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NTS-Poster

MARIE TRR 196

Stand: 07.08.2020
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg
  • Stand der Technik zu THz Imaging und THz Ellipsometrie vor Beginn des MARIE Transregio Sonderforschungsbereiches TRR196

  • Das generelle und wichtigste Thema des DFG geförderten Projekts M05 ist Super Resolution (SR) Imaging und der zugehörigen Ellipsometrie kleinster Objekte vom Ultra-Wide Band (UWB) bis hin zum THz-Frequenzbereich.
    Stand der Technik vor Beginn von MARIE und damit vor Beginn von M05 beinhaltete die folgenden Aspekte.
    • Erste begrenzte SR Methoden wurden für das THz Imaging und die THz Ellipsometrie eingesetzt.
    • Die meisten SR Methoden wurden nur für UWB Imaging Anwendungen mit glatten Oberflächen eingesetzt.
    • Hochbreitbandige THz Ortsauflösung war im allgemeinen nur für eine frequenzabhängige Fokussierung von Sende- und/oder Empfangsantennen genutzt was über Linsen oder Spiegel erreicht wurde und damit kleine Oberflächenelemente erfassen konnte.
    • Für perfekte Strahlfokussierung ist die a-priori Kenntnis der 3D Position eines Oberflächenelementes erforderlich was für Imaging und Ellipsometrie aber kaum Sinn macht.
    Zusätzlich waren die folgenden zentralen Fragen offene Punkte zu Beginn von M05:
    • Der Einfluss von Rauheit und nicht-planaren Oberflächen auf die Ellipsometrie im THz Bereich (was in WP3 behandelt wird).
    • Die Qualität der Bildgebung (in Form der Ortsauflösung) und die Echtzeitfähigkeit der Algorithmen (was in WP1 und WP2 behandelt wird)
    • Der Vorteil der Fusion von UWB- oder Sub-THz Messergebnissen mit THz-Daten (was im Wesentlichen in WP6 behandelt wird)

  • THz-Bildgebung und THz-Material-Characterisierung

    Die Arbeit an M05 wurde über 7 Arbeitspakete WP1 bis WP7 organisiert. WP1 und WP2 fokussierten sich auf SR Methoden. Eine Radar-Bildgebung kann über geeignete THz Radar Transceiver oder in anderer Form mittels THz Kameras erreicht werden. Die entsprechenden Algorithmen arbeiten sehr unterschiedlich und werden daher in getrennten Arbeitspaketen in Form von WP1 (SR Methods for THz Camera Imaging) und WP2 (SR Methods for THz transceivers) behandelt.

    WP1: SR Methoden für THz Kamera-Bildgebung
    Nach einer Literaturrecherche wurden mehrere interessante Single und - Multiframe SR Methoden evaluiert. Drei Methoden, wie die “Projection onto Convex Sets” (POCS) Methode, wurden ausgewählt und auf der Basis von künstlichen 2D Radar Bildern näher untersucht. Für THz Kameras wie auch THz Radare sind ein schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis und die Bewegungsunschärfe wichtige Kenngrößen. Danach wurden verschiedene Methoden aus der Optik (wie das Wiener Filter und die Lucy-Richardson Entfaltung) untersucht. Eine andere Untersuchung befasste sich mit der Kombination verschiedener Methoden bzw. Maßnahmen. Hier zeigte die Kombination von Wiener Filter und dem POCS Algorithmus die besten Resultate. Für kleine Metallobjekte und bei Nutzung eines Single-Chip Radars von OMNIRADAR mit einer 6 GHz Bandbreite konnte eine Auflösung um 3 mm erzielt werden was deutlich besser ist als die theoretische radiale Auflösung von 25 mm. In späteren Tests mit dem Frequency Domain Spectroscopy System (FDS) und dem Time Domain Spectroscopy System (TDS) mit SR Methoden konnte in Folge einer Bandbreite von mehr als 1300 GHz eine sub-mm Auflösung erzielt werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass kleine metallische Einschlüsse und deren Kontur in Buchenholz klar identifiziert werden können was mit bloßem Auge kaum erkennbar war [F, G].

    WP2: SR Methoden für THz Transceiver
    Bei der Radar-Bildgebung werden im Wesentlichen “fast-time domain” Methoden (die die Radargramdaten verarbeiten) und “slow-time domain” Methoden (die die finalen Bilder verbessern) unterschieden. In WP2 wurden zunächst drei “fast-time domain” Methoden untersucht. Eine Wellenfront-Extraktions- basierte Technik arbeitet mit Fuzzylogik und bestimmt die Schätzung des Einfallswinkels (arbeitet also mit der Angle of Arrival-Technik (AOA)). Die zweite ist die wohlbekannte Kirchhoff-Migration, die eine Überlagerung von allen zu den Radarreflexionen passenden zirkularen, elliptischen oder ellipsoiden Wellenfronten bestimmt. Die dritte Technik nennt sich „Wave-number Extraction“ und basiert im Wesentlichen auf der Fast Fourier Transformation.
    Bei der „slow time domain” Bildgebung sind die Probleme ganz ähnlich zu den SR Bildgebungsmethoden, die in WP1 untersucht wurden. Daher wurde hier wiederum der POCS-Algorithmus erfolgreich angewendet. Darüber hinaus wurden mittels einfacher sowie eher komplexerer realer Objekte einige spezielle Aspekte zu 2D und 3D Konturextraktions-Methoden untersucht [C].

    WP3: SR Ellipsometrie rauer und nicht-planarer Oberflächen im THz Frequenzbereich
    Die grundlegenden Untersuchungen in WP3 behandelten den Einfluss rauer Oberflächen auf polarimetrische Reflexionen an dielektrischen und metallischen Strukturen. Die Aktivitäten beinhalteten die 3D Erfassung solcher Strukturen bei „indoor“ Oberflächen, wie z.B. Wänden. Für weitere detaillierte Untersuchungen produzierte ein 3D Drucker skalierte Kopien von Wandteilen.
    Für weitere Untersuchungen der 3D Drucke wurden polarimetrische Messungen im THz Bereich durchgeführt. Diese zusammen mit M01 und C06 durchgeführten Untersuchungen hatten das Ziel die frequenz- und winkelabhängigen Streueigenschaften zu erfassen.
    Bis jetzt ist die Ellipsometrie im Wesentlichen auf plane und glatte Oberflächen beschränkt. Um diese Situation deutlich zu verbessern müssen Bildgebung und Ellipsometrie zusammengeführt werden. Basierend auf der bekannten Position der Antennen wird die Radarsignal-Umlaufzeit (“round-trip-time”) aus dem Radargram bestimmt sowie mit einem vereinfachten Raytracing-Ansatz der Einfallswinkel mit dem Schnittpunkt der Strahlen bestimmt. Die ersten Tests zeigten, dass auch für kleine Objekte eine präzise Materialcharakterisierung möglich ist. Darüber hinaus wurde verifiziert, dass die Depolarisierung ein guter Indikator für die Oberflächenrauheit ist. Die demnächst anstehenden Arbeiten zu WP3 betreffen die Ellipsometrie nicht-planarer Oberflächen und damit auch den Aspekt von gleichzeitiger Bildgebung und Materialcharakterisierung (siehe das folgende WP4). Ein entsprechendes Konzept wurde ausgearbeitet und auf Machbarkeit in ersten Tests mit einem Keramikstab und einem aus 2 Materialkomponenten bestehenden Objekt erfolgreich überprüft [J].

    WP4: Gleichzeitige SR Bildgebung und SR Materialcharakterisierung
    In WP4 wurden mehrere Konzepte für die Zusammenführung von Bildgebung und Ellipsometrie ausgearbeitet. Zu Beginn wurden die Methoden auf eine neuartige Hardware der Fa. HFSE zugeschnitten. Das HFSE System war mit einer speziellen Antennenanordnung vorgesehen. Diese bestand aus einer monostatischen Antenne (für eine nicht-polarimetrische Bildgebung) sowie einem Paar bi-statischer Antennen (für die Ellipsometrie). Dabei ist die monostatische Antenne zwischen dem Paar bi-statischer Antennen angebracht. Infolge der polarimetrischen Messungen zur Ellipsometrie werden insgesamt 6 Antennen benötigt (2 Tx und 4 Rx Antennen). Aus Hardware-Gründen musste das zunächst anvisierte HFSE System durch ein System von Menlo ersetzt werden. Das MENLO System was das HFSE System ersetzte ist mit 4 Antennen ausgestattet und damit in der Lage simultan die für die Polarimetrie erforderlichen Messungen durchzuführen. Das wesentliche Konzept bestand darin, die reflektierten Strahlen anhand ihrer Einfallswinkel zu selektieren. Die Bildgebund verarbeitet alle Strahlengänge und für die Ellipsometrie werden die Strahlen mit ca. 45° Einfallswinkel selektiert. Infolge des niedrigeren Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) bei THz Spektroskopie-Systemen wird eine Mittelung der Messdaten erforderlich. Daher besteht das neue Konzept darin, eine kurze Sequenz von Messungen und Migrationen durchzuführen denen eine Sequenz von Ellipsometrie-Messungen und zugehörige Auswertungen folgt.

    WP5: THz SR Objekt-Charakterisierung mit speziellen Sensoren
    Anstelle von WP5 wurden viele noch weit spannendere Aktivitäten in einem neuen zusätzlichen WP6 erfolgreich durchgeführt – wie folgt.

    WP6: SR Bildgebung und SR Ellipsometrie mittels eines linsenlosen THz Spektrometers
    Wegen des fehlenden HFSE Systems wurden zwei THz Spektrometer als mögliche Alternative in M05 untersucht. Dies betraf ein FDS System von TOPTICA was für das S01 Projekt beschafft wurde und ein TDS System der gleichen Firma welches für 4 Wochen ausgeliehen wurde. Für beide Systeme konnte dank vorheriger sehr erfolgreicher Untersuchungen mit UWB- und Sub-THz Radare eine bi-statische Radarfunktionalität erzielt werden. Dieses neuartige Prinzip, ein SR THz Radar ohne fokussierende Elemente zu realisieren (und dabei sogar mit divergierenden Strahlen zu arbeiten) hatte den großen Vorteil eine mehr als 1 THz große Bandbreite zu bieten - eigentlich nur begrenzt durch ein niedriges SNR Verhältnis jenseits von 2,5 THz.
    Auf diese Weise konnte eine sub-mm Ortsauflösung in Form von 400 µm Radialauflösung für einzelne unabhängige Radarmessungen erzielt werden, allerdings mit 140 µm für eine gemittelte „-6dB Breite“ wenn SR Imaging-Algorithmen auf den gesamten Satz von Radar Messungen angewendet wurden. Hierzu wurden die ursprünglichen UWB Algorithmen mit 9 GHz Bandbreite und 9 GHz Mittenfrequenz geeignet angepasst werden [E, H, I].
    Im Februar 2020 wurde das THz Spektroskopie-System von MENLO als Ersatz für das HFSE System geliefert und erfolgreich installiert. Es folgten Untersuchungen mit weiter modifizierten Versionen der SR Bildgebungs- Algorithmen, die in WP1 und WP2 und den Ellipsometrie Algorithmen die in WP3 und WP4 untersucht wurden. Die ersten Tests mit einer 50-fachen Mittelung der Radarsignale und Nachbearbeitung (in Form von „De-Noising“ und Entfaltung) zeigten eine weitere deutliche Verbesserung in Form einer ca. 32 µm mittleren Ortsauflösung für das nachbearbeitete Radarbild (und 78 µm für das unbearbeitete Bild) siehe Fig. 1.


    Fig. 1: a) Unbearbeitetes Bild und b) Vergrößertes unbearbeitetes Bild der linken Seite des Testobjekts.
              c) SR Bild von a), d) SR Bild von b).

    Vor kurzem wurden die Eigenschaften dieses neuartigen linsenlosen Radarsystems mit dem High Power TDS Spektroskopie-System aus dem Projekt C10 und einem Vector Network Analyzer (VNA)- basierendem System von Projekt M01 verglichen. Die Untersuchungen basierten auf einer 16-fachen Mittelung und zeigten die Vor- und Nachteile der 3 Systeme – auch im Hinblick auf die Radar Bildgebung kleiner Objekte und bei "long range" Anwendungen.
    Wegen des starken Lasers von Projekt C10 war einerseits das SNR besser als das des MENLO Systems und zeigte so auch interne Strukturen des Testobjekts. Andererseits konnte beim MENLO-System wegen der problemlos möglichen viel größeren Mittelung eine größere Bandbreite und damit auch eine bessere Ortsauflösung erreicht werden. Noch weitergehende Verbesserungen lassen sich mit dem MENLO-System über geeignete Nachbearbeitungsmethoden erreichen, wie in Fig. 1 gezeigt. Das Sub-THz VNA-System zeigt ebenfalls ein sehr großes SNR was für eine Messung bei einem kleinen Abstand bis zu 2 m und kleinen Objekten wie einem Bleistift gezeigt werden konnte.

    Das wesentliche Problem des VNA-Systems ist die vergleichsweise kleine Bandbreite von meist deutlich unter 250 GHz was zu Oszillationen in den Radarsignalen führt. Dies begrenzt bei Reflexionen oder Streuungen an einem Objekt die Ortsauflösung wie in Fig. 2a) bis 2c) gezeigt erheblich. Im Grunde wird damit die Form des Objekts komplett unkenntlich. Eine neuartige am Fachgebiet NTS entwickelte Methode ist in der Lage die Bandbreite "quasi virtuell" bis in THz Bereich hinein zu vergrößern. Die zugehörige Methode ersetzt dabei die Oszillationen in den Radarsignalen mit Signalen, die einer deutlich höheren Auflösung entsprechen und keine Oszillationen mehr enthalten, siehe Fig. 2d) to 2f), [J]. Die bei der Bildgebung dabei erhaltenen Ergebnisse sind damit kaum noch von der realen Bandbreite der VNA-Signale abhängig.


    Fig. 2: a) - c) Unbearbeitete VNA Bilder bei unterschiedlicher Bandbreite B. d) – f) SR Bilder zu a) – c) .

    WP7: Zusätzliche Aktivitäten
    • Permittivität und effektive Schichtdicken Schätzung von dünnsten dielektrischen Materialien wie Folien und Geldscheinen [A]
    • THz Objekterkennung [B]
    • Robuste Ellipsometrie mittels Preprocessing von THz Continuous Wave Spektroskopie-Daten [D]
    • THz Wellenausbreitung und Bildgebung für den Brandschutz

    Peer-reviewed publications and books

    [A] B. Friederich, S. Tonder, T. Schultze, I. Willms, “A Novel Estimation Technique of the Permittivity and the Effective Thickness of Dielectric Materials for Wideband Radar Systems”, European Radar Conference 2017, Nürnberg, Germany, October 2017
    [B] D. Damyanov, T. Schultze, I. Willms, „Object Recognition Radar System for Partially Reconstructed Target Image“, European Radar Conference 2017, Nürnberg, Germany, October, 2017
    [C] D. Damyanov, T. Schultze and I. Willms, "Super-Resolution FMCW Radar System at 60 GHz for 3D Measurements," 2018 First International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS)
    [D] B. Friederich, K. Kolpatzeck, X. Liu, T. Schultze, J.C. Balzer, A. Czylwik, I. Willms, “Preprocessing for Robust Estimation of Material Parameters by Continuous Wave THz Spectroscopy”,2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
    [E] D. Damyanov, B. Friederich, M. Yahyapour, N. Vieweg, A. Deninger, K. Kolpatzeck, X. Liu, A. Czylwik, T. Schultze, I. Willms, J. C. Balzer, „High Resolution Lens-less Terahertz Imaging and Ranging“, IEEE Access, 7, 147704-147712 (2019)
    [F] B. Friederich, D. Damyanov, J. Kohl, K. Kolpatzeck, X. Liu, T. Schultze, A. Czylwik, J.C. Balzer, I. Willms, “High Resolution Image Processing Technique for the Detection of Metal Entrapments based on a Terahertz Camera”, 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
    [G] D. Damyanov, B. Friederich, J. Kohl, X. Liu, K. Kolpatzeck, T. Schultze, A. Czylwik, J.C. Balzer, I. Willms, “Super-Resolution Restoration of Low-Resolution THz Camera Images”,2019 Second International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS)
    [H] D. Damyanov, B. Friederich, K. Kolpatzeck, X. Liu, M. Yahyapour, N. Vieweg, A. Deninger, T. Schultze, I. Willms, J. C. Balzer, „High Resolution Lens-less THz Imaging with an Ultrafast TDS System“, 2019 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz)
    [I] D. Damyanov, B. Friederich, K. Kolpatzeck, X. Liu, A. Czylwik, T. Schultze, I. Willms, J. Balzer, „A novel approach for lens-less high-resolution terahertz imaging“, SPIE Photonics Europe 2020
    [J] B. Friederich, D. Damyanov, T. Schultze, J. C. Balzer, “Reference Free Material Parameter Extraction of Small Objects based on Terahertz Ellipsometry,” 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2020 (accepted)
    [K] B. Friederich, T. Schultze, I. Willms, ”Investigations of the impact of extinguishing water on sub-THz material characteristics”, 16th International Conference on Automatic Fire Detection, AUBE '17 / Suppression, Detection and Signaling Research and Applications Conference, SUPDET 2017, Hyattsville, MD, USA, September 12-14, 2017
    [L] K. Kolpatzeck, X. Liu, S. Nellen, B. Friederich, D. Damyanov, L. Häring, T. Schultze, B. Globisch, J.C. Balzer, A.. Czylwik, „Wideband Radiation Pattern Simulation and Measurement of a Photodiode-Based Continuous-Wave THz Emitter“, 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2019
    [M] X. Liu, K. Kolpatzeck, B. Friederich, D. Damyanov, L. Häring, T. Schultze, J.C. Balzer, A. Czylwik, „Spectroscopic Characterization of 3D Printed THz Rectangular Polymer Waveguides“, 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz, 2019
    [N] K. Kolpatzeck, X. Liu, B. Friederich, D. Damyanov, L. Häring, T. Schultze, J.C. Balzer, A. Czylwik, „Wideband Radiation Pattern Measurement of Terahertz Antenna-Integrated Photodiodes by Frequency-Domain Spectroscopy“,Second International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2019
    [O] X. Liu, K. Kolpatzeck, A. Öztürk, B. Friederich, D. Damyanov, L. Häring, T. Schultze, J.C. Balzer, A. Czylwik, „Wideband Characterization of 3D Printed THz Rectangular Dielectric Waveguides by THz Frequency-Domain Spectroscopy“, Second International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2019
    [P] A. Ghwaji, F. Sheikh, T. Schultze, I. Willms, T. Kaiser, “Preliminary Analysis of Candle Flame Impact on Terahertz Electromagnetic Wave Propagation”, Second International Workshop on Mobile Terahertz Systems (IWMTS), 2019
    [Q] D. Damyanov, B. Friederich, K. Kolpatzeck, X. Liu, A. Czylwik, T. Schultze, I. Willms, J. C. Balzer, „A novel approach for lensless high-resolution terahertz imaging“, SPIE Photonics Europe, 2020
    [R] D. Damyanov, A. Batra, B. Friederich, K. Kolpatzeck, X. Liu, T. Kaiser, T. Schultze, J. C. Balzer „High Resolution VNA THz Imaging for Large Distances“, 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2020
    [S] S. Mansourzadeh, D. Damyanov, T. Vogel1, M. Hoffmann, J. C. Balzer and C. J. Saraceno, „High Dynamic Range Lensless THz Imaging Based on High-Average-Power THz-TDS“, 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2020
    [T] R. Liu, T. Kubiczek, P. Lehmann, D. Damyanov, J. C. Balzer, „Material Classification Based On THz Reflection Mode Measurements Enabled By An Artificial Neural Network“, 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2020

    Submitted
    [U] D. Damyanov, A. Batra, B. Friederich, T. Kaiser, T. Schultze, J. C. Balzer, „High-Resolution Long-Range THz Imaging for Tunable Continuous-wave Systems“ IEEE Access
    [V] B. Friederich, D. Damyanov, J. C. Balzer, T. Schultze, „Reference-free Material Characterisationof Objects Based on Terahertz Ellipsometry“, IEEE Access

    To be submitted
    [W] A. Batra, D. Damyanov, T. Schultze, J. C. Balzer, T. Kaiser, “Long Range THz Inverse Circular SAR Imaging” IEEE Journal