DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Kampfmittelerkennung mit der Röntgenrückstreutechnik - Ein neues Verfahren weckt neue Hoffnungen

W. Niemann , S. Olesinski , T. Thiele
YXLON International X-Ray GmbH, Hamburg
G. Martens , I.-C. Carlsen
Philips Forschungslaboratorium, Hamburg
Kontakt: W. Niemann

Zusammenfassung

Die heutigen für den praktischen Einsatz verfügbaren Technologien zur Erkennung von Landminen haben immer noch viele Problembereiche wie z.B. hohe Falschalarmraten, unzureichende Detektionsnachweise, hohe Risiken für das Bedienpersonal usw. Diese Sachlage führt zu relativ geringen Erfolgen bei der Räumung der vielen weltweit vorhandenen Minenfelder, und es ist zu befürchten, dass grosse Landstriche in Afrika, Asien und auf dem Balkan auf absehbare Zeit einer Nutzung durch den Menschen entzogen bleiben werden, wenn nicht neue Detektions- und Räumungsverfahren entwickelt und eingesetzt werden..

Ein neuer technologischer Ansatz zur Erkennung von Landminen ist von YXLON International X-Ray GmbH begangen worden. Es wurde ein Prototyp eines mobilen Scanners entwickelt, der mit einer leistungsstarken 450 kV Röntgenröhre ausgestattet ist und die Röntgenrückstreutechnik (RRT) zur bildhaften Darstellung vergrabener Landminen ausnutzt. Die neue Technologie eröffnet folgende Möglichkeiten und Vorteile :

  1. Die Informationstiefe ist ausreichend, um regulär vergrabene Landminen zu erkennen.
  2. RRT kann metallfreie Landminen detektieren
  3. Landminen in unterschiedlichen Bodenarten einschließlich verschiedener vegetativer Bedeckung werden mit RRT erkannt.

Das wichtigste Argument für die Nutzung der Röntgenrückstreutechnik ist jedoch die Tatsache, dass sie im Gegensatz zu allen anderen Technologien eine bildhafte Darstellung der vergrabenen Objekte ermöglicht, ohne dass die Objekte von ihrem ursprünglichen Standort entfernt werden müssen. Dies ist eine Konsequenz daraus, dass das Röntgenstreusignal von jedem bestrahlten Volumenelement im Boden direkt proportional zu dessen Materialdichte ist. Die Röntgenrückstreutechnik hat das Potential für geringe Falschalarmraten und für hohe Detektionswahrscheinlichkeiten. In diesem Beitrag werden Ergebnisse vorgestellt, die mit einem Prototyp-Scanner auf Testfeldern der Bundeswehr erzielt wurden.

1. Allgemeine Anmerkungen zur Problematik der Landminen

Bei der Durchsicht allgemein zugänglicher Informationen zum Thema Landminen stösst man auf das Faktum, dass ca. 100 Millionen Landminen auf dem Planeten Erde vergraben sind. Die Liste der am meisten betroffenen Staaten umfasst Afghanistan, Korea, das frühere Jugoslawien, Angola, Mosambik, Kambodscha und viele andere. Im Durchschnitt werden jedes Jahr ca. 100.000 Minen geräumt, aber leider eine vielfach höhere Anzahl an Minen neu verlegt. Selbst wenn die Verlegung neuer Minen komplett gestoppt werden könnte, würde die komplette Räumung aller vorhandenen Minen auf Basis der vorhandenen Hunderte oder Tausende von Jahren erfordern. Hinter diesen nackten Zahlen stecken große Problemthemen:

  1. das Anlegen neuer Minenfelder
  2. die beschränkten technischen Möglichkeiten zur Erkennung der Minen und
  3. die sehr begrenzten finanziellen Mittel zur Räumung der Felder.
Durch den Vertrag von Ottawa (1997) ist Hoffnung aufgekommen, daß die Verlegung neuer Minen in Zukunft stark abnehmen wird. Die Vergabe des Friedensnobelpreises 1997 an die International Campaign to Ban Landmines (ICBL) hat das öffentliche Bewußtsein bezüglich der Problematik der Landminen stark erhöht, was sich in verstärkten Aufwendungen für die Minenräumung und verstärkten finanziellen Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Detektionstechnologien ausgedrück that. Leider gibt es aber immer noch viele technologische Probleme bei der Entdeckung der verlegten Landminen.

Landminen existieren in der Form von Antipersonenminen (APM) und Panzerminen (ATM). Langfristig wird der Vertrag von Ottawa zu einer Abnahme der Anzahl der vorhandenen APM führen, weil Produktion, Einsatz, Lagerung und Weitergabe in den Staaten verboten ist, welche den Vertrag ratifiziert haben. Da Panzerminen vom Vertrag nicht erfasst sind, kann eine Abnahme dieser Minen nicht prognostiziert werden. Neue Technologien zur Erkennung vergrabenener Landminen werden in den nächsten Dekaden eine sehr wichtige Rolle spielen müssen.

Kommentare zu existierenden Detektionstechnologien
Es befindet sich eine Vielzahl von Technologien im Einsatz bzw. in der Entwicklung, aber es gibt zur Zeit keinen Detektor, der alle bekannten Minentypen unter allen vorkommenden äusseren Bedingungen sicher erkennen kann.

Es gibt umfangreiche Informationen über existierende Technologien bzw. solche, die sich im Entwicklungsstadium befinden. Eine übersicht findet man z.B. in Ref. [1]. Bis heute sind die Minensuchnadel und der Metalldetektor das am häufigsten eingesetzte Instrument. Mit der Suchnadel sticht der Bediener in regelmäßigen Abständen von 2-3 cm tastend in den Boden, bis er auf Widerstand stößt. Dies ist nicht nur sehr gefährlich, sondern auch extrem zeitaufwändig. Unter typischen Einsatzbedingungen kann ein einzelner Minensucher täglich nur wenige Quadratmeter absuchen. Mit Metalldetektoren sind die Erfolgsquoten ähnlich bescheiden. Metalldetektoren detektieren per definitionem nicht Minen, sondern metallische Teile im Boden. Dazu gehören Nägel, metallhaltige Erze, Fragmente von Granaten in ehemaligen Kampfgebieten usw. Dies alles resultiert in einer extrem hohen Falschalarmrate. Erschwerend kommt hinzu, dass metallfreie Minen nicht entdeckt werden.

Neben den o.a. handgehaltenen Instrumenten sind kompliziertere Technologien in der Anwendung und in der Entwicklung; die meisten benötigen ein Trägerfahrzeug, und alle haben ihre individuellen Stärken und Schwächen. Bodenradar (GPR) hat ein gewisses Detektionspotential, aber die Interpretation der Signale ist schwierig. Die Detailerkennbarkeit in den Signalen ist verbesserungswürdig, und feuchte Böden können zu stark reduzierten Ergebnissen führen.

Bei der thermischen Neutronenaktivierung (TNA) wird die 10.6 MeV Gammastrahlung des aktivierten Isotops N-14 detektiert. Dieses Verfahren hat eine hohe Falschalarmrate durch andere Stickstoff enthaltende Substanzen, und stickstofffreie Minen werden nicht erkannt. Mit nuklearer Quadrupolresonanz (NQR) können prinzipiell sehr geringe Mengen von Sprengstoff erkannt werden, der am häufigsten verwendete Sprengstoff TNT ist jedoch mit diesem Verfahren sehr schwer detektierbar. Erschwerend kommt hinzu, dass metallische Gehäuse die NQR-Signale abschirmen können. Visuelle Methoden werden auch eingesetzt, jedoch versagen sie bei der Detektion von Minen in tiefer Vegetation. Aus obigen Betrachtungen folgt logischerweise, dass eine einzelne Methode die Anforderungen der Minendetektion nicht erfüllen kann. In mehreren Staaten gibt es Vorhaben, auf Basis einer Kombination von Technologien neue zuverlässigere Verfahren zu entwickeln. Aber selbst wenn die bestmögliche Kombination zusammengestellt wird, so fehlt immer noch etwas : alle Methoden sind indirekt, und die Endinformation resultiert aus einer mehr oder weniger komplizierten Signalverarbeitung und Interpretation. Anders ausgedrückt: Ein nutzerfreundliches Minendetektionssystem benötigt ein abbildendes Verfahren !

2. Grundlagen der Röntgenrückstreutechnik

Wenn Röntgenstrahlen Materie durchdringen, dann werden sie abgeschwächt, d.h. absorbiert oder gestreut. Für die Betrachtungen in dieser Arbeit ist die Röntgenstreuung (Comptonstreuung) der interessierende Effekt. Eine Darstellung der Physik der Comptonstreuung kann in Lehrbüchern oder übersichtspublikationen wie z.B. Ref. [2] gefunden werden, aber auch in speziellen Publikationen, die die Anwendung der Comptonstreuung für die Materialprüfung zum Inhalt haben [3-5]. Obwohl die Röntgenstreuung der stärkste von allen Schwächungsprozessen sein kann, sind die vom Detektor gemessenen Signale sehr schwach. Dies liegt daran, dass für eine genügende Ortsauflösung sehr beschränkte Detektoröffnungen verwendet werden müssen, und an der Absorption der Röntgenstrahlung im Prüfobjekt. Die größten Verluste treten zwischen dem Streuzentrum und dem Detektor auf, weil durch Compton-Effekt die Energie der gestreuten Röntgenstrahlung geringer ist als auf dem Hinweg.

Abb 1: Darstellung des mobilen 450 kV Prototyp-Scanners.

Für bestimmte Prüfanwendungen in der Luftfahrt sind RRT-Methoden eine feste Größe geworden [3]. Für diesen Industriebereich ist speziell die Möglichkeit der Erkennung von Korrosion von Interesse. Röntgenrückstreutechnik (RRT) hat folgende interessante Aspekte :

  1. das gemessene Streusignal ist proportional zur Materialdichte des bestrahlten Volumens
  2. RRT benötigt nur einseitigen Zugang zum Prüfobjekt
  3. hohe Bildkontratse sind möglich.
Dies bedeutet, dass RRT ein hohes Potential für bildgebende Zwecke bei der Landminendetektion hat, was schon vor über 30 Jahren erkannt wurde. Das wesentliche Ergebnis aus der Zeit war, dass Isotopen-basierte RRT-Systeme für den Zweck der Landminenerkennung nicht geeignet und dass handgetragene Röntgensysteme nicht realisierbar sind. Im Gegensatz zu normalen radiographischen Röntgenmethoden werden RRT-Bilder punktweise aufgenommen. Ein nadelförmiger Röntgenstrahl wird mit einem Scanmechanismus über den Boden bewegt, und ein Vielkanaldetektorsystem erlaubt die parallele Datennahme für eine Serie von Schichtbildern. In vielen Fällen reicht die Darstellung einer einzelnen oder weniger Schichten aus, um schlüssige Aussagen über das Prüfobjekt treffen zu können.

3. Ergebnisse mit dem Scannerprototypen ComScan450

Um die Fähigkeiten der RRT für die Erkennung von Landminen nachzuweisen, hat YXLON einen mobilen Demonstrationscanner entwickelt, der für den Einsatz in militärischem Testgelände konzipiert ist. Bei diesem Prototypen ist der Scannerkopf auf einem Anhänger montiert, welcher von einem Unimog über die vergrabenen Objekte gefahren wird. Eine leistungsstarke 450 kV Röntgenröhre und ein Vielkanaldetektorsystem sind die Kernkomponenten des Systems. Der Prototyp ist mehrfach im Testgelände im Einsatz gewesen, um verschiedene Arten von Landminen unter unterschiedlichen Boden- und Vegetationsbedingungen aufzuspüren und darzustellen. Im folgenden werden einige ausgewählte Resultate vorgestellt.

3.1 Ergebnisse mit Antipersonenminen
Die zahlenmäßig größte Menge vergrabener Landminen stellen die Antipersonenminen dar. Solange sie auf dem Boden und über der Vegetation liegen, ist die von ihnen ausgehende Gefahr noch einigermaßen abschätzbar; leider liegt die größte Zahl von ihnen wenige cm tief im Boden. Im folgenden Beispiel werden RRT-Abbildungen einer vergrabenen PPM-2 Mine dargestellt. Der Durchmesser der Mine beträgt ca. 12 cm, und Schichtbilder aus 2 und 4 cm Tiefe werden vorgestellt. Im ersten Schichtbild sind die Strukturen des Minendeckels klar erkennbar. Keine Nichtmine (Steine, Vegetation etc.) würde solche Strukturen im Röntgenbild ergeben ! Im zweiten Schichtbild werden innere Strukturen der Landmine erkennbar. Ein Vergleich mit der Fotografie der Landmine (Abb. 2) zeigt , dass viele innere Strukturen reproduziert werden (Abb. 3).

Abb 2: Fotografie einer Antipersonenmine (Typ PPM-2).

Abb 3: RRT-Abbildungen einer Antipersonenmine (Typ PPM-2).

3.2 Ergebnisse mit Panzerminen
Panzerminen (z.B. TM-62, siehe Abb..4) werden in vielen Gebieten der Welt gefunden, z.B. im Kosovo, Afghanistan usw. Wenn sie vergraben sind, sind sie oft schwer zu detektieren. In Abbildung 5 werden RRT-Schichtbilder einer TM-62 aus 6 cm und 12 cm Tiefe vorgestellt. Aus dem Vergleich mit der Fotografie ist offenschtlich, dass die zylindrischen Strukturen in den Schichtbildern zur Identifikation herangezogen werden können.

Abb 4: Fotografie einer Panzermine (Typ TM-62).

Abb 5: RRT-Abbildungen einer Panzermine (Typ TM-62).

3.3 Vergleich : Inerte Minen gegen TNT-gefüllte Minen
Die Ergebnisse in den vorhergehenden Abschnitten wurden mit Minen erzielt, die mit Ersatzstoff statt mit Sprengstoff gefüllt waren. In einigen Versuchen wurde zusätzlich ein Vergleich der Abbildungsqualität für beide Fälle durchgeführt. Im folgenden (siehe Abb. 6) werden Ergebnisse einer Panzermine TM-62 mit einer inerten Füllung und mit einer TNT-Füllung vorgestellt. Es ist augenscheinlich, dass die Abbildungsqualität bei TNT-gefüllten Mine zumindest gleichwertig, tendenziell eher sogar besser ist.

Abb 6: RRT-Abbildungen einer Panzermine (Typ TM-62).

4. Zusammenfassung und Ausblick

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse beweisen ganz klar, dass die Röntgenrückstreutechnik diejenige Technik ist, welche als erste eine bildhafte Darstellung vergrabener Landminen nicht nur ermöglicht, sondern es werden sogar eine Vielzahl von Einzelheiten innerhalb der Objekte abgebildet. Mit RRT ist eine Technik gefunden, die ein hohes Potential zur Identifikation der Minen hat. Erst eine genaue Identifizierung ermöglicht eine gute Definition der zur Räumung oder Zerstörung der gefundenen Mine notwendigen Maßnahmen.

Die physikalische Begrenzung der Informationstiefe der RRT ist durch Absorptionsprozesse und Mehrfachstreuung im Boden gegeben. Arbeiten mir dem 450 kV Prototyp-Scanner haben gezeigt, dass eine ausreichende Informationstiefe zur Erkennung regulär verlegter Landminen (APM und ATM) gegeben ist.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden mit einem Prototyp-Scanner erzielt, der für den Einsatz in bestimmten militärischen Testfeldern konzipiert wurde. Für den praktischen Einsatz bei der Minensuche in Ländern wie Afghanistan, Angola, dem früheren Jugoslawien usw. muß der Scannerkopf auf einem geeigneten Trägerfahrzeug montiert werden. In Abbildung 7 ist die Vision eines solchen zukünftigen Systems dargestellt.

Abb 7: Vision eines zukünftigen RRT-Scannerkopfes, der am Trägerarm eines geeigneten Trägerfahrzeugs montiert ist

Danksagung

Diese Arbeit zur Erkennung verdeckt liegender Landminen wurde vom Bundesministerium der Verteidigung BMVg über das Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung (BWB) in Koblenz gefördert.

Referenzen

  1. A.-C.Dubey et al., "Detection technologies for mines and mine-like targets", SPIE proceedings Vol. 2496 (1995).
  2. B.Williams, Compton Scattering, Mc Graw-Hill, New York 1977
  3. J.-M. Kosanetzky et al., "Compton backscatter tomography of low atomic number materials with the ComScan system". Philips Techn. Information Bulletin (1988)
  4. G.Harding, "Inelastic photon scattering: effects and applications in biomedical science and industry." Radiation Physics and Chemistry Vol. 50, No. 1 (1997)
  5. W.Niemann and S.Zahorodny, "Status and future aspects of X-ray backscatter imaging". Review of progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Vol. 17A, p. 379-385 (1997)

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