TeraEye
Zamach z 11 września 2001 r. spowodował zwiększony nacisk na rozwój technologii i procedur związanych z ogólnie pojętym bezpieczeństwem. Faktem jest, że rozbudowane procedury zwiększają bezpieczeństwo, ale odbywa się to kosztem zmniejszenia przepustowości na lotniskach. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie jest projekt TeraEye.
Celem, który postawiło sobie konsorcjum realizujące projekt TeraEye, było opracowanie bezpiecznej i szybkiej technologii monitorowania do zastosowań w pasażerskim ruchu lotniczym. Wybór padł na technologię opartą na 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. Pozwala to wykryć materiały wybuchowe, narkotyki czy substancje biologicznie czynne, nawet jeżeli są częściowo lub całkowicie przesłonięte.
To ambitne zadanie podzielono na kilka mniejszych, realizowanych przez niezależnie zespoły:
Detektor TeraEye
Jest on sercem systemu. Składa się na niego matryca tzw. spektralnych pikseli. Każdy z pikseli składa się z pewnej liczby kropek kwantowych o zróżnicowanych kształtach. Zróżnicowanie sprawia, że każda kropka jest czuła na nieco inną długość fali promieniowania.
Ponieważ piksel spektralny nie mierzy ciągłego widma, konieczny jest odpowiedni dobór kropek kwantowych pozwalający na wyznaczanie sygnatur substancji.
Unikalną cechą detektora jest połączenie jego pasywnego charakteru z możliwościami spektralnymi – promieniowanie mierzone jest niejako „w kolorze”. Ponadto pasywny charakter detektora eliminuje konieczność stosowania sztucznego promieniowania „prześwietlającego”.
Kriostat
Układ optyczny
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. Z tego powodu zaprojektowany układ używa hybrydy optyki klasycznej i dyfrakcyjnej. Odpowiednie filtry blokują promieniowanie cieplne przy minimalnych stratach energii promieniowania w terahercowej części widma.
Zimna elektronika
Zadaniem zimnej (czyli działającej wewnątrz kriostatu) elektroniki jest odpowiednie wzmocnienie sygnałów elektrycznych z matrycy czujników i zmultipleksowanie ich. Przetwarzanie informacji po stronie zimnej pozwla na przesłanie jej na zewnątrz kriostatu z użyciem możliwie małej 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, mając charakter obrazu, niosą też ze sobą informację spektralną. Przy ich interpretacji należy uwzględnić szereg zewnętrznych czynników, takich jak: rozkład temperatury i odległości w polu obserwacji, czy bieżącą wilgotność powietrza.
Przetworzona informacja z detektora trafia do algorytmów klasyfikujących. Ich celem jest wyodrębnienie poszukiwanych substancji w polu widzenia detektora. Spektralna sygnatura obserwowanego obiektu jest dopasowywana do katalogu widm przechowywanych w bazie danych. W zależności od sytuacji użyte mogą być algorytmy bazujące na metodach statystycznych, sieciach neuronowych lub logice rozmytej.
Detekcja substancji ukrytych np. pod ubraniem jest możliwa dzięki sprzężeniu uproszczonego modelu propagacji promieniowania z algorytmami klasyfikacyjnymi.
SKA Polska zaprojektowała i zaimplementowała część z modułów oprogramowania składającego się na system przetwarzania danych.
Interface operatora TeraEye
Powinien być funkcjonalny, przejrzysty i łatwy w obsłudze. Prezentowane informacjie powinny maksymalnie ułatwić operatorowi podjęcie decyzji i ograniczyć ilości fałszywych alarmów.
Co ważne, wizualizowane są tylko efekty analizy zmierzonego promieniowania, nałożone na obraz ze zwykłej kamery. Do systemu nie mają więc zastosowania etyczne kontrowersje związane z patrzeniem „przez ubranie”.
W projekcie SKA Polska odpowiedzialna była za algorytmy wizualizacyjne i implementację prototypu graficznego interfejsu operatorskiego.
Symulator THz i optymalizacja kropek kwantowych
Ponieważ podczas prac nad detektorem nie miał on jeszcze pełnych możliwości obrazowania.
Aby umożliwić rozwój systemu przetwarzania danych, algorytmów rozpoznających i interfejsu operatora, opracowano matematyczny model (symulator) propagacji promieniowania terahercowego. Symulator, biorąc pod uwagę geometryczny rozkład obiektów, zróżnicowanie temperatur, wpływ atmosfery i sygnatury wszystkich zdefiniowanych materiałów, pozwala wygenerować obraz, jaki rejestrowałby w pełni funkcjonalny detektor.
Uproszczona wersja modelu propagacji jest również 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 zrealizowała firma SKA Polska. Konsorcjum wykorzystało symulator do wirtualnego testowania różnych scenariuszy zastosowań systemu oraz jako środowisko sprawdzające poprawność działania algorytmów klasyfikujących.
Projekt TeraEye realizowało 21 firm i jednostek naukowych z ośmiu krajów europejskich w ramach programu FP6-NMP.
