Att upptäcka landminor kan vara en utmanande och långsam process. Att upptäcka dem från ett fordon i rörelse skulle göra processen snabbare, men på bekostnad av noggrannheten.

På Optical Societys (OSA) Laser Congress, hölls 29 september–3 oktober 2019 i Wien, Österrike, forskare från University of Mississippi, U.S.A., kommer att rapportera en ny laserbaserad sensor som effektivt upptäcker nedgrävda föremål även när detektorn är i rörelse. Den här nya enheten erbjuder en betydande förbättring jämfört med befintlig teknik, som inte kan användas när du är på språng och förlorar precision i närvaro av externa ljud- eller vibrationskällor.

Laser-dopplervibrometrar (LDV) i kombination med vibrationer som exciteras i marken har visat sig lovande för att upptäcka landminor och andra nedgrävda föremål, men deras känslighet för miljövibrationer innebär att de måste drivas från en speciell stabil plattform. Enheten, kallas en Laser Multi Beam Differential Interferometric Sensor (LAMBDIS), ger jämförbara detektionsmöjligheter men är mycket mindre känslig för rörelse, så att den kan användas ombord på ett fordon i rörelse.

"Det kvardröjande gisselet av landminor utgör en allvarlig utmaning för snabb och korrekt avläsning av stora områden från rörliga fordon, ", sa ledande forskare Dr. Vyacheslav Aranchuk. "Vår nya enhet övervinner denna utmaning genom att använda en serie laserstrålar och sedan kombinera deras signaler för att skapa ett snabbdetekteringssystem som också är tillräckligt robust för att kompensera för rörelse och annat "brus" som kan överväldiga andra tekniker. LAMBDIS tillhandahåller mätning av vibrationsfält med hög känslighet, samtidigt som den är låg känslig för föremålets hela kroppsrörelse, eller själva sensorn, möjliggör operation från ett fordon i rörelse."

Mätningar utan referensstråle

För att upptäcka nedgrävda föremål, LDV används i kombination med en ljudkälla som en högtalare, eller en seismisk källa såsom en mekanisk skakapparat. Ljudet eller de seismiska vågorna får marken att vibrera. LDV kan upptäcka subtila skillnader i vibrationsmönstret där ett föremål är begravt, förutsatt att detektorn är stationär och omgivningen är tillräckligt vibrationsfri.

Driften av traditionella LDV är baserad på interferens av ljus som reflekteras från ett objekt med en referensstråle internt i LDV. Som ett resultat, rörelsen hos själva LDV:n kan göra att LDV-signalerna blir betydligt högre än, och omöjlig att skilja från, signaler orsakade av föremålsvibrationer.

I det nya verket, forskarna använde en linjär uppsättning av 30 laserstrålar riktade mot det förhörda området.

Optiska element, inklusive en mottagarlins och en skjuvningsinterferometer, används för att kombinera ljuset som reflekteras från olika punkter på marken på en fotodetektormatris (PDA) vilket resulterar i störningssignaler på PDA-utgångarna. Signalernas frekvens är proportionell mot vibrationshastigheten mellan upplysta punkter på grund av Dopplereffekten. Bearbetning av PDA-signalerna avslöjar vibrationer mellan upplysta punkter på ytan.

"Till skillnad från LDVs, LAMBDIS använder inte en intern referensstråle, men detekterar en dopplerförskjutning genom att använda interferens av ljus som reflekteras från olika punkter på objektet, " sa Aranchuk. "På grund av bristen på en referensstråle, Dopplerfrekvensen som orsakas av sensorns rörelse är praktiskt taget densamma för alla reflekterade strålar och subtraheras automatiskt från interferenssignalerna. Som ett resultat, LAMBDIS har mycket låg känslighet för själva sensorns rörelse, samtidigt som de har hög känslighet för relativ vibration mellan punkter på föremålet."

Framgångsrika fälttester

Forskare rapporterar att LAMBDIS-enheten fungerade bra under ett brett spektrum av förhållanden i laboratorie- och fälttester. LAMBDIS kunde detektera nedgrävda föremål 7,5 till 20 meter bort och från ett fordon som färdades i 3,8 meter per sekund (cirka 8,5 miles per timme) med jämförbara resultat som en stabil plattformsmonterad LDV. Forskare testade enheten både med luftburna och seismiska ljudkällor och med olika skanningsvinklar, antyder att enheten kan ge korrekta resultat i en mängd olika verkliga förhållanden.

Förutom att upptäcka landminor, LDV används ofta för att inspektera bilar och flygplanskomponenter, att bedöma bro- och strukturvibrationer, att kalibrera utrustning och studiematerial, och i dentala och biomedicinska tillämpningar. LAMBDIS skulle kunna gynna sådana applikationer i de fall där omgivningsljud eller rörelser hindrar användningen av LDV-enheter.