Kamera terahercowa
Nisko-kosztowy w pełni pasywny terahercowy system kontroli – wykorzystanie nanotechnologii dla rozwoju systemów bezpieczeństwa
Po zamachach z 11 września 2001 r. zwiększony został nacisk na rozwój technologii i procedur związanych z ogólnie pojętym bezpieczeństwem, a w szczególności bezpieczeństwem ruchu lotniczego, zwłaszcza pasażerskiego. Kolejne procedury zwiększają co prawda bezpieczeństwo, lecz odbywa się to kosztem zmniejszenia przepustowości na lotniskach, wzrostem niepokojów społecznych i pojawianiem się licznych kontrowersji.
Dlatego też celem, który postawiło sobie konsorcjum realizujące projekt, jest opracowanie bezpiecznej i szybkiej technologii monitorowania do zastosowań w pasażerskim ruchu lotniczym, opartej na innowacyjnej metodzie pasywnego wykrywania promieniowania terahercowego (w sposób naturalny emitowanego przez wszystkie obiekty). Technologia ta, w połączeniu z zaawansowanym przetwarzaniem danych, pozwala na ciągłe skanowanie wybranej przestrzeni w celu szybkiego wykrywania pojawiających się tam określonych substancji (takich jak: materiały wybuchowe, narkotyki czy substancje biologicznie czynne) – nawet jeżeli są częściowo lub całkowicie przesłonięte.
To ambitne zadanie podzielone zostało na kilka mniejszych, realizowanych niezależnie przez odpowiednie zespoły:
Detektor
Antena detektora i jego pojedynczy „piksel”
Jest on sercem systemu. Składa się na niego matryca tzw. spektralnych pikseli, z których każdy złożony jest z pewnej liczby kropek kwantowych o zróżnicowanych kształtach. Zróżnicowanie sprawia, że każda z kropek jest czuła na nieco inną długość fali promieniowania. Piksel spektralny nie może więc mierzyć ciągłego widma, jednak odpowiedni dobór kropek kwantowych pozwala na wyznaczanie sygnatur substancji.
Unikalną cechą detektora jest połączenie jego pasywnego charakteru (mierzone jest wyłącznie promieniowanie naturalnie emitowane przez wszystkie ciała, nie ma żadnego, nawet potencjalnie niebezpiecznego, sztucznego promieniowania „prześwietlającego”) z możliwościami spektralnymi – promieniowanie mierzone jest niejako „w kolorze”.
Kriostat
Układ chłodzenia detektora – temperatura wewnątrz dochodzi do -273 °C
Pasywny charakter detektora wymaga, by pracował on w temperaturze poniżej 1,5 K (-272,6 °C). Potrzebny jest więc wydajny system chłodzący, który zapewni taką temperaturę w odpowiednio dużej przestrzeni roboczej, a dodatkowo spełni wymagania pracy pozalaboratoryjnej, takie jak: zwarta konstrukcja, prostota obsługi, małe zużycie energii, niski poziom hałasu.
W ramach projektu powstał innowacyjny, bezcieczowy układ kriogeniczny, który spełnia wszystkie te założenia. Może on znaleźć szerokie zastosowania także w innych dziedzinach.
Układ optyczny
Główna soczewka (tzw. soczewka Fresnela) wykonana jest z teflonu
Wymagania dla optycznego układu obrazującego w paśmie THz są bardzo wysokie. Musi on przenieść obraz do wnętrza kriostatu, na płaszczyznę detektora, przy jak najmniejszych zakłóceniach. Dodatkowo nie może pozwolić na zbyt duże straty ciepła przez okno kriostatu. Zaprojektowany układ jest hybrydowym połączeniem optyki klasycznej i dyfrakcyjnej, a odpowiednie filtry blokują promieniowanie cieplne przy minimalnych stratach energii promieniowania w terahercowej części widma.
Zimna elektronika
Elektronika wewnątrz kriostatu
Zadaniem zimnej (czyli działającej wewnątrz kriostatu) elektroniki jest odpowiednie wzmocnienie sygnałów elektrycznych z matrycy czujników i zmultipleksowanie ich. Polega ono na przetworzeniu informacji tak, by mogła być ona odczytana na zewnątrz kriostatu przy użyciu jak najmniejszej liczby przewodów sygnałowych. Zbyt duża liczba tych przewodów powodowałaby nadmierny przepływ ciepła do chłodzonego obszaru
System przetwarzania danych
Analiza danych zebranych przez detektor THz to złożone zagadnienie, daleko wykraczające poza klasyczną analizę obrazu. Dane te mając charakter obrazu, niosą też ze sobą informację spektralną, a do ich interpretacji należy uwzględnić szereg zewnętrznych czynników, takich jak: rozkład temperatury i odległości w polu obserwacji,y bieżącą wilgotność powietrza.
Zarówno sam system przetwarzania danych, jak i część algorytmów rozpoznających zaimplementowane zostały w środowisku LabVIEW.
Dopiero po takim przygotowaniu informacja przetwarzana jest przez odpowiednie algorytmy klasyfikujące. Ich celem jest wyodrębnienie poszukiwanych substancji w polu widzenia detektora. Wykorzystywana jest do tego, mierzona przez detektor, spektralna sygnatura danego obiektu, która dopasowywana jest do widm przechowywanych w bazie danych. W zależności od sytuacji użyte mogą być algorytmy bazujące na metodach statystycznych, sieciach neuronowych lub logice rozmytej. Ich działanie wspomagane jest uproszczonym modelem propagacji promieniowania, co umożliwia także detekcję substancji ukrytych, np. pod ubraniem.
Część z modułów oprogramowania składającego się na system przetwarzania danych została zaprojektowana i zaimplementowana przez firmę SKA Polska.
Interfejs operatora
Projekt graficznego interfejsu operatora
Powinien być funkcjonalny, przejrzysty i łatwy w obsłudze, a przy tym podawać taką ilość informacji, by maksymalnie ułatwić operatorowi podjęcie decyzji i nie powodować zbyt dużej ilości fałszywych alarmów.
Co bardzo istotne, wizualizowane są tylko efekty analizy zmierzonego promieniowania, nałożone na obraz ze zwykłej kamery. Do systemu pasywnegonie mają więc zastosowania etyczne kontrowersje związane z patrzeniem „przez ubranie”.
W projekcie tym SKA Polska odpowiedzialna była za algorytmy wizualizacyjne i zaprogramowanie prototypu graficznego interfejsu operatorskiego.
Symulator THz i optymalizacja kropek kwantowych
Podczas prac nad detektorem nie miał on jeszcze pełnych możliwości obrazowania. Aby pomimo tego umożliwić rozwój systemu przetwarzania danych, algorytmów rozpoznających i interfejsu operatora, został opracowany matematyczny model (symulator) propagacji promieniowania terahercowego. Symulator, biorąc pod uwagę geometryczny rozkład obiektów, zróżnicowanie temperatur, wpływ atmosfery i sygnatury wszystkich zdefiniowanych materiałów, pozwala dla zdefiniowanej uprzednio sceny wyznaczyć obraz, jaki byłby rejestrowany przez w pełni funkcjonalny detektor.
Wynik symulacji prostego układu, pokazujący możliwość rozpoznawania ukrytych substancji
Uproszczona wersja modelu propagacji została też użyta w narzędziu służącym do optymalizacji kształtu kropek kwantowych w detektorze. Zastosowany algorytm genetyczny tak dobiera rozmiary kropek by zmaksymalizować skuteczność rozpoznawania danego zestawu materiałów.
Zarówno oprogramowanie optymalizacyjne, jak i sam symulator zrealizowane zostały przez firmę SKA Polska. Symulator wykorzystany został do wirtualnego testowania różnych scenariuszy zastosowań systemu oraz jako środowisko sprawdzające poprawność działania algorytmów rozpoznających.
Film prezentuje interfejs operatora. Po lewej stronie wizualizacja „surowych” danych z czujników (zielony kolor to detektor THz). Obraz po prawej stronie przedstawia to, co widzi operator – na obraz ze zwykłej kamery nałożone zostają wyniki analizy – prawdopodobieństwa wykrycia materiału wybuchowego. Cała scena wygenerowana została przy użyciu symulatora THz.
Projekt był realizowany przy udziale 21 firm i jednostek naukowych z ośmiu krajów.
