Forschung & Entwicklung

Mit der THz-Technologie zu neuer Sicherheit

16.04.2009

Ein hohes Sicherheitsbedürfnis, wie z. B. an Flughäfen, ist nur schwer mit dem Bedürfnis nach Privatsphäre vereinbar. Die so genannten „Nacktscanner“, mit denen sich Menschen entblößt dargestellt sehen, sind deshalb in der Diskussion. Weiterhin sind Fragen der Belastung durch die dabei verwendete Strahlung (Röntgen oder Mikrowellen) noch nicht endgültig beantwortet. Am IPHT wird daher ein Konzept verfolgt, welches eine rein passive Sicherheitskontrolle ermöglicht, die nur die vom Körper ausgesendete Wärmestrahlung nutzt.

Eine Pistole, die am Körper getragen wird, verursacht einen verdächtigen Schatten auf dem THz (Terahertz)-Wärmestrahlungsbild des menschlichen Körpers. Damit werden zwei wesentliche Bedenken der öffentlichen Meinung ausgeräumt: die aktive Bestrahlung und der Eindruck einer Nacktaufnahme. Obwohl in diesem Zusammenhang oft von THz-Kameras gesprochen wird, arbeitet die am IPHT entwickelte Kamera mit Frequenzen deutlich unterhalb von 1 THz, d.h. genau bei 0,35 THz. Dafür gibt es zwei Gründe: Einerseits stört die Luftfeuchtigkeit durch ihre starke Absorption oberhalb von 1 THz, andererseits verschwindet gleichzeitig auch die Fähigkeit, verborgene Gegenstände unter der Kleidung zu entdecken. Allerdings muss man berücksichtigen, dass geringere Frequenzen auch einer vergrößerten Wellenlänge entsprechen. Unterhalb von 1 THz beträgt diese bereits fast einen Millimeter. Die erreichbare optische Auflösung der Kamera, welche durch Beugungseffekte unvermeidlich beeinflusst wird, ist daher begrenzt. Es musste ein guter Kompromiss gefunden werden.
In der Atmosphäre wird die Strahlung unterhalb von 1 THz unterschiedlich stark gedämpft. In einigen Frequenzbereichen ist die Dämpfung so gering, dass eine ausreichend gute Signalstärke zur Detektion vorhanden ist. Ab etwas 0,6 THz nimmt bei Kleidungsstoffen die Dämpfung wieder drastisch zu. Als Kompromiss wird daher der Bereich um 0,35 THz als Detektionsfrequenz gewählt. Dies entspricht Wellenlängen zwischen 800 und 900 µm.
Die Wärmestrahlung des Menschen ist in diesem Bereich zwar um drei Größenordnungen geringer als beim Maximum im Infraroten, sie kann jedoch mit gekühlten Detektoren nachgewiesen werden. Zu derartigen Sensoren zählen hochempfindliche Kantenbolometer. Prinzipiell wandelt ein derartiger Detektor die absorbierte Strahlung in Wärmenergie und misst den dadurch verursachten Temperaturanstieg. Als Thermometer kommt ein Supraleiter zu Einsatz, welcher genau in seinem Sprungpunkt betrieben wird.
Die Funktionalität eines derartigen Sensors zur Aufzeichnung eines passiven Wärmebildes konnte mit einem 40 cm-Teleskop (im Bild rechts), welches auf eine Person in 5 m Entfernung gerichtet ist, gezeigt werden. Verglichen mit traditioneller Optik begrenzt die sehr große Wellenlänge von fast einem Millimeter die Auflösung. Die gewählte Apertur kann einen Winkel von 2 mrad auflösen. Objekte in einer Entfernung von 5 m bis zu 1 cm sind so lokalisierbar. Der Prototyp dieser Technologie ist seit etwa einem Jahr im Einsatz und wurde unter wechselnden Umgebungsbedingungen getestet, z. B. im Feldeinsatz im Rahmen eines NATO-Manövers. Um eine zuverlässige Detektion zu gewährleisten muss die Kamera Objekte bis zu 1 cm Größe erkennen und Temperaturunterschiede von etwa 50 mK (256 Graustufen bei einem radiometrischen Kontrast von 15 Kelvin) auflösen. Diese Anforderungen wurden erreicht. Die Aufnahmezeit für ein Bild wurde im Laufe des Jahres von anfänglich 25 s auf momentan eine Sekunde verringert.
Vergleicht man die Aufnahmen mit dem Bild, das ein Nacktscanner liefert (im Bild links) fällt auf, dass keine anatomischen Details zu erkennen sind. Da keine Beleuchtungsquelle verwendet wird, werden Körperformen nicht hervorgehoben. Dafür hinterlassen aber versteckte Objekte wie Handfeuerwaffen oder Keramikmesser einen verräterischen Schatten auf dem Wärmebild. Damit eignet sich die Technik für die geplante Anwendung und wird möglicherweise bereits in naher Zukunft zur Standardausrüstung an Flughäfen gehören.
Kontakt:
Torsten May
Institut für Photonische Technologien
Albert-Einstein-Str. 9
07745 Jena, Germany
Tel.: +49 (0)3641 206123
Fax: +49 (0)3641 206199

Photonik 2/2009

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