Qualitätskontrolle mit bildgebendem Radar

Durch die Verwendung der Hochfrequenztechnik kann eine Vielzahl von Stoffen durchleuchtet werden, die im optischen Bereich nicht transparent sind. Gleichzeitig werden selbst geringste Unterschiede im Material sichtbar, die im Röntgenbereich verborgen bleiben. Das Experimentalsystem Stand Alone MilliMeter Wave Imager SAMMI demonstriert diese Eigenschaften des bildgebenden Radars und ermöglicht die berührungslose Detektion von Materialunterschieden in nicht-metallischen Volumenkörpern.

Mit dem System können Proben, die im Millimeterwellenbereich (hier 78 GHz) transparent erscheinen, durchleuchtet und abgebildet werden. Im Millimeterwellenbereich bestimmen die dielektrischen Materialeigenschaften das Transmissionsverhalten der elektromagnetischen Wellen durch einen massiven Körper. Zonen verschieden hoher Absorption oder Polarisierbarkeit werden im Durchleuchtungsbild differenziert dargestellt. Im Ergebnis zeigen so unterschiedliche Materialien oder Materialzusammensetzungen in einem Körper auch einen unterscheidbaren Kontrast und selbst Fremdkörper und Inhomogenitäten unter einem Millimeter können in einem optisch nicht transparenten Medium noch detektiert werden.

Auf Basis der Nutzung dieser physikalischen Effekte entwickelte sich die primäre Aufgabe, ein Verfahren zur Messung von Qualitätsabweichungen an schnell laufenden Produktionsstraßen zu generieren.

Bildgebendes Radar SAMMI
© Fraunhofer FHR

Bildgebendes Radar SAMMI

SAMMI steht derzeit als Prototyp zur Verfügung und kann dabei als Stand-Alone-Variante nicht nur selbstständig in Briefen und kleinen Paketen Messer oder Sprengstoffe detektieren, sondern findet zum Beispiel unerwünschte Fremdkörper in Schokolade. Das System leistet so einen Beitrag:

  • zum Schutz gefährdeter Personen und kritischer Infrastruktur
  • zur stichpunktartigen industriellen Qualitätssicherung
  • zur Materialanalyse im Labor

Die Intention hinter der minimalistischen Konstruktion von SAMMI war es, die üblicherweise relativ kostenintensive Elektronik und Mechanik auf ein Minimum zu reduzieren. Ziel ist ein System, das herkömmlichen Röntgendurchleuchtungsverfahren aufgrund eines guten Preis-Leistungsverhältnisses und der Verwendung nicht ionisierender Strahlung überlegen ist.

 

Systembeschreibung

In einem Gehäuse von der Größe eines Laserdruckers befinden sich zwischen zwei rotierenden Scheiben zwei Antennenelemente in Transmissionsanordnung. Die Probe, z. B. ein kleineres Paket mit unbekanntem Inhalt, wird zwischen den zwei Antennen hindurch gefahren. Die Amplituden und die Phasenlagen der transmittierten elektromagnetischen Welle werden während des Durchlaufens der Probe aufgezeichnet und in Echtzeit auf einem Display angezeigt. Zusätzlich werden Datenpakete über verschiedene zur Verfügung stehende Schnittstellen (USB 2.0 und LAN) an eine Auswerteeinheit gesendet. Auswerteeinheiten können dabei Überwachungssysteme in der industriellen Qualitätssicherung sein oder Alarmzentralen zur Anzeige von Bedrohungen. Zur Erzeugung der Hochfrequenz wird eine Lokal-Oszillatoren-Frequenz von 13 GHz über eine Vervielfacher- und Verstärker-Kette auf 78 GHz versechsfacht. Die Ausgangsleistung beträgt 10 mW.

Weiterentwicklung

In der folgenden Evolutionsstufe soll SAMMI die dielektrischen Eigenschaften von Stoffen automatisiert erkennen können und anhand dieser einen Rückschluss auf die chemische Zusammensetzung der Messproben ermöglichen. Diese Funktion erlaubt ebenfalls die Klassifizierung von Verunreinigungen z. B. in Lebensmitteln und die Erkennung und Identifikation von gefährlichen Substanzen und Substanzgemischen. Auf Basis einer Cluster-Algorithmik werden die dielektrischen Eigenschaften der Proben dahingehend auf (Un)Ähnlichkeiten untersucht, dass Fremdkörper eindeutig detektiert und angezeigt werden können.