SAMMI - Stand Alone MilliMeter wave Imager

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

Terahertz SAMMI
© Fraunhofer FHR

Das Experimentalsystem SAMMI (Stand Alone MilliMeter wave Imager)

Terahertz SAMMI
© Fraunhofer FHR

CAD-Modell des Innenaufbaus von SAMMI

Der Name SAMMI steht für Stand Alone MilliMeter wave Imager und, wie der Name schon ausdrückt, ist seine vorrangige Aufgabe das Durchleuchten und Abbilden von Proben, die im Millimeterwellenbereich (hier 78 GHz) transparent erscheinen. Dort bestimmen die dielektrischen Materialeigenschaften das Transmissionverhalten der elektromagnetischen Wellen durch einen massiven Körper und 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 kleinste Fremdkörper und Inhomogenitäten können in einem für den Menschen intransparenten 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. Das so entstandene System stellt dabei gleichzeitig einen gelungenen Know-how-Transfer der fertigungsintegrierten Qualitätskontrolle durch ortsaufgelöste Spektroskopie aus dem Labor heraus in eine anwendungsbezogene Umgebung dar.

Nun ist SAMMI offensichtlich keine Konstruktion, die ohne weiteres an ein Fertigungssystem montiert werden kann. Vielmehr repräsentiert er gegenwärtig einen Prototypen für ein innovatives marktfähiges Messverfahren und kann dabei als Stand-Alone-Variante nicht nur selbstständig in Briefen und kleinen Paketen Messer oder Sprengstoffe detektieren, auch findet er zum Beispiel unerwünschte Fremdkörper in Schokolade. SAMMI leistet so einen Beitrag:

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

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

Die Entwicklung von SAMMI belegt, dass ein fertigungsintegriertes Mess- und Prüfsystem auf Basis der Nutzung von Millimeterwellen machbar ist. Auch wenn er als Prototyp einen breiten und kommerziell interessanten Aufgabenbereich abdecken kann, wird er in der industriellen Anwendung fokussiert auf eine spezielle Aufgabe arbeiten.

Systembeschreibung

In einem Gehäuse, nicht größer als ein kompakter Laserdrucker, befinden sich zwischen zwei rotierenden Scheiben zwei Antennenelemente in Transmissionsanordnung. Nun kann die Probe, z. B. ein kleineres Paket mit unbekanntem Inhalt, zwischen den zwei Antennen hindurch gefahren werden. 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 etwa 10 dBm.

 

SAMMI Evolution

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.

Terahertz SAMMI
© Fraunhofer FHR

Verunreinigungen in einer Tafel Schokolade können durch die Verpackung entdeckt werden. (Die dargestellte Verunreinigung wurde vom FHR zu Versuchszwecken eingebracht)