A novel microwave imaging RADAR for anti-personnel landmine detection and its integration on a multi-sensor robotic scanner

Per mezzo del finanziamento ottenuto con il progetto North Atlantic Treaty Organization, Science for Peace and Security (NATO SPS) G-5014 è stata sviluppata una piattaforma robotica multi-sensore in grado di individuare oggetti sepolti plastici e metallici e generare dati per la successiva classificazione degli ordigni attraverso l’analisi di operatori specializzati. Utilizzare una piattaforma robotica permette di aumentare la sicurezza per gli operatori, perché completamente controllabile in remoto tramite un’interfaccia software web e permette di utilizzare diversi sensori per massimizzare la probabilità di rivelazione delle mine, mantenendo minima la probabilità di ricevere falsi allarmi. I sensori principali installati sono due RADAR operanti nello spettro delle microonde ( ≃2 GHz): un UWB Ground Penetrating RADAR (GPR), sviluppato appositamente per rilevare la posizione dell’oggetto sepolto all’interno dell’area illuminata, capace di rilevare oggetti sepolti durante il moto della piattaforma e un Holographic Subsurface RADAR (HSR), operante ad onda continua e singola frequenza, in grado di generare immagini olografiche che permettono di osservare la forma e le dimensioni degli oggetti sepolti nei primi 15 - 20 cm del sottosuolo e, tramite l’elaborazione con algoritmi di inversione del campo elettromegnetico, permette di ricostruire la scena tridimensionale che si trova di fronte all’apertura sintetica del RADAR. Le immagini che genera questo dispositivo consentono di discriminare gli ordigni da altri oggetti riflettenti le microonde ma del tutto inoffensivi (clutter). Il HSR progettato nel corso del progetto NATO SPS G-5014 costituisce un primo prototipo che soddisfava i requisiti richiesti dal progetto. Il frutto di questo lavoro ha riscosso interesse nella comunità scentifica e presso NATO SPS, generando un seguito: il progetto NATO SPS G-5731, tutt’ora in corso. Nell’ambito di quest’ultimo progetto si colloca il mio lavoro: ho contribuito allo sviluppo di un sistema RADAR per immagini a microonde in grado di migliorare, in termini di qualità di immagini prodotte (incrementando il rapporto segnale-rumore e la risoluzione) e di profondità di penetrazione (studiando le caratteristiche elettromagnetiche del suolo di interesse), le prestazioni del HSR. Mi sono occupato di individuare i parametri su cui poter intervenire: la risoluzione ottenibile applicando la matematica dell’olografia, le tecniche e gli algoritmi di inversione del campo elettromagnetico, lo studio dell’ambiente elettromagnetico irradiato e i requisiti dell’elemento radiante (tipo di antenna, forma, dimensioni, potenza irradiata) reailzzandone uno con la tecnologia della stampa tridimensionale. Ho valutato e studiato una soluzione per migliorare la compatibilità elettromagnetica con il sistema robotico su cui dovrà operare il RADAR. Per realizzare un prototipo funzionante mi sono occupato di definire i requisiti dell’elettronica di pilotaggio e della programmazione dei dispositivi implementati. Questo testo si conclude con la dimostrazione, mediante l’esposizione di prove sperimentali in ambiente controllato, delle prestazioni del nuovo RADAR, evidenziandone le differenze rispetto al HSR originale. ------------- Thanks to the funding obtained with the North Atlantic Treaty Organization, Science for Peace and Security (NATO SPS) G-5014 project, a multi-sensor robotic platform was developed capable of identifying buried plastic and metal objects and generating data for subsequent classification. of ordnance through the analysis of specialized operators. Using a robotic platform allows you to increase safety for operators, because it can be completely remotely controlled via a web software interface and allows you to use different sensors to maximize the probability of mine detection, while keeping the probability of receiving false alarms to a minimum. The main sensors installed are two RADARs operating in the microwave spectrum (≃2 GHz): a UWB Ground Penetrating RADAR (GPR), specially developed to detect the position of the buried object within the illuminated area, capable of detecting buried objects during the motion of the platform and a Holographic Subsurface RADAR (HSR), operating at continuous wave and single frequency, capable of generating holographic images that allow to observe the shape and dimensions of the objects buried in the first 15 - 20 cm of the subsoil and, through the processing with electromagnetic field inversion algorithms, it allows to reconstruct the three-dimensional scene that is in front of the synthetic opening of the RADAR. The images that this device generates allow to discriminate the bombs from other objects reflecting the microwaves but completely harmless (clutter). The HSR designed during the NATO SPS G-5014 project constitutes a first prototype that met the requirements of the project. The fruit of this work has attracted interest in the scientific community and at NATO SPS, generating a sequel: the NATO SPS G-5731 project, which is still underway. My work is part of this last project: I contributed to the development of a RADAR system for microwave images capable of improving, in terms of the quality of images produced (by increasing the signal-to-noise ratio and resolution) and depth of penetration (studying the electromagnetic characteristics of the soil of interest), the performance of the HSR. I worked on identifying the parameters on which to intervene: the resolution obtainable by applying the mathematics of holography, the techniques and algorithms of electromagnetic field inversion, the study of the radiated electromagnetic environment and the requirements of the radiant element (type of antenna , shape, size, radiated power) by realizing one with the technology of three-dimensional printing. I have evaluated and studied a solution to improve the electromagnetic compatibility with the robotic system on which the RADAR will have to operate. To create a working prototype, I worked on defining the requirements of the driving electronics and programming of the implemented devices. This text ends with the demonstration, through the display of experimental tests in a controlled environment, of the performance of the new RADAR, highlighting the differences compared to the original HSR.