DE112012001926B4

DE112012001926B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz

Info

Publication number: DE112012001926B4
Application number: DE112012001926.1T
Authority: DE
Inventors: Ziran Zhao; Yingxin Wang; Zhigiang Chen; Wanlong Wu
Original assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2032-04-14
Also published as: US20140231649A1; CN102759753B; GB2502239B; CN102759753A; US9194796B2; DE112012001926T5; HK1173226A1; GB2502239A; GB201316221D0; WO2012146054A1

Abstract

Verfahren zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz, das die folgenden Schritte aufweist:Durchführen einer Terahertz-Bildgebung für ein erfasstes Objekt zum Erstellen eines Terahertz-Reflexionsbildes;Beurteilen, ob ein verdächtiger Bereich, der eine verborgene gefährliche Substanz enthalten könnte, in einem Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes vorhanden ist, das durch die Terahertz-Bildgebung erhalten wird, auf der Basis von Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von dem Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden;Suchen und Lokalisieren des verdächtigen Bereiches; anschließendDurchführen einer Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung mit bezüglich der Wellenlänge abstimmbarer Dauerstrich-Terahertz-Strahlung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte; anschließendDurchführen einer Analyse und Verarbeitung für die Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten von interessierenden Messpunkten in dem verdächtigen Bereich; undFeststellen, ob die gefährliche Substanz in dem verdächtigen Bereich enthalten ist, entsprechend den Ergebnissen der Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung;Präsentieren eines Ergebnisses der Identifikation einer gefährlichen Substanz; undAusgeben des Terahertz-Bildes des erfassten Objektes und der Ergebnisse der Detektion einer gefährlichen Substanz.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung fällt in das technische Gebiet der Terahertz-Erfassung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fernlokalisierung und -identifizierung einer verborgenen gefährlichen Substanz mittels aktiver Dauerstrich-Terahertz-Bildgebung und Multiwellenlängen-Spektroskopie.
HINTERGRUND ZUM STAND DER TECHNIK
Die Erkennung von Sprengstoffen zieht auf dem Gebiet der sozialen und öffentlichen Sicherheit viel Aufmerksamkeit auf sich. Sie ist von besonderer Bedeutung für die Erforschung schneller und effektiver Detektionstechnologien, um Menschenleben und Eigentumssicherung zu schützen und eine harmonische Gesellschaft aufzubauen. Da die Intensität bei der Bekämpfung von Terrorismus steigt und da Sicherheitskontroll- und Sprengstoffbekämpfungsmaßnahmen verstärkt werden, spielen die existierenden Sprengstoff-Nahdetektions- und -identifikationsvorrichtungen eine bedeutende Rolle. Jedoch verbessern Kriminelle ständig ihre Gegenüberwachungskenntnisse, und die explosive Vorrichtung variiert damit, wobei die gefährliche Substanz während der Prüfstufe explodieren kann, was somit die Sicherheit von Prüfpersonen und Detektionsvorrichtungen bedroht, so dass der optimalste Weg darin besteht, eine Ferndetektion vorzunehmen.
Derzeit umfassen die Technologien, die die Anforderung nach Sprengstoffferndetektion bis zu einem gewissen Maß erfüllen, hauptsächlich Röntgenstrahl-Rückstreu-Bildgebung, Laserspektroskopie, Wärmebildgebung, Millimeterwellen- und Terahertz-Technologien und dergleichen (1. A study and Application of Long-distance Explosive Detection Technologies [Studium und Anwendung von Sprengstoff-Ferndetektionstechnologien], Quianjing TANG und Jie SHAO, China Security & Protection, 2009, 9:40-45 ). Die Röntgen-Rückstreu-Bildgebungstechnologie nutzt die rückgestreuten Röntgenstrahlen zur Abbildung des detektierten Objektes, wobei die hierfür verwendete Röntgenenergie geringer ist als die Energie, die zur Transmissionsbildgebung verwendet wird und die mögliche Detektionsreichweite für die Röntgenstrahlen-Rückstreu-Bildgebungstechnologie beträgt 15 Meter, was für eine Unterscheidung der Sprengstoffe von dem Hintergrund ausreicht. Da die Röntgenstrahlen ionisationsinduzierende Eigenschaft aufweisen, fügen sie bis zu einem gewissen Grad einen Schaden der Gesundheit eines Menschen zu. Laserspektroskopie beurteilt, ob ein Sprengstoff vorhanden ist, hauptsächlich durch Nutzung des Lasers mit einer bestimmten Wellenlänge, die durch das Objekt, das erfasst wird, bei einer Laserbestrahlung absorbiert oder emittiert wird, wie z.B. Raman-Spektrum, laserinduziertes Fluoreszenzspektrum und photoakustisches Spektrum. Die Laserspektroskopietechnologie ist insofern vorteilhaft, als ein Laser eine gute Ausbreitungscharakteristik aufweist und die Anforderung an eine Ferndetektion erfüllt, wobei diese Technologie insofern nachteilig ist, als ein Laser einen lichtundurchlässigen Gegenstand nicht durchdringen kann und folglich nicht dazu verwendet werden kann, verborgene Sprengstoffe zu detektieren. Wärmebildgebungstechnologie führt eine Detektion hauptsächlich mittels der Temperaturdifferenz zwischen der verborgenen Substanz und der Oberfläche durch. Diese Technologie ist zur Detektion von Körperbomben außergewöhnlich vorteilhaft, wobei jedoch ein Luftstrom und andere Wärmequellen einen Einfluss auf die Detektionsergebnisse haben können. Indessen kann diese Technologie nur Informationen über die Gestalt der verborgenen Substanz liefern, so dass Sprengstoffe nicht unter dem Gesichtspunkt der Substanzzusammensetzung unterschieden werden können, so dass folglich das Detektionsvermögen dieser Technologieart begrenzt ist. Was die Millimeterwellen-Technologie anbetrifft, werden Bilder durch elektromagnetische Strahlung im Millimeterwellen-Frequenzband gebildet, die durch den erfassten Gegenstand selbst emittiert oder von dem Gegenstand zurückreflektiert werden. Die Millimeterwelle weist ein exzellentes Durchdringungsvermögen durch Atmosphäre und Kleidung auf und ist in der Lage, verborgene Waffen in großer Entfernung zu detektieren, hat jedoch nicht die Fähigkeit, eine Substanzzusammensetzung zu identifizieren. Terahertz-Strahlung bezeichnet allgemein elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz in einem Bereich von 0,1-10 THz, und sie weist hinsichtlich der folgenden Aspekte einzigartige Eigenschaften auf: erstens, viele organische Moleküle sind durch eine charakteristische Absorption und Dispersion innerhalb eines Terahertz-Frequenzbandes gekennzeichnet, so dass das Terahertz-Spektrum einer Substanz eine „Fingerabdruck“-Eigenschaft zeigt. Folglich kann die Art und Zusammensetzung einer Substanz mittels der Terahertz-Spektroskopietechnologie identifiziert werden; zweitens, eine Terahertz-Strahlung weist eine sehr starke Durchdringung durch viele nichtmetallische und nicht-polarisierte Substanzen auf und kann unmittelbar eine verborgene gefährliche Substanz detektieren; außerdem haben elektromagnetische Terahertz-Wellen keine ionisationsinduzierende Eigenschaft wie die Röntgenstrahlen, und sie sind nicht für die Materialien und den menschlichen Körper schädlich, so dass die Terahertz-Technologie eine ausgezeichnete Einsatzperspektive in Bezug auf Sprengstoffdetektion umfasst.
2006 entwickelten US landforce RDECOM CERDEC Night Vision and Electronic Sensor Laboratory einen aktiven 640-GHz-Bildgebungsinstrumentensatz, der verdeckte Waffen detektieren kann (2. E. L. Jacobs, S. Moyer, C. C. Franck, et al., Concealed Weapon Identification Using Terahertz Imaging Sensors [Identifikation verborgener Waffen unter Verwendung von Terahertz-Bildgebungssensoren], Proc. Of SPIE, 2006, 6212: 62120J). Ihre Detektionsreichweite beträgt etwa 1,5 m, wobei die verwendete konfokale Bildgebungsweise eine hohe Auflösung und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sicherstellt, jedoch die Scanngeschwindigkeit von dieser gering ist. Zur gleichen Zeit führte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt eine Forschungsarbeit über Abstands-Terahertz-Bildgebung für gefährliche metallische Substanzen, die unter Kleidern von Menschen versteckt werden, für die Zwecke der Bekämpfung von Terrorismus durch, und es entwickelte 2007 erfolgreich eine Prototypmaschine eines Bildgebungssystems mit einer Betriebsfrequenz von 0,8 THz, einer Detektionsreichweite von bis zu 20 m und einer Auflösung von weniger als 2 cm (3. H.-W. Hübers, A. D. Semonov, H. Richter, et al., Terahertz imaging system for stand-off detection of threats [Terahertz-Bildgebungssystem zur Fernerkennung von Gefahren], Proc. Of SPIE, 2007, 6549:65490A), das eine Scanngeschwindigkeit erreichen kann, die einer Echtzeit-Bilderfassung nahe kommt. Die obige Forschungsarbeit zeigt an, dass es möglich ist, aktive Terahertz-Strahlung zur Bildgebung und Positionierung eines verdächtigen Objekts in großer Entfernung zu nutzen, diese jedoch zur Identifikation in Bezug auf die Sprengstoffdetektion mit Spektruminformationen kombiniert werden muss. Außerdem befindet sich eine derartige Forschung noch in einem Prüfstandstadium, und sie ist noch nicht in eine praktische Anwendung überführt, was weiter entwickelt werden muss.
Es werden einige Studien im In- und Ausland in Bezug auf die Fern-Terahertz-Spektroskopie durchgeführt, und sie befinden sich alle in einer Erkundungsphase. 2006 wandte US RPI Terahertz Research Center die herkömmliche Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskopie zur Detektion einer Sprengstoffprobe in einem entfernten Abstand an, wobei es eine RDX-Absorptionsspitze von 0,82 THz selbst in einer Ausbreitungsentfernung von 30 m beobachtete und vorläufig feststellte, dass eine Fernidentifikation von Sprengstoffen machbar ist (4. H. Zhong, A. Redo, Y. Chen, et. al., THz wave standoff detection of explosive materials [THz-Wellen-Ferndetektion von explosiven Materialien], Proc. Of SPIE, 2006, 6212: 62120L). Jedoch hat atmosphärische Absorption eine gravierende Verzerrung des Spektrums, ein unerwünschtes Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge und ist für praktische Anwendung nicht verwendbar. Dieses Forschungszentrum schlug ferner eine neue Technologie zur Erzeugung gepulster Terahertz-Strahlung durch Induktion von Luftplasma mittels eines Femtosekunden-Lasers vor (5. J. Dai und X.-C. Zhang, Terahertz wave generation from gas plasma using a phase compensator with attosecond phase-control accuracy [Terahertzwellenerzeugung aus Gasplasma unter Verwendung eines Phasenkompensators mit Attosekunden-Phasensteuerungsgenauigkeit]. Appl. Phys. Lett., 2009, 94: 021117). An sich kann sichtbares Licht in der Atmosphäre mit guter Transmissionseigenschaft bis in die Nähe des detektierten Objekts in einem entfernten Abstand emittiert werden, um eine Terahertz-Strahlung zu erzeugen, um so eine durch die Atmosphäre an der Terahertz-Strahlung bewirkte Abschwächung zu vermeiden, wobei der Sprengstoff anschließend durch Spektroskopie identifiziert wird. Jedoch ist eine Ferndetektion eines reflektierten Signals mit einer Schwierigkeit konfrontiert, wobei die reine Spektroskopietechnologie nur einen Messpunkt des Objektes detektiert und keine räumliche Orientierungsfähigkeit aufweist. Folglich muss diese Technologie mit einer Bildgebungstechnologie kombiniert werden, um die Anforderungen einer praktischen Anwendung zu erfüllen.
US 2006/0022140 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur Inspektion von Gegenständen mit Terahertz-Strahlung, wobei aus der transmittierten und/oder reflektierten Terahertz-Strahlung Informationen über die Dichte und/oder eine physikalische Eigenschaft, z.B. den Brechungsindex, des Gegenstands bestimmt werden, die zur Analyse insbesondere eines Oberflächenbereiches des Gegenstands verwendet werden. Es wird auch vorgeschlagen, die Terahertzstrahlungs-Inspektionsmodalität mit einer anderen, z.B. Röntgen-, PET- oder NQR-basierten Inspektionsmodalität zu kombinieren.
US 2008/0296501 A1 schlägt vor, einen Gegenstand mit elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 10-100 Gigahertz (Millimeterwellen) grob vorzuscannen, um einen interessierenden Bereich zu identifizieren, und anschließend den interessierenden Bereich mit Terahertz-Strahlung zu scannen, um ein potentiell gefährliches interessierendes Objekt zu detektieren.
US 2006/0056586 A1 kombiniert eine Röntgenbildgebung zum Auffinden verdächtiger Bereiche, die eine potentiell gefährliche Substanz enthalten könnten, mit anschließender Terahertz-Spektralanalyse, die an den aufgefundenen verdächtigen Bereichen durchgeführt wird, um darin vorhandene Sprengstoffe, Waffen, Drogen oder dgl. zu detektieren.
US 2009/0045343 A1 beschreibt eine Terahertz-Inspektionsvorrichtung mit einem Sender, einem Detektor und einer Scannvorrichtung, die eine Optikeinrichtung enthält, wobei die Inspektionsvorrichtung sowohl zur Terahertz-Bildgebung, um ein Bild von einem beleuchteten Gegenstand mittels einer Bildrekonstruktionstechnik zu erzeugen, als auch zur Terahertz-Spektroskopie eingerichtet ist, um die Gegenwart von spektroskopischen Signaturen eines interessierenden Objektes zu detektieren.
US 2010/0155476 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur Produktidentifikation unter Verwendung von Terahertz-Bildgebung und -Spektroskopie.
US 2006/0054824 A1 beschreibt ein Terahertz-Nahfed-Bildgebungssystem, das empfangene THz-Signale in ein Bild eines Ziels wandelt, das eine Signatur im Frequenzbereich enthält, die gegen bekannte Signaturen oder Bilder verglichen wird, um das Ziel als eine bestimmte Substanz oder Zusammensetzung zu identifizieren.
US 2007/0114418 A1 beschreibt ein Portal zur Sicherheitskontrolle von Fluggästen oder dgl. mit einem THz-Bildgebungsscanner, wobei die THz-Bildgebung bei zwei oder mehreren THz-Frequenzen durchgeführt wird, um den Bildkontrast zu verbessern.
US 2005/0232459 A1 beschreibt ein Überwachungssystem mit einer ersten und einer zweiten Sensorvorrichtung, wobei die erste Sensorvorrichtung zur Bestrahlung eines Objektes mit elektromagnetischer Strahlung in einem Frequenzbereich von etwa 100 MHz bis etwa 2 THz eingerichtet ist, um daraus Bilddaten zur Erzeugung eines holografischen Bildes wenigstens eines Teils des Objektes zu gewinnen. Die zweite Sensorvorrichtung ist zum Erfassen von sichtbarer Strahlung, InfrarotStrahlung, Hochfrequenz-Strahlung, Terahertz-Strahlung oder Röntgenstrahlung eingerichtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Nachteile in dem vorerwähnten Stand der Technik zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Ferndetektion einer verborgenen gefährlichen Substanz bereit. Der Schlüssel dieses Verfahrens liegt darin, dass basierend auf den hohen Leistungs- und Frequenzabstimmeigenschaften der Dauerstrich-Terahertz-Strahlung zuerst das verdächtige Objekt auf der Basis der durch Terahertz-Bildgebung widergespiegelten Forminformation schnell lokalisiert wird, anschließend bestimmte Frequenzbänder mit guter atmosphärischer Transmittanz ausgewählt werden, um eine Unterscheidungsmessung im Terahertz-Spektrum durchzuführen, um weiter festzustellen, ob eine gefährliche Substanz vorliegt.
Der Ausdruck „Fern-“, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, ist allgemein als ein Bereich von 5 m - 20 m von einem erfassten Gegenstand entfernt definiert. Jedoch sind die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf die Erfassung einer verborgenen gefährlichen Substanz in einer kürzeren Entfernung oder in einer größeren Entfernung anwendbar.
Die technische Lösung der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende Weise realisiert:

Ein Verfahren zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz gemäß der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf: Durchführung einer Terahertz-Bildgebung für ein erfasstes Objekt zum Erstellen eines Terahertz-Reflexionsbildes; Beurteilen, ob ein verdächtiger Bereich, der eine verborgene gefährliche Substanz enthalten könnte, in einem Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes vorhanden ist, das durch die Terahertz-Bildgebung erhalten wird, auf der Basis von Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von dem Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden; Suchen und Lokalisieren des verdächtigen Bereiches; anschließend Durchführung einer Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte; anschließend Durchführen einer Analyse und Verarbeitung für die Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten von interessierenden Messpunkten in dem verdächtigen Bereich; und Feststellen, ob die gefährliche Substanz in dem verdächtigen Bereich enthalten ist, entsprechend den Ergebnissen der Multiwellenlängen-Spektroskopie- und Messung; Präsentieren eines Ergebnisses der Identifikation einer gefährlichen Substanz; und Ausgeben des Terahertz-Bildes des erfassten Objektes und des Detektionsergebnisses über die gefährliche Substanz.

Gemäß einem Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der Schritt der Durchführung der Terahertz-Bildgebung für das erfasste Objekt aufweisen: Einstellen eines Terahertz-Senders, damit er bei einer Bildgebungswellenlänge arbeitet; Kollimieren und Fokussieren der Terahertz-Strahlung, die durch den Terahertz-Sender ausgegeben wird, und Übertragen der Terahertz-Strahlung zu dem erfassten Objekt; Erfassen der durch das erfasste Objekt zurückreflektierten Terahertz-Strahlung durch einen Terahertz-Detektor, um die Informationen über einen Pixelpunkt des erfassten Objektes zu erhalten; und Ermöglichen, dass ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, über ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem, um so ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objekts zu akquirieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Beurteilens, ob ein verdächtiger Bereich, der eine gefährliche Substanz enthalten könnte, in dem Terahertz-Reflexionsbild vorhanden ist, durch ein Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem auf der Basis der Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die durch das Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden, durchgeführt werden, wobei indessen der verdächtige Bereich genau lokalisiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der Schritt der Durchführung einer Multiwellenlängen-Spektroskopiemessung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, ferner aufweisen: Auswählen eines bestimmten interessierenden Punktes in dem verdächtigen Bereich, Durchführen der Multiwellenlängen-Spektroskopiemessung für den interessierenden Punkt, Errichten eines Terahertz-Multiwellenlängen-Reflexionsspektrum-Identifikationsmodells und Verwenden eines Mustererkennungsverfahrens um festzustellen, ob eine gefährliche Substanz in dem verdächtigen Bereich vorhanden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der Schritt der Einstellung eines Terahertz-Senders, damit er bei einer Bildgebungswellenlänge arbeitet, ferner aufweisen: a) Auswählen eines Frequenzfensters mit guter Transmittanz gemäß den Transmissionseigenschaften der Terahertz-Strahlung in der Atmosphäre, und Bestimmen des Betriebswellenlängenbereichs einer Terahertz-Strahlungsquelle; b) umfassendes Analysieren einer Sendeleistung der Terahertz-Strahlungsquelle und eines Einflusses der Wellenlänge auf ein Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebung und eine räumliche Auflösung, während indessen der in Schritt a) definierte Wellenlängenbereich berücksichtigt wird, um eine optimale Bildgebungswellenlänge zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das Wellenstrahl-Scannsteuersystem eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung und eine Terahertzwellenstrahl-Steuereinheit aufweisen. Der Schritt des Ermöglichens, das ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, über das Wellenstrahl-Scannsteuersystem kann ferner aufweisen: Ermöglichen, dass die Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit ein Signal zu der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung sendet, und Einstellen eines Wellenstrahl-Scannmoduls in der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung, damit es die Lichtfleckposition des Terahertzwellenstrahls an dem erfassten Objekt verändert.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das Wellenstrahl-Scannmodul ein Galvanometerspiegel sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann das Wellenstrahl-Scannsteuersystem eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung und eine Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit aufweisen. Der Schritt des Ermöglichens, das ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, durch das Wellenstrahl-Scannsteuersystem kann ferner aufweisen: die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung trägt ein System, das den Terahertz-Sender, den Terahertz-Detektor und die Terahertz-Optikanordnung aufweist, um eine Translationsbewegung auszuführen, wobei der Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit ermöglicht wird, ein Signal zu der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung zu senden und die räumliche Position der Anordnung einzustellen, um die Lichtfleckposition des auf das erfasste Objekt einfallenden Terahertzwellenstrahls zu verändern.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Durchführens einer Multiwellenlängen-Spektroskopiemessung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, ferner aufweisen: wahlweises Einstellen der Strahlungswellenlänge des Terahertz-Senders durch die Wellenlängenabstimm-Steuereinheit, um dem Terahertz-Sender zu ermöglichen, bei einer durch die Multiwellenlängen-Spektroskopie erforderlichen Wellenlänge zu arbeiten.
Eine Vorrichtung zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf:

eine Terahertz-Sendevorrichtung, die konfiguriert ist, um eine hinsichtlich der Wellenlänge abstimmbare Dauerstrich-Terahertz-Strahlung zur Bestrahlung des erfassten Objekts und zur Wechselwirkung mit dem Objekt zu erzeugen; einen Terahertz-Detektor, der konfiguriert ist, um von dem erfassten Objekt zurückreflektierte Terahertz-Strahlung zu empfangen;
eine Terahertz-Optikanordnung, die konfiguriert ist, um den durch die Terahertz-Sendevorrichtung erzeugten Wellenstrahl zu kollimieren und diesen auf das erfasste Objekt zu fokussieren und unterdessen den von dem erfassten Gegenstand zu dem Terahertz-Detektor zurückreflektierten Terahertzwellenstrahl zu erfassen; ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem, das konfiguriert ist, um die räumliche Position des auf den erfassten Gegenstand einfallenden Terahertzwellenstrahls einzustellen; und ein Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem, das mit der Terahertz-Sendevorrichtung, dem Terahertz-Detektor und dem Wellenstrahl-Scannsteuersystem verbunden und konfiguriert ist, um die Koordination der Terahertz-Sendevorrichtung, des Terahertz-Detektors und des Wellenstrahl-Scannsteuersystem in der Vorrichtung zu steuern, ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objekts aufzubauen, auf der Basis der charakteristischen Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die durch das Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden, zu beurteilen, ob ein verdächtiger Bereich, der eine gefährliche Substanz enthält, in dem Terahertz-Reflexionsbild vorhanden ist, den verdächtigen Bereich zu suchen und zu lokalisieren, anschließend eine Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, durchzuführen, anschließend eine Analyse und Verarbeitung für die Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten von interessierenden Messpunkten in dem verdächtigen Bereich durchzuführen und Identifikationsergebnisse für die gefährliche Substanz zu präsentieren.

Gemäß einem Aspekt einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Terahertz-Sendevorrichtung ferner einen Terahertz-Sender und eine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit aufweisen, wobei die Wellenlängenabstimm-Steuereinheit mit dem Terahertz-Sender verbunden ist, um die Strahlungswellenlänge des Terahertz-Senders wahlweise einzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Terahertz-Sender ein Gunn-Oszillator und ein Frequenzmultiplizierer, ein Rückwärtswellenrohr, ein Parameter-Oszillator oder ein Quantenkaskadenlaser sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Terahertz-Detektor eine Schottky-Diode, ein Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Tunnelkontakt-Frequenzmischer oder ein Bolometer sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist das Wellenstrahl-Scannsteuersystem eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung und eine Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit auf. Die Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit ist mit der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung verbunden. Die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung weist ein Wellenstrahl-Scannmodul auf und wird verwendet, um das Wellenstrahl-Scannmodul in Echtzeit einzustellen und zu überwachen, um eine Einstellung und Auslesung der räumlichen Wellenstrahl-Positionsinformationen zu vervollständigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Wellenstrahl-Scannmodul ein Galvanometerspiegel sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung ein mechanischer translatorischer Tisch sein, der ein System trägt, das die Terahertz-Sendevorrichtung, den Terahertz-Detektor und die Terahertz-Optikanordnung aufweist und einen zweidimensionalen Punkt-zu-Punkt-Scannvorgang an dem erfassten Objekt durchführt, um ein Bild des erfassten Objekts zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann die Terahertz-Optikanordnung einen Strahlteiler aufweisen, der für eine Kollimation des durch die Terahertz-Sendevorrichtung erzeugten Wellenstrahls und eine Erfassung des Terahertzwellenstrahls, der von dem erfassten Objekt zu dem Terahertz-Detektor zurückreflektiert wird, verantwortlich ist, einen Planspiegel und einen Parabolspiegel oder einen elliptischen Spiegel oder eine Linse zur Fokussierung des Terahertzwellenstrahls auf das erfasste Objekt aufweisen.
Durch Verwendung des vorstehend erwähnten Verfahrens und Aufbaus weist die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf:

1) Das Verfahren zur Kombination von Dauerstrich-Terahertz-Bildgebung und Dauerstrich-Multiwellenlängen-Spektroskopie, wie es durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird, kann eine Identifikation der verborgenen gefährlichen Substanz gleichzeitig unter Gesichtspunkten sowohl der charakteristischen Formeigenschaften als auch der Substanzzusammensetzungen erreichen;
2) Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Vorrichtung lokalisiert schnell den verdächtigen Bereich, in dem eine gefährliche Substanz verborgen sein könnte, durch Terahertz-Bildgebung, wählt anschließend nur einen bestimmten interessierenden Punkt in dem Bereich aus, um eine weitere Spektroskopie und Identifikation ohne die Notwendigkeit der Durchführung einer spektroskopischen Bildgebung für den gesamten gescannten Bereich durchzuführen. Folglich weist die Vorrichtung eine hohe Messgeschwindigkeit auf, und sie kann die Detektionseffizienz deutlich verbessern;
3) Das durch die vorliegende Erfindung angewandte Dauerstrich-Multiwellenlängen-Spektroskopieverfahren kann den durch atmosphärische Absorption hervorgerufenen Einfluss vermeiden und die Durchführbarkeit der Ferndetektion sicherstellen. Außerdem verwendet die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung eine hinsichtlich der Wellenlänge abstimmbare Dauerstrich-Terahertz-Strahlungsquelle, die eine höhere mittlere Ausgangsleistung als diejenige einer herkömmlicherweise verwendeten gepulsten Quelle aufweist. Folglich weist die Vorrichtung ein besseres Durchdringungsvermögen durch Barrierematerialien, ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis und eine bessere Anwendungsmöglichkeit auf.

Figurenliste
Die vorstehend erwähnten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren deutlicher gemacht, worin

1 eine schematisierte Ansicht zeigt, die den Aufbau der ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ferndetektion eines Sprengstoffs unter Verwendung von Terahertz-Bildgebung und Multiwellenlängen-Spektroskopie veranschaulicht;
2 ein Atmosphären-Transmissionsspektrum einer Terahertz-Strahlung (bei einem standardgemäßen atmosphärischen Druck, einer Temperatur von 20°C, einer relativen Feuchtigkeit von 40% und einer Übertragungsentfernung von 20 m) veranschaulicht;
3 eine schematische Darstellung des Terahertzwellenstrahl-Scanns zeigt;
4 eine schematische Darstellung der Lokalisierung und Identifizierung eines verdächtigen Bereiches in einem Terahertz-Bild zeigt;
5 ein Terahertz-Absorptionsspektrum des explosiven RDX sowie für die Multiwellenlängen-Spektroskopie ausgewählte Probestellen veranschaulicht;
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren eines verborgenen Sprengstoffs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 eine schematische Ansicht zeigt, die den Aufbau der zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ferndetektion eines Sprengstoffs unter Verwendung von Terahertz-Bildgebung und Multiwellenlängen-Spektroskopie zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine schematische Ansicht, die den Aufbau der ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ferndetektion eines Sprengstoffs unter Verwendung von Terahertz-Bildgebung und Multiwellenlängen-Spektroskopie veranschaulicht. Wie in 1 veranschaulicht, weist die Vorrichtung 101 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf: einen Terahertz-Sender 102 und seine Steuereinheit 115 zur Wellenlängenabstimmung, einen Terahertz-Detektor 112; eine Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 und ihre Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 114; ein Terahertz-Kollimationselement 104, ein Fokussierelement 106, einen Strahlteiler 110; und ein computerbasiertes Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 113. Der Terahertz-Sender 102 und seine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 115 bilden eine Terahertz-Sendevorrichtung, die konfiguriert ist, um eine in der Wellenlänge abstimmbare Dauerstrich-Terahertz-Strahlung zur Bestrahlung des erfassten Objekts und zur Interaktion mit dem erfassten Objekt zu erzeugen. Die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 und ihre Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 114 bilden ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem. Das Terahertz-Kollimationselement 104, das Fokussierelement 106 und der Strahlteiler 110 bilden eine Terahertz-Optikanordnung zur Übertragung ausgestrahlter Wellenstrahlen.
Der Terahertz-Sender 102 erzeugt eine Dauerstrich-Terahertz-Strahlung 103 mit einer Wellenlänge von λ₀ (die entsprechende Frequenz ist f₀), die, nachdem sie den Strahlteiler 110 und das Terahertz-Kollimationselement 104 (das ein Parabolspiegel oder eine Linse sein kann) passiert, die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 erreicht, und wobei die nachfolgende Ausbreitungsrichtung durch die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 gesteuert wird; das Fokussierelement 106 (das ein Parabolspiegel oder eine Linse sein kann) lässt einen eintreffenden Terahertzwellenstrahl 107 in einem entfernten speziellen Messpunkt an einem erfassten Objekt 108 konvergieren; ein durch das Objekt 108 reflektierter Wellenstrahl 109 läuft entlang eines Ausbreitungspfads des eintreffenden Wellenstrahls zurück und wird anschließend durch den Strahlteiler 110 reflektiert, wobei eine Intensität eines Wellenstrahls 111, der durch den Strahlteiler reflektiert wird, durch den Terahertz-Detektor 112 gemessen wird; das Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 113 liest die Intensität der reflektierten Terahertz-Welle an dem speziellen Messpunkt aus. Die Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 114 sendet ein Signal zu der Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105, wobei die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 mittels mechanischer Elemente in dieser eingestellt wird, um eine Lichtfleckposition des auf das erfasste Objekt 108 einfallenden Wellenstrahls 107 zu verändern; das Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 113 koordiniert die Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 114 und den Terahertz-Detektor 112, um eine Intensität einer reflektierten Terahertz-Welle an unterschiedlichen Positionen in einem zu scannenden Bereich des erfassten Objektes 108 zu erhalten und schließlich ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes 108 zu erzeugen. Die Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 115 stimmt eine Betriebswellenlänge des Terahertz-Senders 102 ab und setzt die Bildgebungswellenlänge λ₀ und die Spektroskopiewellenlänge {λ₁, λ₂, ... λ_n} fest.
2 veranschaulicht ein Atmosphären-Transmissionsspektrum einer Terahertz-Strahlung in einem Bereich von 0,1-2,5 THz, wie es durch Berechnung aus der HITRAN-Molekülabsorptionsspektrumdatenbank unter den folgenden Bedingungen erhalten wurde: ein standardgemäßer atmosphärischer Druck, eine Temperatur von 20°C, eine relative Feuchtigkeit des Dampfes von 40% und eine angenommene Übertragungsentfernung der Terahertz-Strahlung von 20 m. Wie in 2 veranschaulicht, zeigen die durch die Transmissionsspektrumskurve 201 wiedergegebenen Abschwächungsregeln an, dass eine Übertragung der Terahertz-Strahlung in der Atmosphäre eine Reihe von Frequenzfenstern mit einer höheren Transmittanz, z.B. die Frequenzintervalle 202-208, wie sie in der Figur markiert sind, aufweist. Diese Daten dienen als eine Basis für die Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 115, um eine Betriebswellenlänge des Terahertz-Senders 102 festzulegen. In einem Bildgebungsmodus arbeitet das System bei einer einzigen Wellenlänge λ₀, und es kann einen Wellenlängenwert entsprechend einer beliebigen Frequenz in den Intervallen 202-208 auswählen. Sicherlich muss gleichzeitig ein abstimmbarer Bereich der von dem Terahertz-Sender ausgegebenen Wellenlänge berücksichtigt werden. In dem Multiwellenlängen-Spektroskopiemodus arbeitet das System bei einer Reihe von Wellenlängen {λ₁, λ₂, ... λ_n}, die jeweils aus den Intervallen 202-208 ausgewählt sein können, und indessen werden Gedanken darüber angestellt, ob sie Spektrummerkmalen des Sprengstoffs entsprechen, wobei z.B. der RDX-Sprengstoff einen Absorptionswert in der Nähe von 0,8 THz aufweist und diese Frequenz sich in dem Intervall 204 befindet (mit einer Transmittanz von mehr als 80%).
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Terahertzwellenstrahl-Scannvorgangs. Ein Wellenstrahl-Scannmodul 301 kann zwei einachsige Galvanometerspiegel oder einen zweiachsigen Galvanometerspiegel aufweisen. Wie in 3 veranschaulicht, wird der durch den Terahertz-Sender emittierte Wellenstrahl durch einen Parabolspiegel 302 reflektiert und kollimiert, durch die Galvanometerspiegel 303, 304 in dem Wellenstrahl-Scannmodul 301 reflektiert, und er trifft anschließend auf einen Parabolspiegel 305 auf und wird dann auf das erfasste Objekt fokussiert. Die Galvanometerspiegel 303, 304 können in Form von Planspiegeln ausgebildet sein und unter der Wechselwirkung von mechanischen Elementen in der Wellenstrahl-Scannvorrichtung wirken. Der Galvanometerspiegel 303 dreht sich um eine Achse x', so dass sich der Wellenstrahl 306 in einer y-z-Ebene bewegt, und eine Lichtfleckposition des einfallenden Wellenstrahls auf dem Objekt bewegt sich damit einher und erreicht ein quer gerichtetes (zeilenweises) Scannen mit dem Wellenstrahl; der Galvanometerspiegel 304 ist an einem Brennpunkt des Parabolspiegels 305 angeordnet und dreht sich um die y-Achse, so dass der Wellenstrahl 307 sich in einer x-z-Ebene bewegt und ein längs gerichtetes (spaltenweises) Scannen mit dem Wellenstrahl erreicht. Die Wellenstrahlen 308 und 309 entsprechen dem Scannvorgang des Galvanometerspiegels 304 bei zwei unterschiedlichen Drehwinkeln. Mittels einer Steuerung der Koordination der Galvanometerspiegel 303 und 304 wird ein schnelles punktweises Scannen mit dem Terahertzwellenstrahl erreicht, wobei schließlich eine Intensität des reflektierten Lichts jedes Pixels in einem zweidimensionalen Bereich des erfassten Objektes erhalten wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Lokalisierung und Identifizierung eines verdächtigen Bereichs in einem Terahertz-Bild. Wie in 4 veranschaulicht, wird ein Reflexionsbild 401 erhalten, nachdem die Vorrichtung 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Scann- und Bildgebungsvorgang für das erfasste Objekt durchführt, wobei drei verschiedene Bereiche 402, 303, 404 enthalten sind. Das Bild wird durch einen Computer weiter verarbeitet, die Bereiche werden entsprechend den charakteristischen Formeigenschaften und den charakteristischen Grauwerteigenschaften analysiert, der verdächtige Bereich 404 wird automatisch herausgesucht, d.h. der Bereich könnte einen versteckten Sprengstoff enthalten, anschließend wird ein bestimmter Punkt 405 in dem Bereich für eine nachfolgende Messung ausgewählt. Die dem Messpunkt entsprechenden Raumkoordinaten werden extrahiert, die Wellenstrahl-Scannvorrichtung wird eingestellt, um den Wellenstrahl-Lichtfleck, der auf das Objekt an dem Punkt auftrifft, auszurichten, und anschließend wird die Multiwellenlängen-Spektroskopiemessung durchgeführt.
Die Ausgangswellenlängen {λ₁, λ₂, ... λ_n} des Terahertz-Senders werden in den in 2 veranschaulichten Transmissionsfenstern eingestellt, ein Terahertz-Reflexionsvermögen eines interessierenden Punktes 405 entsprechend unterschiedlichen Wellenlängen wird gemessen, um Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten in dem verdächtigen Bereich zu erhalten. 5 zeigt ein Terahertz-Absorptionsspektrum 501 des RDX-Sprengstoffs und sieben typische Probepunkte 502-508, die für die Multiwellenlängen-Spektroskopie ausgewählt werden, wobei die Probepunkte 502-508 der Reihe nach 0,50, 0,66, 0,86, 1,02, 1,32, 1,50 und 1,99 THz entsprechen und sie (bis auf den ersten Punkt) in einer Mitte jedes Atmosphären-Transmissionsfensters angeordnet sind und charakteristische Eigenschaften des Hauptspektrums des RDX widerspiegeln können. Unter der Annahme, dass diese Frequenzen alle in einen abstimmbaren Bereich des Terahertz-Senders fallen, wird wiederum das diesen entsprechende Reflexionsvermögen gemessen, um einen eindimensionalen Vektor S=[r₁, r₂, ..., r₇] mit einer Länge von 7 zu erhalten, und der Vektor wird als ein Multiwellenlängen-Reflexionsspektrum des verdächtigen Bereiches angesehen. Ein spezielles Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens besteht darin, dass ein Reflexionsspiegel an dem erfassten Objekt platziert wird, eine Intensität des reflektierten Lichts, die einer bestimmten Wellenlänge entspricht, aufgezeichnet wird, diese als ein Referenzsignal A gekennzeichnet wird, und wenn ein verdächtiges Objekt erfasst wird, eine Intensität des reflektierten Lichts bei der gleichen Wellenlänge gemessen wird, diese als ein Objektsignal B gekennzeichnet wird, wodurch das Reflexionsvermögen des Objektes bei dieser Wellenlänge gegeben ist durch r=B/A. Da der Terahertz-Sender bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedliche Leistung ausgibt und die Atmosphäre die Terahertz-Strahlung in unterschiedlichem Maße abschwächt, entspricht die Operation der Berechnung des Reflexionsvermögens anhand des Referenzsignals einer Kalibrierung wegen des Einflusses der beiden Faktoren.
Anschließend wird gemäß dem gemessenen Spektrum S festgestellt, ob der verdächtige Bereich einen Sprengstoff enthält. Dies erfordert es, eine Datenbank aufzubauen, die verschiedene typische Sprengstoffspektren enthält. Somit werden zunächst standardgemäße Testproben von verschiedenen typischen Sprengstoffen erzeugt, anschließend werden ihre Multiwellenlängen-Reflexionsspektren durch Verfolgen der vorstehenden Schritte gemessen und insgesamt als eine Spektrumdatenbank gespeichert. Auf dieser Basis wird ein Multiwellenlängen-Spektrumidentifikationsmodell errichtet, indem ein Mustererkennungsverfahren, wie beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk oder eine Support-Vektor-Maschine verwendet wird, wobei die Klasse des tatsächlich gemessenen Spektrums S unter Verwendung des Modells beurteilt wird, um so festzustellen, ob der zu analysierende Bereich einen Sprengstoff enthält. So weit wird die Fernlokalisierung und -identifikation des verborgenen Sprengstoffs auf eine Weise bewerkstelligt, in der die Dauerstrich-Terahertz-Bildgebung und die Multiwellenlängen-Spektroskopie miteinander kombiniert werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Detektion eines verborgenen Sprengstoffs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 veranschaulicht, stellt ein Benutzer zunächst im Schritt S10 eine Betriebswellenlänge des Terahertz-Senders 102 anhand der Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 115 ein und setzt eine Bildgebungswellenlänge λ₀ fest.
Anschließend wird im Schritt S11 die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 105 durch die Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 114 gesteuert, die Lichtfleckposition des auf das erfasste Objekt 108 einfallenden Terahertzwellenstrahls 107 wird eingestellt, und indessen liest das Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 113 die Intensität der reflektierten Terahertz-Welle an jedem Messpunkt aus, um das Terahertz-Reflexionsbild 401 des erfassten Objektes 108 zu akquirieren.
Danach wird im Schritt S12 jeder Bereich in dem Bild 401 analysiert. Da sich die Sprengstoffe von einem herkömmlichen Objekt hinsichtlich ihrer Formen und ihrer Reflexionsintensitäten für die Terahertz-Wellen unterscheiden könnten, kann der Unterschied in den Graustufenwerten des Bildes erscheinen. Ob der verdächtige Bereich 404, in dem der Sprengstoff versteckt sein könnte, existiert, wird entsprechend den Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von den Terahertz-Reflexionsbildern erhalten werden, und basierend auf der Erfahrung beurteilt.
Falls das Ergebnis der Beurteilung lautet, dass der verdächtige Bereich nicht existiert, wird anschließend unmittelbar zum Schritt S15 übergegangen, um das Bild des erfassten Objektes für den Benutzer anzuzeigen und ein Sprengstoffdetektionsergebnis zu präsentieren.
Falls das Ergebnis der Beurteilung lautet, dass der verdächtige Bereich existiert, wird die Betriebswellenlänge des Terahertz-Senders 102 im Schritt S13 weiter angepasst, die Spektroskopiewellenlänge {λ₁, λ₂, ..., λ_n} wird festgesetzt, die Lichtintensität an dem bestimmten Punkt 405 in dem verdächtigen Bereich 404 wird bei diesen Wellenlängen gemessen, um die Multiwellenlängen-Spektrumdaten zu erhalten. Anschließend wird im Schritt S14 die Art der Substanz in dem verdächtigen Bereich entsprechend dem gemessenen Multiwellenlängenspektrum identifiziert, um zu beurteilen, ob der Sprengstoff enthalten ist. Schließlich wird im Schritt S15 das erhaltene Terahertz-Reflexionsbild auf dem Bildschirm angezeigt und das Sprengstoffdetektionsergebnis präsentiert.
7 zeigt eine schematische Ansicht, die den Aufbau einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ferndetektion eines Sprengstoffs unter Verwendung von Terahertz-Bildgebung und Multiwellenlängen-Spektroskopie veranschaulicht. Wie in 7 veranschaulicht, weist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf: einen Terahertz-Sender 702 und seine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 714, einen Terahertz-Detektor 710; eine Wellenstrahl-Scannvorrichtung 712 und ihre Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 713; ein Terahertz-Fokussierelement 704, einen Strahlteiler 708; und ein computerbasiertes Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 711. Der Terahertz-Sender 702 und seine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit 714 bilden eine Terahertz-Sendevorrichtung, die konfiguriert ist, um eine bezüglich der Wellenlänge abstimmbare Dauerstrich-Terahertz-Strahlung zur Bestrahlung des erfassten Objektes und zur Wechselwirkung mit dem Objekt zu erzeugen. Die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 712 und ihre Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 713 bilden ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem. Das Terahertz-Fokussierelement 704 und der Strahlteiler 708 bilden eine Terahertz-Optikanordnung zur Übertragung ausgestrahlter Wellenstrahlen.
Der Terahertz-Sender 702 erzeugt eine Dauerstrich-Terahertz-Strahlung 703, die, nachdem sie den Strahlteiler 708 passiert, das Fokussierelement 704 (das eine Linse oder ein Parabolspiegel sein kann) passiert, um einen Terahertzwellenstrahl 705 an einem entfernten speziellen Messpunkt auf einem erfassten Objekt 706 konvergieren zu lassen; ein Wellenstrahl 707, der von dem Objekt 706 reflektiert wird, läuft entlang eines Ausbreitungspfads des einfallenden Wellenstrahls zurück und wird anschließend durch den Strahlteiler 708 reflektiert, wobei die Intensität eines durch den Strahlteiler reflektierten Wellenstrahls 709 durch den Detektor 710 gemessen wird; das Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 711 liest die Intensität der reflektierten Terahertz-Welle an dem speziellen Messpunkt aus. Die Wellenstrahl-Scannvorrichtung 712 trägt ein System 701, das eine Terahertz-Quelle, einen Detektor und eine Optikanordnung aufweist, um eine Translationsbewegung auszuführen, wobei die Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 713 ein Signal zu der Wellenstrahl-Scannvorrichtung 712 sendet, die räumliche Position des Systems 701 angepasst wird, um eine Lichtfleckposition des auf das erfasste Objekt 706 einfallenden Wellenstrahls 705 zu verändern; das Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem 711 koordiniert die Wellenstrahl-Scannsteuereinheit 713 und den Terahertz-Detektor 710, um die Intensität der reflektierten Terahertz-Welle an unterschiedlichen Positionen in einem zu scannenden Bereich des erfassten Objektes 706 zu akquirieren und schließlich ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes 706 aufzubauen.
Die Multiwellenlängen-Spektroskopieprozedur und das Flussdiagramm zur Sprengstoffdetektion gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mit der ersten Ausführungsform im Wesentlichen identisch und werden hier nicht mehr in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Die vorstehende Beschreibung betrifft lediglich Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung. Fachleute auf dem Gebiet sollten verstehen, dass beliebige Modifikationen oder teilweise Ersetzungen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, alle in den durch die beigefügten Ansprüche definierten Umfang der vorliegenden Erfindung fallen sollten. Obwohl sich z.B. die vorstehenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Ferndetektion eines Sprengstoffs befassen, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung auch auf Verfahren und Vorrichtungen zur Ferndetektion einer entzündbaren, explosiven und hochkorrosiven gefährlichen Substanz anwendbar ist. Außerdem ist die vorliegende Erfindung auch auf Verfahren und Vorrichtungen zur Nahdetektion verschiedener gefährlicher Substanzen, die Sprengstoffe enthalten, vollständig anwendbar. Somit sollte der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung dem durch den beigefügten Anspruchssatz definierten Umfang unterworfen werden.

Claims

Verfahren zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz, das die folgenden Schritte aufweist: Durchführen einer Terahertz-Bildgebung für ein erfasstes Objekt zum Erstellen eines Terahertz-Reflexionsbildes; Beurteilen, ob ein verdächtiger Bereich, der eine verborgene gefährliche Substanz enthalten könnte, in einem Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes vorhanden ist, das durch die Terahertz-Bildgebung erhalten wird, auf der Basis von Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von dem Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden; Suchen und Lokalisieren des verdächtigen Bereiches; anschließend Durchführen einer Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung mit bezüglich der Wellenlänge abstimmbarer Dauerstrich-Terahertz-Strahlung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte; anschließend Durchführen einer Analyse und Verarbeitung für die Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten von interessierenden Messpunkten in dem verdächtigen Bereich; und Feststellen, ob die gefährliche Substanz in dem verdächtigen Bereich enthalten ist, entsprechend den Ergebnissen der Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung; Präsentieren eines Ergebnisses der Identifikation einer gefährlichen Substanz; und Ausgeben des Terahertz-Bildes des erfassten Objektes und der Ergebnisse der Detektion einer gefährlichen Substanz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Durchführens einer Terahertz-Bildgebung für das erfasste Objekt aufweist: Einstellen eines Terahertz-Senders (102, 702), damit er bei einer Bildgebungswellenlänge arbeitet; Kollimieren und Fokussieren der Terahertz-Strahlung, die von dem Terahertz-Sender (102, 702) ausgegeben wird, und Ausgeben der Terahertz-Strahlung zu dem erfassten Objekt; Erfassen der von dem erfassten Objekt zurück reflektierten Terahertz-Strahlung durch einen Terahertz-Detektor, um Informationen über einen Pixelpunkt des erfassten Objektes zu erhalten; und Ermöglichen, dass ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, durch ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713), um so ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes zu akquirieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Beurteilens, ob ein verdächtiger Bereich, der eine gefährliche Substanz enthalten könnte, in dem Scannbild vorhanden ist, auf der Basis der Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von dem Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden, durch ein Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem (113, 711) durchgeführt wird, wobei der verdächtige Bereich indessen genau lokalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Durchführens einer Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, ferner aufweist: Auswählen eines bestimmten interessierenden Punktes in dem verdächtigen Bereich, Durchführen der Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung für den interessierenden Punkt, Errichten eines Terahertz-Multiwellenlängen-Reflexionsspektrum-Identifikationsmodells und Verwenden eines Mustererkennungsverfahrens um festzustellen, ob die gefährliche Substanz in dem verdächtigen Bereich vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Einstellens eines Terahertz-Senders (102, 701), damit er bei einer Bildgebungswellenlänge arbeitet, ferner aufweist: a) Auswählen eines Frequenzfensters mit guter Transmittanz gemäß Transmissionseigenschaften der Terahertz-Strahlung in der Atmosphäre und Bestimmen eines Betriebswellenlängenbereiches einer Terahertz-Strahlungsquelle; b) umfassendes Analysieren einer Sendeleistung der Terahertz-Strahlungsquelle und eines Einflusses der Wellenlänge auf das Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebung und eine räumliche Auflösung, wobei indessen der im Schritt a) definierte Wellenlängenbereich berücksichtigt wird, um eine optimale Bildgebungswellenlänge zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713) eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) und eine Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) aufweist, wobei der Schritt des Ermöglichens, dass ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, durch das Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713) ferner aufweist: Ermöglichen, dass die Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) ein Signal zu der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) sendet, und Einstellen eines Wellenstrahl-Scannmoduls in der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712), um eine Lichtfleckposition des Terahertzwellenstrahls auf dem erfassten Objekt zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Wellenstrahl-Scannmodul ein Galvanometerspiegel ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713) eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) und eine Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) aufweist, wobei der Schritt des Ermöglichens, dass ein Terahertzwellenstrahl jedes Pixel in einem Sichtfeld scannt, durch das Wellenstrahl-Scannsteuersystem ferner aufweist, dass: die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) ein System, das den Terahertz-Sender (102, 702), den Terahertz-Detektor (112, 710) und eine Terahertz-Optikanordnung (104, 106, 110, 302-305; 704, 708) aufweist, trägt, um eine Translationsbewegung auszuführen, wobei der Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) ermöglicht wird, ein Signal zu der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) zu senden und die räumliche Position der Anordnung einzustellen, um eine Lichtfleckposition des auf das erfasste Objekt einfallenden Terahertzwellenstrahls zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Durchführens einer Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, ferner ein wahlweises Anpassen der Strahlungswellenlänge des Terahertz-Senders (102, 702) durch eine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit (115, 714) aufweist, um dem Terahertz-Sender (102, 702) zu ermöglichen, bei einer für die Multiwellenlängen-Spektroskopie erforderlichen Wellenlänge zu arbeiten.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Detektion einer verborgenen gefährlichen Substanz, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702), die konfiguriert ist, um eine bezüglich der Wellenlänge abstimmbare Dauerstrich-Terahertz-Strahlung zur Bestrahlung des erfassten Objektes und zur Wechselwirkung mit dem Objekt zu erzeugen; einen Terahertz-Detektor (112, 710), der konfiguriert ist, um eine von dem erfassten Objekt zurückreflektierte Terahertz-Strahlung zu empfangen; eine Terahertz-Optikanordnung (104, 106, 110, 302-305; 704, 708), die konfiguriert ist, um den durch die Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702) erzeugten Wellenstrahl zu kollimieren und diesen auf das erfasste Objekt zu fokussieren, wobei indessen der Terahertzwellenstrahl erfasst wird, der von dem erfassten Objekt zu dem Terahertz-Detektor (112, 710) zurückreflektiert wird; ein Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713), das konfiguriert ist, um die räumliche Position des auf das erfasste Objekt einfallenden Terahertzwellenstrahls einzustellen; und ein Datenakquisitions- und -verarbeitungssystem (113, 711), das mit der Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702), dem Terahertz-Detektor (112, 710) und dem Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713) verbunden und konfiguriert ist, um die Koordination der Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702), des Terahertz-Detektors (112, 710) und des Wellenstrahl-Scannsteuersystems (105, 114; 712, 713) in der Vorrichtung zu steuern, ein Terahertz-Reflexionsbild des erfassten Objektes aufzubauen, auf der Basis der Formeigenschaften und Graustufenwerteeigenschaften, die von dem Terahertz-Reflexionsbild erhalten werden, zu beurteilen, ob ein verdächtiger Bereich, der eine gefährliche Substanz enthalten könnte, in dem Terahertz-Reflexionsbild vorhanden ist, den verdächtigen Bereich zu suchen und zu lokalisieren, anschließend eine Terahertz-Multiwellenlängen-Spektroskopie und -Messung an dem verdächtigen Bereich, der die gefährliche Substanz enthalten könnte, durchzuführen, anschließend eine Analyse und Verarbeitung für die Multiwellenlängen-Reflexionsspektrumdaten von interessierenden Messpunkten in dem verdächtigen Bereich durchzuführen und ein Ergebnis der Identifikation einer gefährlichen Substanz zu präsentieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Terahertz-Sendevorrichtung einen Terahertz-Sender (102, 702) und eine Wellenlängenabstimm-Steuereinheit (115, 714) aufweist, wobei die Wellenlängenabstimm-Steuereinheit (115, 714) mit dem Terahertz-Sender (102, 702) verbunden ist, um eine Strahlungswellenlänge des Terahertz-Senders (102, 702) wahlweise einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Terahertz-Sender (102, 702) ein Gunn-Oszillator und ein Frequenzmultiplizierer, ein Rückwärtswellenrohr, ein Parameter-Oszillator oder ein Quantenkaskadenlaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Terahertz-Detektor (112, 710) eine Schottky-Diode, ein Supraleiter-Isolator-Supraleiter-Tunnelkontakt-Frequenzmischer oder ein Bolometer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Wellenstrahl-Scannsteuersystem (105, 114; 712, 713) eine Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) und eine Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) aufweist, wobei die Terahertzwellenstrahl-Scannsteuereinheit (114, 713) mit der Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) verbunden ist, wobei die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) ein Wellenstrahl-Scannmodul aufweist und verwendet wird, um das Wellenstrahl-Scannmodul in Echtzeit einzustellen und zu überwachen, um eine Einstellung und ein Lesen der Wellenstrahl-Raumpositionsinformationen zu vervollständigen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Wellenstrahl-Scannmodul ein Galvanometerspiegel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Terahertzwellenstrahl-Scannvorrichtung (105, 712) ein mechanischer translatorischer Tisch ist, der ein System trägt, das die Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702), den Terahertz-Detektor (112, 710) und die Terahertz-Optikanordnung (104, 106, 110, 302-305; 704, 708) aufweist, und einen zweidimensionalen Scannvorgang des erfassten Objektes Punkt für Punkt durchführt, um ein Bild des erfassten Objektes zu erhalten.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 10-16, wobei die Terahertz-Optikanordnung (104, 106, 110, 302-305; 704, 708) einen Strahlteiler (110, 708), der für eine Kollimation des durch die Terahertz-Sendevorrichtung (102, 702) erzeugten Wellenstrahls und ein Erfassen des von dem erfassten Objekt zu dem Terahertz-Detektor (112, 710) zurückreflektierten Terahertzwellenstrahls verantwortlich ist, einen Planspiegel (303, 304) und einen Parabolspiegel (104, 106; 302, 305) oder einen elliptischen Spiegel oder eine Linse (704) zur Fokussierung des Terahertzwellenstrahls auf das erfasste Objekt aufweist.