The imaging capabilities of ground penetrating radar for the detection of buried anti personnel landmines [Elektronische Ressource] / von Alexander Teggatz

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• Publié par: otto-von-guericke-universitat_magdeburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 37
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 16 Mo

Extrait

The Imaging Capabilities of
Ground Penetrating Radar for the Detection
of Buried Anti-Personnel Landmines
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)
von Dipl.-Wirtsch.-Ing. Alexander Teggatz
geb. am 24.April 1979 in Magdeburg
genehmigt durch die
Fakult¨at fur¨ Elektrotechnik und Informationstechnologie
der Otto-von-Guericke-Universit¨at Magdeburg
Gutachter:
Prof.Dr.Abbas Omar (FEIT/IESK)
Prof.Dr.Jurg¨ en Nitsch (FEIT/IGET)
Dr.Martin Dohlus (DESY/MPY)
Promotionskolloquium am 19.M¨arz 2008iiSchriftliche Erkl¨arung
Ich erkl¨are hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulssige Hilfe Dritter
und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die
aus fremden Quellen direkt oder indirekt ub¨ ernommenen Gedanken und Informa-
tionen sind als solche kenntlich gemacht. Insbesondere habe ich nicht die Hilfe einer
kommerziellen Promotionsberatung in Anspruch genommen. Dritte haben von mir
weder unmittelbar noch mittelbar geldwerte Leistungen fur¨ Arbeiten erhalten, die
im Zusammenhang mit dem Inhalt der vorgelegten Dissertation stehen. Die Arbeit
wurde bisher weder im Inland noch im Ausland in gleicher oder ahnlic¨ her Form als
Dissertation eingereicht und ist als Ganzes auch noch nicht ver¨offentlicht.
Alexander Teggatz
iiiivAcknowledgement
I gratefully would like to acknowledge the outstanding support of all people who,
by many different means, provided help, advice and encouragement to me.
Firstandforemost,IwouldliketothankmysupervisorProf. Dr.-Ing. Abbas S. Omar
fortheopportunitytobecomeamemberofhisgroupattheInstituteforElectronics,
Signal Processing and Communications at the Otto-von-Guericke University. Prof.
Omarsupportedmecontinouslywithhisprofoundknowledgeandhisbigexperience.
His helpful suggestions and our interesting discussions illustrate his enthusiasm and
help to encourage young scientists to contribute to the scientific community.
To the same extend, I sincerely thank the leader of the research group for Ground
Penetrating Radar Dr.-Ing. Andreas J¨ostingmeier. Without his constant support,
histechnicalandpersonalguidance,hispatienceandhiswillingnesstocorrectcount-
less technical publications this work would have never been completed.
Moreover, I would like to thank Dr.-Ing. Tobias Meyer, Dipl.-Ing. Michael Anis,
Dipl.-Ing. Nikolaos Spiliotis, M. Sc. Ayan K. Bandyopadhyay and other members
of the research group for their frequent suggestions, the provided knowledge and
experiences and, especially, for the support of all measurement activities.
Of course, I am grateful to my parents for their love and support which means so
much to me. Finally, I would like to thank Anja, my beloved wife and source of
inspiration, who I owe so much for making this effort possible. Without her love,
encouragement and her understanding this manuscript would not exist.
vviAbstract
Anti-Personnel (AP) landmines are considered as a problem of global proportions
and it is estimated that about 60-70 million AP landmines are scattered within at
least 70 countries all over the world. Many of the mines are made without metal so
thatdetectionmethodsbasedonelectromagneticinduction(EMI)oftentendtofail.
A promising concept for the detection of buried nonmetallic objects is the ground
penetrating radar (GPR) which originates from geophysical techniques.
The investigations in the context of this thesis cover different important aspects of
GPR. A novel approach for the 3D field simulation of a complete GPR environment
will be proposed which not only allows to study the fundamental principles of GPR
but will also be utilized for the systematic verification of antenna concepts in the
context of GPR applications. Finally, the important problem of focusing the raw
data of GPR measurements will be addressed and two different focusing concepts
will be investigated using both, field simulations and measurements.
Anti-Personen (AP) Landminen werden als Problem globalen Ausmaßes betrachtet.
Eswirdgesch¨atzt,dassesweltweitungef¨ahr60-70MillionAPLandminenverteiltin
mehr als 70 L¨andern gibt. Viele Minen werden inzwischen ohne Metall hergestellt,
so dass ihre Detektion auf Basis von elektromagnetischer Induktion (EMI) h¨aufig
versagt, w¨ahrend das sogenannte bodendurchdringende Radar (engl. Ground Pene-
tratingRadar, GPR)fur¨ dieDetektionvonvergrabenennichtmetallischenObjekten
gut geeignet ist. GPR hat seinen Ursprung im Bereich der Geophysik.
Die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit betreffen unterschiedliche wichtige
Aspekte von GPR Systemen. Zun¨achst wird eine neue Methode zur 3D Feldimula-
tioneineskomplettenSystemsvorgestellt. DieseerlaubtnichtnurdieUntersuchung
grundlegenderPrinzipienvonGPR,sondernauchfur¨ diesystematischeVerifizierung
verschiedener Antennenkonzepte, die im Rahmen von GPR Anwendungen verwen-
detwerden. SchließlichwirddasProblemderFokussierungderRohdateneinerGPR
Messung diskutiert. Dafur¨ werden zwei unterschiedliche Fokussierkonzepte sowohl
mit Feldsimulationen als auch anhand realer Messungen untersucht.
viiviiiContents
Nomenclature xv
List of Figures xxiv
1 Introduction 1
1.1 The Global Landmine Crisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Methods of Landmine Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Standards and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Manual and Mechanical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Electromagnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Infrared and Hyperspectral Methods . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.5 Acoustic-to-Seismic Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.6 X-Ray Backscatter Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.7 Neutron and Nuclear Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.8 Nuclear Quadrupole Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.9 Biological Sensor Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.10 Ground Penetrating Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 A Brief History of Radar and GPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 Development of Radar Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 Devt of GPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Objectives and the State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Starting Point of the Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 3D EM Field Simulation of a GPR . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Investigation of Antennas for GPR . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.4 Focusing by Synthetic Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Organization of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
ixCONTENTS
2 Fundamental Relations 19
2.1 Propagation of Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.2 Permittivity and Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.3 Plane Wave Assumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.4 Dielectric Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Theory of Radar Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Radar Categorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Transmitted Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.3 Transmitted Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.4 The Radar Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.5 Range Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.6 Resolution of a GPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.7 Illustration of GPR Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 3D EM Field Simulation of GPR 35
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Definition of Material Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 Lossless Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.2 Conductive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3 Lossy Metal Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.4 Dispersive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Modeling of Realistic Soil Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 Texture and Structure of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 EM Properties of Soil Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Modeling of Surface Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Modeling of Realistic Target Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1 Modeling of Artificial Test Objects . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.2 Modeling of Typical AP Landmines . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Integration of Different Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.6 Remote Control Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.7 Verification of the GPR Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.1 1D Transmission Line Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7.2 Planar PEC and Dielectric Layers . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7.3 Estimation of the Object Height . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
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