Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4904
Main Title: Advancing THz-security imager by using digital image processing-methods at the hardware level
Translated Title: Weiterentwicklung von THz-Sicherheitsbildaufnehmern unter Benutzung von Methoden der digitalen Bildverarbeitung auf der Hardwareebene
Author(s): Augustin, Sven
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Referee(s): Maultzsch, Janina
Hübers, Heinz-Wilhelm
Krozer, Viktor
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: THz-Imager sind eine vielversprechende Alternative, um die Sicherheit, zum Beispiel im öffentlichen Nahverkehr, zu verbessern. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Hauptproblemen die die Leistungsfähigkeit von THz-Sicherheitsscannern beeinflussen, wenn sie als Mittel zur Detektion von verborgenen, gefährlichen Gegenständen aus einigen Metern Entfernung eingesetzt werden. Die Untersuchung startet mit der Analyse des Szenarios, welches bei der Detektion von versteckten Bedrohungen, aus einigen Metern Entfernung, häufig vorgefunden wird. Es wird dann gezeigt, wie THz-Imager in diesem Detektionsszenario, ein hilfreiches und vielversprechendes Werkzeug sein können. Ihre Hauptkomponenten werden benannt und Ihre Leistungsfähigkeit untersucht. Dies führt zu den Hauptproblemen, die diese Technologie in ihrer Effektivität beeinflussen. Es wird gezeigt, dass das zum Ersten die Notwendigkeit des mechanischen Scannens ist, zweitens die geringe Tiefenauflösung und räumliche Auflösung und drittens die langen, notwendigen Messzeiten. Alle der 3 benannten Probleme, werden am Beispiel des sogenannten ISM-Imagers demonstriert. Eine mögliche Lösung zu den 3 genannten Problemen wird in dieser Arbeit vorgestellt. Der gewählte Ansatz ist die Verwendung von Methoden, welche in der digitalen Signalverarbeitung mehr oder weniger gebräuchlich sind. Es wird gezeigt wie sie, bereits während der Bildaufnahme, auf der Hardwareebene und nicht erst auf der digitalen Ebene, nach der Bildaufnahme, verwendet werden können. Dieses neue Bildaufnahme-Paradigma ist möglich mit der Hilfe von Geräten, die als THz-Spatial Light Modulatoren bekannt sind. SLMs werden im sichtbaren Teil des Spektrums bereits seit mehreren Jahrzehnten verwendet, sind aber nur sehr eingeschränkt im THz-Bereich anzutreffen. Der Beitrag dieser Arbeit, zur Weiterentwicklung von THz-Sicherheitsscannern, liegt darin, die bekannten Methoden aus dem sichtbaren Spektrum auf die THz-Domäne zu übertragen. Um das zu erreichen, mussten mindestens 2 Schwierigkeiten gemeistert werden. Zum Ersten ist die THz-Domäne als die quasi-optische Domäne bekannt, weil hier viele der Methoden des optischen Bereiches nicht mehr direkt anwendbar sind. Das ist vor allem, der im Vergleich zum optischen Bereich, relativ großen Wellenlänge geschuldet. Zum Zweiten sind auch Methoden aus dem Radiobereich nicht mehr direkt übertragbar, weil dafür die Wellenlänge wiederum zu klein ist. Die Arbeit versucht damit einen Beitrag zum Wandel zu leisten, der gerade auf dem Gebiet der Bildaufnahme für THz-Sicherheitsuntersuchungen stattfindet. Die hier vorgestellten neu-entwickelten Methoden reichen von Hardware-Kantendetektion über Hardware-Phasensprungdetektion und einer Hardware-kalibrierten Bildaufnahme bis zur Anwendung von Compressed Sensing mittels eines THz-SLMs. Hierbei ist die Idee hinter Compressed Sensing, nur die relevanten Daten aufzunehmen, der Schlüssel zum Verständnis, des hier vorgestellten Ansatzes, bzw. des neuen Bildaufnahmeparadigmas selbst. Aus diesem Grund spielt die Theorie und Anwendung von Compressed Sensing eine bedeutende Rolle in dieser Arbeit.
THz-Imager are a promising alternative for improving security, e.g. in public transport. This work addresses some of the major problems THz-security imager suffer from when deployed as a means for the stand-off detection of hidden threats. The text starts with analyzing the scenario of stand-off detection and threats likely encountered therein. It is then shown how THz-imager are used in this detection scenario and also why the use of THz-radiation is a good and promising choice. The main components of a THz-imager are named and examined leading to the main problems this technology suffers from. Which are shown to be; first the necessity for mechanical scanning, second poor depth of focus and resolution and third the long measurement times needed. All the aforementioned problems are demonstrated using a THz-security imager designated Integrated Security Monitor-Imager, named after the project it was developed for. The ISM-imager constitutes the THz-part of the Integrated Security Monitor. One possible solution to the problems 1-3 is presented in this thesis. The chosen approach is the use of methods common to digital image processing. The new paradigm in this is the usage of these common methods NOT on the digital level after the image acquisition, but ALREADY during image acquisition at the hardware level. This NEW PARADIGM becomes possible with the help of devices known as THz-Spatial Light Modulators. SLMs have been used in the visible region of the electromagnetic spectrum for decades but are not readily available for the THz-region. The contribution of this work to the advancement of THz-security imaging stems from reinventing/expanding established methods to the THz-region. In doing so, at least two obstacles have had to overcome. First, the THz-region of the electromagnetic spectrum is known as the Quasioptic-region because many optical methods no longer work straightforwardly in this part of the spectrum. The second obstacle is that also methods and devices from the radiowave spectral region are no longer straightforwardly applicable. Although some of the fundamentals were there, they had to be expanded -reinvented- for the THz-region and this is the innovative contribution of this work, trying to contribute to a CHANGE OF PARADIGM FOR THZ-SECURITY IMAGING by implementing the aforementioned ideas. The (reinvented) methods range from HARDWARE EDGE-DETECTION over HARDWARE PHASE-SHIFT DETECTION and HARDWARE CALIBRATED IMAGING to COMPRESSED SENSING using a THz-SLM. In this the notion behind Compressed Sensing, just to acquire the relevant information with as little overhead as possible is key in the understanding of the new imaging paradigm presented here. Therefore, the theory and application of Compressed Sensing is a major topic in this work. In order to adapt the aforementioned methods, some of their physical properties had to be examined for and with Quasioptic-techniques. The results are presented in this thesis namely chapter 6. To promote efficient reading, every sub-chapter of chapter 6 is structured in scientific paper format and can be read as a standalone text. The thesis then concludes with a brief analysis of the results presented and discusses some advantages offered by the newly implemented techniques. In this, the final outlook chapter shows possibilities for a sustainable advancement of THz-imager/THz-imaging in the future.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5207
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4904
Exam Date: 6-Nov-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 16-Dec-2015
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik
DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
DDC::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): terahertz
SLM
imaging
compressed sensing
Bildaufnahme
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