssystem bestimmen zu können. Als Bezugssystem bietet sich beispielsweise das geographische Koordinatensystem an. In diesem Fall kann die momentane Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 mittels GPS („Global Positioning System“) oder vergleichbaren Verfahren erfasst werden. Bei Verwendung von lokalen Bezugspunkten könnte aber auch auf optische Methoden (beispielsweise Laser-basiert mit entsprechenden Reflektoren) zurückgegriffen werden. Insbesondere zur Redundanz oder zur Präzisierung kann die Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 aber auch trägheitsbasiert mittels entsprechender Drehratensensoren ermittelt/verifiziert werden.
Unter der Annahme, dass die Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Distanzmessgerätes 5 unendlich genau bekannt ist, wird die Auflösung, mit der die Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 bestimmt werden kann, im Wesentlichen durch folgende Faktoren begrenzt:

- Der Geschwindigkeit, mit der das Distanzmessgerät 5 entlang der Flugbahn 3 geführt wird,
- der Abtastrate, mit der das Distanzmessgerät 5 das Sendesignal S_HF aussendet, und
- der Höhe h, in der das Distanzmessgerät 5 geführt wird (der Begriff „Höhe h“ bezieht sich im Kontext der vorliegenden Figuren auf die vertikale Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
des Luftfahrzeuges 1 / des Distanzmessgerätes 5 in Bezug zum Bezugspunkt/Bezugssystem des Suchgebietes 4).

Durch die Implementierung des SAR-Verfahrens kann diesen begrenzenden Faktoren entgegengewirkt werden: Beim SAR Verfahren kann, wie der Name bereits impliziert, die Apertur der Antenne durch geeignete Rechenverfahren künstlich vergrößert werden. Ausführlich beschrieben ist das SAR-Verfahren beispielsweise in Shahan, A. Hovanessian: „Introduction to Synthetic Array and Imaging Radars“; Artech House, Dedham MA; 1980. Eine Vergrößerung der Apertur bedeutet im Hinblick auf die Lokalisierung der Landmine 2, dass eine größere Auflösung der Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 erzielbar ist, ohne den Messbereich (im Fall des Suchgebietes 4 die Breite Δy) verkleinern zu müssen. Entsprechende Rechenverfahren hierfür basieren auf der Verrechnung der Entfernungsinformation d_i mehrerer Messungen, die von unterschiedlichen Positionen $\overset{⇀}{x_{l}}$
entlang der Flugbahn durchgeführt werden. Bei Verwendung des SAR-Verfahrens ist es dabei essentiell, dass die ermittelten Entfernungsinformation d_i sowohl die Phase als auch die Amplitude der reflektierten Signals E_HF in komplexwertiger Form beinhaltet. Durch das komplexwertige Erfassen wird es mittels des SAR-Verfahrens möglich, rechnerisch unterschiedliche Tiefen zu „fokussieren“ und somit nicht nur die laterale Lage, sondern durch die Tiefeninformation die vollständige, dreidimensionale Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 zu bestimmen (der Begriff „Tiefe“ bezieht sich im Kontext der vorliegenden Figuren auf die vertikale Entfernung z zwischen dem Luftfahrzeug 1 bzw. dem Distanzmessgerät 5 und der Landmine 2). Durch Implementierung des SAR-Verfahrens ergibt sich also generell der Vorteil, dass die Landmine 2 unter Erhöhung der Genauigkeit in allen drei Raumrichtungen lokalisiert werden kann.
Wie in 1 dargestellt ist, verläuft die Flugbahn 3 geradlinig. Diese bei SAR übliche Führung der Flugbahn 3 ist daher unter dem Namen „Stripmap-SAR“ bekannt und wird in einer Vielzahl von Variationen durchgeführt.
Bei dem anhand von 1 erläuterten Stripmap-SAR basierten Verfahren wird zugrunde gelegt, dass sich die Landmine 2 auf der Oberfläche des Suchgebietes 4 befindet. In diesem hypothetischen Fall kann die Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 anhand des Stripmap-SAR basierten Verfahrens fehlerfrei ermittelt werden. Dies spiegelt jedoch nicht die reale Situation in Suchgebieten 4 dar, da die Landmine 2 in der Regel unterhalb der Erdoberfläche vergraben ist. Durch das Vergraben der Landmine 2 wird bei Anwendung des Stripmap-SAR Verfahrens die ermittelte Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 durch die Dielektrizitätszahl ε_r des Bodens, die in der Regel erheblich von der Dielektrizitätszahl ε_r der Luft abweicht, zwangsweise lateral verfälscht. Hervorgerufen wird dies durch die rechnerische „Fokussierung“ unterschiedlicher Tiefen mittels des SAR-Verfahrens, die zu einer vermeintlich gültige Tiefe der Landmine 2 führt, jedoch unter Annahme einer falschen lateralen Lage der Landmine 2. Sofern auf dieser fehlerhaft berechneten Position $\overset{⇀}{y}$
eine Entschärfung durchgeführt wird, kann dies folglich zu einer ernsthaften Gefährdung führen.
Anhand von 2 wird die Ursache für diese Verfälschung veranschaulicht, sie liegt in den unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r von Luft und Boden: Allgemein bestimmt der Wert der Dielektrizitätszahl ε_r die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals S_HF bzw. des Echosignals E_HF . Der Wert der Dielektrizitätszahl ε_r muss in etwa bekannt sein, um die Entfernungsinformation d_i korrekt erfassen zu können. In 2 sind gleiche Werte für der Entfernungsinformation d_i für eine unterschiedlich tief vergrabene Landmine 2 in einer Bodentiefe zwischen 0 m und 0.3 m dargestellt. Dabei ist für die Dielektrizitätszahl des Bodens im Falle der Simulation von 2 ein Wert von ε_r = 20 zugrunde gelegt. In diesem Fall zeigt sich, dass die Landmine 2, sofern sie ca. 0.3 m unter der Erdoberfläche vergraben ist, aufgrund der identischen „optischen Laufzeit“ des Sendesignals S_HF / Echosignals E_HF die gleiche Entfernungsinformation d_i erzeugt, wie eine lateral um ca. 2 m versetzte, oberflächige Landmine 2. Folglich wird die laterale Lage der Landmine 2 bei einem Vergraben von 0.3 m lateral um knapp 2 m verfälscht, sofern der Wert der Dielektrizitätszahl ε_r bei der Berechnung der korrespondierenden Entfernung entsprechend dem Wert von Luft mit 1 zugrunde gelegt ist.
Nach dem Stand der Technik kann dieses Problem theoretisch dadurch gelöst werden, dass mindestens zwei Sende-/Empfangs-Antennen, die einen bekannten örtlichen Versatz zueinander aufweisen, eingesetzt werden. Hierdurch werden pro Abtastung, also pro diskreter Position $\overset{⇀}{x_{l}}$
auf der Flugbahn zwei Entfernungsinformationen d_i erfasst, mittels derer eine dreidimensionale Bildinformation aufgebaut werden kann.
Durch die Verwendung zweier Antennen mit entsprechend großem Versatz wird es jedoch schwierig, das Distanzmessgerät 5 so kompakt auszulegen, dass, wie in 1 dargestellt, eine Installation an einem unbemannten Luftfahrzeug 1 möglich ist. Dabei ist insbesondere die Steuerung von kompakten, Batterie-betriebenen Luftfahrzeugen mit begrenzter Nutzlast (beispielsweise Quadrocoptern) zum Abfliegen der Flugbahn 3 prädestiniert, da diese Art Luftfahrzeuge sehr präzise steuerbar sind. Im Gegensatz zu bemannten Luftfahrzeugen ermöglicht dies auch eine Flugbahn 3 in vergleichsweise geringer Höhe h, so dass auch eine schwach reflektierende Landmine 2 detektiert werden kann. Neben einer manuellen Fernsteuerung des unbemannten Luftfahrzeuges 1 ist es technisch auch möglich, die Flugbahn 3 einzuprogrammieren und das Abfliegen der Flugbahn 3 automatisiert durchführen zu lassen. Bei Ausstattung des unbemannten Luftfahrzeuges 1 mit einem entsprechenden GPS-Modul und/oder Drehraten- bzw. Beschleunigungssensoren ist es beispielsweise möglich, eine grobe Navigation auf Basis von GPS Daten durchzuführen und die trägheitsgestützten Sensoren zur Verfeinerung oder als Redundanz zu nutzen. Anhand von 3 wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur verfälschungsfreien Detektion der dreidimensionalen Position $\overset{⇀}{y}$
einer Landmine 2 in einem Suchgebiet 4 dargestellt, das sich insbesondere zum Einsatz an kompakten, unbemannten Luftfahrzeugen eignet: Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, das Suchgebiet 4 nicht geradlinig, sondern in etwa rund auszulegen. Vorteilhaft hieran ist, dass das Distanzmessgerät 1 dementsprechend entlang einer etwa kreisförmigen Flugbahn 3 um das Suchgebiet 4 geführt werden kann, wodurch das Suchgebiet 4 aus nicht nur einer Perspektive erfasst wird. Hinsichtlich des SAR Verfahrens hat dies zur Folge, dass die Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 5 auch im vergrabenen Fall fehlerfrei ermittelt wird: Im Unterschied zum „Stripmap SAR-Verfahren“ wird bei der „Fokussierung“ der unterschiedlichen Tiefen mittels des SAR-Verfahrens selbst im vergrabenen Fall der detektierten Tiefe der Landmine die korrekte laterale Position der Landmine 2 zugeordnet. Wesentliche Parameter bezüglich der erzielbaren Auflösung, mit der die dreidimensionale Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 bestimmbar ist, sind die Flughöhe h, die Frequenz f des Sendesignals S_HF , die Abtastrate r und der Radius der kreisförmigen Flugbahn 3. Bei entsprechender Abstimmung dieser Parameter kann die Position $\overset{⇀}{y}$
der Landmine 2 mit einer Auflösung weniger als 10 cm detektiert werden. Wie in 4 mittels Pfeilen in Richtung des Suchgebietes 4 angedeutet wird, ist es auch im Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckdienlich, dass die Sende- bzw. Empfangs-Antenne(n) des Distanzmessgerätes 5 so am unbemannten Luftfahrzeug 1 angeordnet sind/ist, dass der Strahlkegel der Sende-/Empfangs-Antenne in etwa senkrecht zur Flugbahn 3 in Richtung des Suchgebietes 4 ausgerichtet ist/sind.
Daneben zeigt 4 eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens: Wie zuvor erwähnt, hängt die erzielbare Auflösung bei der Lokalisierung der Landmine 2 wesentlich von der Flughöhe h und dem horizontalen Neigungswinkel der Antenne ab. Somit wird die Größe bzw. der Radius des Suchgebietes 4 durch die minimal zu erzielende Auflösung begrenzt. Um dennoch nicht auf die Lokalisierung dieses Suchgebietes 4 beschränkt zu sein, wird daher vorgeschlagen, mehrere Suchgebiete 4, 4', 4", die entlang eines insbesondere geradlinigen Pfades aufeinanderfolgend angeordnet sind, entlang mehrerer in etwa kreisförmiger Flugbahnen 3, die entlang des Pfades einen entsprechenden Versatz aufweisen, aufeinanderfolgend zu umfliegen. Der notwendige Versatz kann hierbei auf verschiedene Arten eingestellt werden: Wie in 4 dargestellt ist, könnte der Versatz durch Abfliegen entsprechender gerader Teilstücke auf der Flugbahn 3 vor bzw. nach Beenden des Kreisfluges um das Suchgebiet 4, 4', 4" eingestellt werden. Alternativ könnte der Versatz jedoch auch dadurch erreicht werden, dass die Flugbahn 3 um das Suchgebiet 4, 4', 4" derart elliptisch ist, dass sich durch den näherungsweisen Kreisflug selbst bereits ein entsprechender Versatz einstellt.
Unabhängig von der Realisierung des Versatzes ist es beim aufeinanderfolgenden Umfliegen mehrerer Suchgebiete 4, 4', 4" vorteilhaft, die Flugbahn so auszulegen, dass sich ein Überlapp zwischen den Suchgebieten 4', 4" ergibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Minensuche flächendeckend erfolgt. Natürlich wäre es auch denkbar, die in 4 gezeigte Abfolge an abgeflogenen Suchgebieten 4, 4', 4" wiederum zu erweitern, indem parallel versetzt zu der in 4 gezeigten Flugbahn 3 im Anschluss ein oder mehrere weitere geradlinige Pfade mit dem in 4 gezeigten Muster abgeflogen wird/werden. Auch in diesen Fällen wäre der Abstand der geradlinigen Pfade vorzugsweise so anzulegen, dass sich alle abgeflogenen Suchgebiete (4, 4', 4") lückenlos überschneiden.
Bezugszeichenliste

1: Unbemanntes Luftfahrzeug
2: Landmine
3: Flugbahn
4,4',4": Suchgebiete
5: Radar-basiertes Distanzmessgerät
d_i: Entfernungsinformation
E_HF: Echosignal
f: Frequenz
h: Flughöhe
r: Abtastrate
S_HF: Sendesignal
: Position des Distanzmessgerätes
: Position der Landmine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 01693642 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Position $(\overset{⇀}{y})$
einer in einem Suchgebiet (4) befindlichen Landmine (2) mittels eines Radar-basierten Distanzmessgerätes (5), das an einem unbemannten Luftfahrzeug (1) angebracht ist, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Umfliegen des Suchgebietes (4) mittels des unbemannten Luftfahrzeuges (1) entlang einer zumindest annähernd geschlossen, kreisförmigen Flugbahn (3) in einer vorbekannten Flughöhe (h), wobei während des Umfliegens ○ durch das Distanzmessgerät (5) ein Sendesignal (S_HF) in Richtung des Suchgebietes (4) ausgesendet wird, ○ ein durch Reflektion des Sendesignals (S_HF) an der Landmine (1) erzeugtes Echosignal (E_HF) vom Distanzmessgerät (5) empfangen und mit einer vorbestimmten Abtastrate (r) abgespeichert wird, - Bestimmung einer Entfernungsinformation (d_j) und Zuordnung einer korrespondierenden Flugposition $(\overset{⇀}{x_{l}})$
auf der Flugbahn (3) zu jedem der abgespeicherten Echosignale (E_HF), - Berechnung der Position $(\overset{⇀}{y})$
der Landmine (1) anhand der Flugpositions-abhängigen Entfernungsinformationen (d_j) und der Flughöhe (h), wobei die Berechnung der Position $(\overset{⇀}{y})$
der Landmine (1) anhand der Flugpositions-abhängigen Entfernungsinformationen (d_j) und der Flughöhe (h) mittels eines Algorithmus durchgeführt wird, der auf der Methode der synthetischen Apertur basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sendesignal (S_HF) gepulst ausgesendet wird, und wobei die jeweilige Flugpositions-abhängige Entfernungsinformation (d_j) mittels Messung einer Laufzeit des an der Landmine (1) reflektierten Pulses ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sendesignal (S_HF) mit einer Frequenz (f) ausgesendet wird, die sich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes insbesondere linear ändert, und wobei die jeweilige Entfernungsinformation (d_j) mittels Messung einer Frequenzdifferenz zwischen dem Sendesignal (S_HF) und dem Empfangssignal (E_HF) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Suchgebiete (4, 4', 4"), die entlang eines insbesondere geradlinigen Pfades aufeinanderfolgend angeordnet sind, entlang mehrerer in etwa kreisförmiger Flugbahnen (3), die entlang des Pfades einen entsprechenden Versatz aufweisen, aufeinanderfolgend umflogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz (f) des Sendesignals (S_HF) höher als 0.5 GHz ist und sich insbesondere in einem Frequenzband von 1 GHz bis 10 GHz befindet.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Distanzmessgerät (5) eine Sende-Antenne zum Aussenden des Sendesignals (S_HF) in einem vordefinierten Strahlkegel und zumindest eine Empfangs-Antenne zum Empfang des Echosignals (E_HF) innerhalb eines vordefinierten Strahlkegels umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Empfangs-Antenne und/oder die Sende-Antenne derart an dem unbemannten Luftfahrzeug (1) angeordnet sind/ist, dass der Strahlkegel der Empfangs-Antenne und/oder der Strahlkegel der Sende-Antenne in etwa senkrecht zur Flugbahn (3) ausgerichtet sind/ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Distanzmessgerät (5) zwei Empfangs-Antennen aufweist, deren Strahlkegel sich zumindest teilweise überlappen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als unbemanntes Luftfahrzeug (1) ein Drehflügler, insbesondere einen Multicopter, eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zu einer zweidimensionalen Visualisierung der Position $(\overset{⇀}{y})$
der Landmine (1) innerhalb des Suchgebietes (4) ein Algorithmus der gefilterten Rückprojektion angewendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das unbemannte Luftfahrzeug (1) auf Basis eines GPS-gestützten Navigationsverfahrens, eines trägheitsgestützten Navigationsverfahrens, und/oder eines optisch gestützten Navigationsverfahrens entlang der in etwa kreisförmigen Flugbahn (3) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flughöhe (h), die Frequenz (f) des Sendesignals (S_HF), die Abtastrate (r) und/oder die Flugbahn (3) derart gewählt sind, um die Position $(\overset{⇀}{y})$
der Landmine (2) mit einer Auflösung weniger als 10 cm zu detektieren.