Nuclear quadrupole resonance system for landmine detection in Antioquia

Abstract

Colombia ranks second in the world by number of victims from landmines; and in Colombia, Antioquia is the most affected department. As most landmines in Antioquia do not have metallic parts, metal detectors became useless, however, in most of those mines, the explosive mixture includes ammonium nitrate, and thus a system able to detect this compound could help to locate the mines. On the other side, nuclear quadrupole resonance (NQR) is a spectroscopic technique that allows the detection of some compounds very specifically. Thus, this work had the purpose of developing a system for remote sensing of ammonium nitrate in landmines by NQR. To achieve this goal, a portable NQR device was constructed as well as a probe, capable of sending radiofrequency pulses at the resonance frequency of ammonium nitrate, and capable of picking up the NQR signal after excitation. The manufactured system was tested against some environmental factors, concluding that the most affecting ones are soil conductivity and landmine shape. After achieving a functional system, a classifier based on spectral descriptors was trained, using data acquired with and without ammonium nitrate. Experimental results showed that the proposed classifier (an ensemble of 20 decision trees) had better performance, in terms of the area under the receiver operating characteristic curve, than the classical solution on the literature (which relies only on signal intensity). A final test validated the performance of the system, which detected four of five buried targets in an area of 2 x 1,6 m, having 3 false alarms.

Resumen: Colombia es el segundo país con mayor número de víctimas por minas antipersona (MAP) en el mundo, siendo Antioquia es el departamento más afectado. La mayoría de las MAP en Antioquia contienen nitrato de amonio y la resonancia nuclear en cuadrupolo (NQR) es una técnica espectroscópica que permite detectar compuestos de forma muy específica. Así, este trabajo tiene el propósito desarrollar un sistema de NQR para la detección remota de nitrato de amonio en MAP. Para lograr este objetivo, se construyó un equipo portable de NQR, así como un inductor capaz de enviar pulsos a la frecuencia de resonancia del nitrato de amonio y de detectar la señal de NQR. El sistema construido fue probado en diferentes condiciones ambientales y se encontró que los factores que más lo afectan son la conductividad del suelo y la forma de la mina. Luego de lograr un sistema portable y funcional, se entrenó un clasificador basado en descriptores espectrales usando datos adquiridos con y sin nitrato de amonio. A partir de resultados experimentales se encontró que el clasificador entrenado (un ensamble de 20 árboles de decisión) tiene mejor desempeño, en términos del área bajo la curva de característica operativa del receptor, en comparación con la solución extendida en la literatura (que se basa únicamente en la intensidad de la señal). Una última prueba validó el desempeño del sistema, que fue capaz de detectar 5 muestras de nitrato de amonio ocultas en un área de 2 x 1,6 m, con 3 falsas alarmas.