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Kurzfassung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen eine Vorrichtung
zur Detektion von Landminen und insbesondere eine Vorrichtung mit
einem Infrarot-Detektor zur Aufnahme von Wärmesignaturen der Bodenoberfläche, wo
eine Landmine vergraben sein könnte,
und insbesondere eine Vorrichtung, die zur Minensuche bei Tageslicht
vorgesehen ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist geschätzt
worden, dass insgesamt viele Millionen von Antipersonenminen (APM)
und Panzerabwehrminen (PAM) in ca. 64 Ländern an der Oberfläche verstreut
oder im Boden vergraben sind. Diese Minen stellen eine ernsthafte
Bedrohung dar, und zwar nicht nur bei militärischen Operationen einschließlich VN-Friedenserhaltungseinsätzen, sondern
auch für
die Zivilbevölkerung
in diesen Ländern. Außerdem sind
die wirtschaftlichen Auswirkungen in den betroffenen Gebieten oft
verheerend, da ein vermintes Gelände
nie sicher sein kann, bis alle Minen vollständig geräumt sind.
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Das
kürzlich
von den meisten Ländern
der Welt unter zeichnete internationale Abkommen gegen den Einsatz
von Antipersonalminen hat einen wesentlichen Antrieb zur Eliminierung
dieser Waffen aus dem Arsenal der Menschheit und willkommene Unterstützung der
Minenräummaßnahmen
geschaffen. Moderne Minen enthalten jedoch sehr wenig Metall. Es
ist schwierig, sie mit konventionellen elektromagnetischen Mitteln
zu detektieren. Daraus resultiert, dass sich gegenwärtig ca.
20 Minenräumverfahren
in verschiedenen Entwicklungsstadien befinden. Unter den verschiedenen
im Entwicklungsstadium befindlichen Suchmethoden bilden passive
Infrarot- (IR- )Imagingverfahren,
elektromagnetische Verfahren, Bodensondier-Radar (Ground-Probing -Radar = GPR)
und der thermische Neutroneneinfang (Thermal Neutron Activation
= TNA) vielleicht die vielversprechendsten Techniken. Während jede
dieser Methoden ihre Grenzen hat, könnte eine Fusion der Daten
von den dabei eingesetzten Sensoren ein System schaffen, das sich
für viele
Anwendungen eignet.
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Unter
den im Entwicklungstadium befindlichen Methoden ist das passive
IR-Imaging besonders attraktiv, weil es eine einfache Technik sowie
die Möglichket
der Ferndetektion bietet und im Vergleich mit anderen Methoden relativ
billiger ist. Die mit dem passiven IR-Imaging erhaltene Minensignatur
ist stark abhängig
von den tagesperiodischen Sonnenlicht-Variationen, von der Bodenart,
der Bodenfeuchtigkeit und dem Temperaturgefälle des Bodens. Auch aktive
Inrftarotmethoden sind bereits für
die Minensuche vorgeschlagen worden. In ihrem Artikel „Infrared Imaging
of Buried Objects by Thermal Step-Function Exitations" [Infrarot-Imaging
vergrabener Gegenstände
durch thermische Treppenfunktionserregung] beschrieben P. Lie et
al (Appl. Optics, Bd. 34, Heft 25, S. 5809–5816, 1995) Ergebnisse, die
darauf hinweisen, dass es möglich
ist, an der Oberfläche
liegende und vergrabene Minen durch Treppenfunktionserregung mit
IR-Heizlampen zu detektieren. Eine weitere aktive IR-Imagingtechnik
beschreibt S.M. Khanna in dem Artikel, „New Hybrid Remote Sensing
Method using HPM Illumination/IR Detection for Mine Detection" [Neue Hybrid-Ferndetektionsmethode
mit Hochleistungs-Mikrowellen-Illuminierung/IR-Detektion
für Minensuche]
in den „Proceedings
of the SPIE -Conference 3391 (Aerospace 98) on Detection and Remediation
Technologies for Mines and Minelike Targets III". In dem Artikel wird eine Methode beschrieben,
bei der Hochleistungs-Mikrowellen-Illuminierung (HPM)
und passives IR-Imaging zur Detektion vergrabener Landminen Anwendung
findet. Aktives und passives IR-Imaging liefert jedoch bei Tageslicht
nur eine begrenzte Zielsignatur, da das von der Sonnenstrahlung
verursachte Hintergrund-Clutter durch Zufallsunregelmäßigkeiten
an der Bodenoberfläche
verstreut wird.
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Bei
der passiven IR-Imagingtechnologie kann der IR-Imager auf eine an Bord eines Flugzeugs befindliche
Plattform montiert und nach unten gerichtet werden, oder ein Landfahrzeug
bzw. eine Person kann ihn tragen und leicht schräg nach unten richten. So kann
mit dem Imager ein vergrabener Gegenstand gefunden werden, indem
man den Unterschied zwischen der am Boden unmittelbar über dem
Gegenstand und dem danebenliegenden Boden emittierten Strahlung
misst. Dieser Unterschied zeigt sich gewöhnlich als klecksförmiger Bereich,
der vom Imager heller oder dunkler als der umliegende Boden dargestellt
wird. Die vom Imager detektierte IR-Strahlung wird gewöhnlich von einem schwarzen
oder grauen Gegenstand emittiert und letztendlich von der auf dem
Boden einfallenden tagesperiodischen Sonnenlicht-Variation verursacht,
wodurch der Gegenstand und der umliegende Boden unterschiedlich stark
erwärmt
und abgekühlt
werden. Der Unterschied der emittierten Strahlung zwischen Stellen
mit oder ohne Mine wird verursacht durch die auf Störung des
Bodens an der Stelle mit Mine zurückzuführende unterschiedliche Bodenbeschaffenheit
sowie durch den Unterschied zwischen den thermischen Eigenschaften
einer ungestörten
Bodenstelle und denen des gestörten
Bodensprofils über
der Mine, sowie der thermischen Eigenschaften der Mine selbst. Die
meisten IR-Imagingarbeiten
werden auf dem Mittellängenband
(MMIR, nominell zwischen 3000 und 5000 nm) und auf dem Langwellen-
bzw. Thermalband (LWIR oder TIR – nominell zwischen 8000 und 12
000 nm) mit handelsüblichen
Imagern (COTS) durchgeführt,
die für
diese beiden Bänder
zur Verfügung
stehen.
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Im
Durchschnitt ist die Leistung bei der Minensuche durch Infrarot-Imaging
am Tage bedeutend schlechter als die Leistung beim Imaging nachts.
Die Detektionswahrscheinlichkeit [Probability of detection = Pd]
am Tage ist gewöhnlich
bedeutend geringer, und die Falschmeldungsrate [False alarm rate
= FAR] ist bedeutend höher
als nachts. Diese niedrigere Pd und höhere FAR werden dadurch verursacht, dass
die Sonnenstrahlung am Tage aufgrund von Zufallsunregelmäßigkeiten
und Uneinheitlichkeiten in der Bodenoberfläche streut. Nachts fällt die
Sonnenstrahlung, die dieses Clutter verursacht, natürlich weg.
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P.
Lie et al, in einem Artikel „Infrared
imaging of buried objects by thermal step-function excitations" [IR-Imaging durch
thermische Treppenfunktionserregung], der am 1. September 1995 in
Applied Optics, Bd. 34, Heft 25 veröffentlicht wurde, haben das
durch Solarströrung
verursachte Problem erkannt. Im ersten Absatz dieses Artikels schrieben
P. Lie et al: „Jüngste Fortschritte
in der IR-Erzeuger-
und Kreislauf-Kryogenkühler-Technologie
haben zu einer neuen Generation kostengünstiger, robuster, tragbarer Kameras
geführt,
die auf dem gewünschten
langen Wellenlängenbereich
(8 – 12 μm) eingesetzt
werden, wo das Solar-Clutter erheblich geringer ist als im kürzeren Wellenlängenbereich
von 3–5 μm."
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J.-R.
Simard, in einer DREV-R-9615-Publikation vom 17. März 1997
unter dem Titel „Theoretical
and Experimental Characterizations of the IR Technology for the
Detection of Low-Metal and Nonmetallic Buried Landmines" (Theoretische und
experimentelle Charakterisierung der IR-Technologie zur Detektion
von vergrabenen Landminen mit wenig Metallbestandteilen und nichtmetallischen
vergrabenen Landminen) erkannte das Problem im Zusammenhang mit
dem Solar-Clutter. In Absatz 1 auf Seite 81 erwähnt J.-R. Simard, es sei „durch
Inspektion von bei Tageslicht hergestellten Videoaufnahmen beobachtet
worden, dass die MWIR-Kamera viel empfindlicher gegen äußere Temperaturstörungen ist" und dass man „glaubt,
diese höhere
Empfindlichkeit gegen äußere Störungen rührt von
dem höheren
Gehalt an Sonnenstrahlung im MWIR-Band her, wodurch die scheinbaren
Temperatur-Clutters in der Bodenoberfläche bewirkt werden". Darauf bemerkte
J.-R. Simard, es sei „möglich, diesen
Effekt durch Einsatz von optischen Filtern zu reduzieren", stellt jedoch fest,
dass „die
Anwendung von Filtern auch das einfallende Strahlungssignal vermindert,
wodurch die innere Temperaturempfindlichkeit herabgesetzt werden
kann." Obwohl J.-R.
Simard den Einsatz optischer Filter empfohlen hat, sind keine Hinweise
gegeben worden, welche Art von Filtern sich eignen würden, ohne
das einfallende Strahlungssignal auf eine unerwünschte Ebene zu vermindern.
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3
278 746 A (Fiat, Gideon) offenbart ein Zweiband-IR-Imagingsystem
für geophysikalische Vermessungen
und möglicherweise
Landminensuche. Alle vorgeschlagenen Bänder sind so gewählt, dass
sie Sonnenstrahlung durchlassen. Das Fiat/Gideon-System ist für den Einsatz
an Bord von Flugzeugen ausgelegt. Für den Einsatz am Boden ist
es weder konstruiert noch geeignet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Landminensuchgerät zu schaffen,
um mittels Infrarot-Imaging Wärmesignaturen
der Bodenoberfläche an
solchen Stellen zu erhalten, wo eine Landmine vergraben sein könnte und
gleichzeitig die nachteiligen Effekte der tagsüber durch Sonnenstrahlung entstehenden
Hintergrund-Interferenz
zu reduzieren.
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Das
erfindungsgemäße Landminensuchgerät besteht
aus einer auf einem sich am Boden bewegenden Fahrzeug montierter
Infrarotkamera, die so positionierbar ist, dass sie Wärmesignaturen
einer Bodenoberfläche
in Nähe
des Fahrzeugs dort aufnimmt, wo eine Landmine vergraben sein könnte, mit einem
optischen Bandfilter, der so positioniert ist, dass Strahlung durch
den Filter an den Infrarotsensor der Kamera übertragen werden kann, wobei
der optische Bandfilter so gewählt
wird, dass er Strahlung auf mindestens einem Wellenlängenband
durchlässt, wo
Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche durch atmosphärische Absorption
stark gedämpft
wird, wobei der Filter die Übertragung
der Strahlung außerhalb der
gewählten
Bänder
dämpft.
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Zeichnungserklärung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Landminensuchfahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Das
passive Infrarot-Imaging ist ein Technologie, die in der Vergangenheit
oft dazu verwendet wurde, um vergrabene Gegenstände wie vergrabene Landminen
zu detektieren. Bei dieser Technologie kann der Imager auf eine
an Bord eines Flugzeugs befindliche Plattform montiert und nach
unten gerichtet werden, oder ein Landfahrzeug bzw. eine Person kann
ihn tragen und schräg
nach unten richten. Der vergrabene Gegenstand wird gefunden, indem
man den Unterschied zwischen der am Boden unmittelbar über dem
Gegenstand und dem danebenliegenden Boden emittierten Strahlung
misst. Dieser Unterschied zeigt sich gewöhnlich als klecksförmiger Bereich,
der auf dem Bild heller oder dunkler als der umliegende Boden erscheint
und von der auf dem Boden einfallenden tagesperiodischen Sonnenlicht-Variation
verursacht wird. Der Unterschied der emittierten Strahlung zwischen
Stellen mit oder ohne Mine wird verursacht durch die auf Störung des
Bodens an der Stelle mit Mine zurückzuführende unterschiedliche Bodenbeschaffenheit
sowie durch den Unterschied zwischen den thermischen Eigenschaften
einer ungestörten
Bodenstelle und denen des gestörten
Bodensprofils über
der Mine, sowie der thermischen Eigenschaften der Mine selbst. Die
meisten IR-Imagingarbeiten
werden auf dem Mittellängenband
(MMIR, nominell zwischen 3000 und 5000 nm) und auf dem Langwellen-
bzw. Thermalband (LWIR oder TIR – nominell zwischen 8000 und
12 000 nm) mit handelsüblichen
Imagern (COTS) durchgeführt. Das
passive IR-Imaging
zum Zwecke der Minenuche ist von J.-R. Simard in der DREV-R-9615-Publikation im
März 1997
unter dem Titel „Theoretical
and Experimental Characterizations of the IR Technology for the
Detection of Low-Metal and Nonmetallic Buried Landmines" beschrieben worden.
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Es
ist hinreichend dokumentiert worden, z.B. in der DREV-R-9615-Publikation,
dass im Durchschnitt die Leistung bei der Minensuche durch Infrarot-Imaging
am Tage bedeutend schlechter ist als die Leistung beim Imaging nachts.
Die Detektionswahrscheinlichkeit [Pd] am Tage is gewöhnlich bedeutend geringer,
und die Falschmeldungsrate [FAR] ist bedeutend höher als nachts. Diese niedrigere
Pd und höhere
FAR werden hauptsächlich
dadurch verursacht, dass die Sonnenstrahlung am Tage aufgrund von
Zufallsunregelmäßigkeiten
und Uneinheitlichkeiten in der Bodenoberfläche streut. Nachts fällt die Sonnenstrahlung,
die diese Störung
verursacht, natürlich
weg. Um die Effekte dieses Clutters auf IR-Bildern zu reduzieren,
sieht die vorliegende Erfindung vor, einen optischen Bandfilter
vor der Voroptik des IR-Imagers anzubringen. Dies wird in 1 dargestellt,
wo eine IR-Kamera 12 an einem Arm 18 am Bug eines
Fahrzeugs 10 befestigt ist und einen vor dem Objektiv der
Kamera 12 angeordneten optischen Bandfilter 14 aufweist.
Der Filter könnte
jedoch auch unmittelbar vor dem Sensorelement der Kamera statt vor
dem Objektiv der Kamera angeordnet sein. Die Kamera ist beweglich
und kann die Bodenoberfläche
vor dem Fahrzeug scannen. Der Filter ist so gewählt, dass er Strahlung in einem
Wellenlängenband
durchlässt,
in dem gewöhnlich
aufgrund der Absorption durch molekulare Aerosole oder atmosphärische Teilchen
mit der Strahlung außerhalb
des stark gedämpften
Bandes keine bzw. nur stark gedämpfte
Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche
vorkommt. Der für
diese Anwendung gewählte
Filter gewährleistet,
dass von der an der Bodenoberfläche streuenden
Sonnenstrahlung nur sehr wenig den Kamerasensor erreicht, wodurch
das Clutter in den erhaltenen Infrarotbildern größtenteils eliminiert wird.
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Es
gibt eine Reihe von geeigneten Bändern, die
für den
Bandpass-Optikfilter in Frage kommen. Das breiteste ist das band
zwischen MWIR und TIR, das von ca. 5520 nm bis 7080 reicht und in
Meereshöhe
praktisch keine Sonnenstrahlung überträgt. Zu den
MWIR-Bändern,
die fast keine Sonnenstrahlung übertragen,
gehören
das 4156-4420-nm-Band, das 5420-5480-nm-Band sowie zahlreiche schmale
(<20 nm)-Bänder wie
die bei 3315 nm, 4960 nm, 5020 nm, 5090 nm und 5150 nm. Weniger
gibt es im TIR-Band unter 13 500 nm, da alle Absorptionsbänder eine
gewisse Menge an Sonnenstrahlung übertragen. Am besten eignen
sich die schmalen atmosphärischen Absorptionsbänder bei
8040 nm oder 8160 nm. Schließlich
gibt es auch ein Breitband unter dem nominellen MWIR-Band, aber über dem
SWIR-Band, von 2552 nm bis 2800 nm.
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Das
optimale als Filter zu wählende
Wellenband muss unter Berücksichtigung
mehrerer Faktoren bestimmt werden. Das Band sollte so breit wie möglich sein,
damit der Imager so viel Strahlung wie möglich aus dem Boden detektieren
kann. Ein weiterer Vorteil bei der Wahl eines breiten Bandes ist,
dass engere Toleranzen für
die Position der unteren und oberen Grenzwellenlängen des Filters zulässig sind als
dies bei Schmalbandfiltern der Fall ist. Das ist ein entscheidender
Faktor, da die Grenzwellenlängen der
Interferenzfilter - der üblichsten
Art von Bandpassfiltern im IR – vom
Einfallwinkel der einfallenden Strahlung abhängen. Bei einem breiten Sichtfeld kann
daher der Einsatz eines Schmalbandfilters schwierig oder sogar unmöglich werden.
Da der Boden und die dazugehörigen
Anomalien als schwarze Körper
mit Temperaturen um ca. 300 Grad Kelvin erscheinen, sollte das gewählte Filterband
im TIR-Band oder diesem so nahe wie möglich liegen, wo sich die meiste
Schwarzkörper-Radianzenergie befindet.
Idealerweise sollten die gewählten
Bänder kaum
Sonnenstrahlung übertragen.
Die atmosphärische
Säule zwi schen
Suchgerät
und Boden absorbiert jedoch auch die zu detektierende Schwarzkörper-Radianz.
So sollte das gewählte
Band zu atmosphärischen Übertragungsraten
fähig sein,
die deutlich über
den Abständen
zwischen der Zielstelle und dem Boden liegen.
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Viele
der obengenannten Bänder
würden
die Sonnenstrahlung deutlich abweisen. Der beste wäre jedoch
der 5520-nm- bis 7080-nm-Körper,
da er unter den obengenannten das breiteste Band darstellt und die
meiste Strahlung für
einen Schwarzkörper
von 300 Grad Kelvin durchlässt.
Die von einem Schwarzkörper
ausgehende Radianz wird um einen Faktor von rund 10 reduziert, wenn
ein perfekter Bandpassfilter von 5520–7080 nm im Vergleich mit einem
ungefilterten TIR-Imager mit nominellem Passband von 8000 bis 12
000 nm eingeführt
wird. In der Praxis ist die Variation der Bodenradianz jedoch gewöhnlich um
Größenordnungen
kleiner als die Größenordnung der
Radianz, sodass nach dem Filtern mehr als genug Radianz für die Minensuche
zur Verfügung
steht. Die Schwarzkörper-Radianz
im 5520-7080-nm-Band ist ungefähr
10 mal größer als
die Schwarzkörper-Radianz
im 3000-5000-nm-Band, das routinemäßig für die Minensuche Verwendung
findet.
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Die
bereits erwähnte
Absorption der Schwarzkörper-Strahlung durch die
atmosphärische Säule zwischen
dem Suchgerät
und dem Boden wird hauptsächlich
durch Wasserdampf in diesem 5520-7080-nm-Band verursacht. Schätzungen
aufgrund von Tabellen und Grafiken, welche die atmosphärische Absorption
unter Standardbedingungen darstellen, zeigen, dass die Übertragung
durch eine 10-m-Säule in einem
Schlimmstfall-Szenario eines maritimen Klimas in Meereshöhe >99% und durch eine
300-m-Säule
ca. 87% beträgt.
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Filter – normalerweise
Störungsfilter – für die gewählten Bänder sind
im Handel erhältlich.
Diese Art von Filtern wird gewöhnlich
auf Basis von Spezifikationen maßgefertigt, wobei z.B. die
Bandmitte, Bandbreite, der Einfallwinkelbereich, der Temperaturbereich
usw. berücksichtigt
werden. Die Preise schwanken zwischen Hunderten von Dollar und mehreren
tausend Dollar, aber dies stellt nur einen kleinen Bruchteil des
Preises für
einen IR-Imager dar.
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Offensichtlich
sind MWIR- oder TIR-Imager für
die gewählten
Filterverfahren geeignet, wenn sich das gewählte Band in den MWIR- oder
TIR-Bändern befindet.
Für das
5520-7089-nm-Band gibt es viele im Handel erhältliche TIR-Imager, die eingesetzt
werden können.
Diese Imager sprechen in diesem Wellenband gut an, wenn der Hersteller
nicht absichtlich die Strahlung außerhalb der TIR – oder MWIR-Bänder ausgefiltert
hat. Dasselbe betrifft das 2552-38000nm-Band. So ist z.B. HgCdTe ein häufig verwendetes
TIR-Sensingelement
mit einer signifikanten Ansprechung bei Wellenlängen von unter 2000 nm bis
12 000 nm. Auch Mikrobolometer-Sensoren
können
so eingestellt werden, dass sie in den MWIR-, und TIR-Bändern sowohl
zwischen den MWIR- und TIR-Bändern
anspre chen. Sowohl Ge als auch ZnSe, die beiden Hauptwerkstoffe
für die TIR-Imaging-Optik,
haben gute Übertragungseigenschaften
von 2000 m bis 12 000 nm.