Mögliches Einsatzszenario zum Feldlagerschutz des TAARDIS-Systems, einem abbildenden radiometrischen Scanner.

Verteidigung

TIPPSI - Infrastruktur schützen mit Millimeterwellen

Simulierte Bildrekonstruktion des TAARDIS-Systems bei einer 4 x 3 - Arraykonfiguration.
© Foto Fraunhofer FHR

Simulierte Bildrekonstruktion des TAARDIS-Systems bei einer 4 x 3 - Arraykonfiguration.

Das Ziel des EDA-Projekts TIPPSI besteht darin, die Zukunft abbildender Millimeterwellensysteme in der Simulation wie auch in der Praxis aufzuzeigen. Mit Radiometrie, Radar und MIMO werden die aussichtsreichsten Ansätze in einem Projekt vergleichbar gemacht.

Weitbereichsüberwachung

Für die Sicherung der zivilen Luftfahrt in Europa werden seit 2010 unter anderem radar-basierte Personenscanner eingesetzt. Diese aktiven Systeme sind in der Lage, verdächtige Objekte unter der Kleidung zu detektieren und dem Sicherungspersonal darzustellen. Vergleichbare Systeme werden seit Neuestem auch zum Schutz kritischer Infrastruktur der Bundeswehr eingesetzt, allerdings auch unter den Bedingungen eines Nahbereichsscanners: die zu scannenden Personen müssen einzeln und bis auf wenige Zentimeter an den Sensor herantreten. Somit lassen sich auch kleinste verdächtige Objekte auffinden, auch wenn der Personendurchsatz relativ gering ausfällt.

Keine Lösung gibt es bisher für das Szenario einer erweiterten Umfeldüberwachung. Die zu detektierenden Gegenstände verdecken dabei einen nennenswerten Anteil des Körpers, dafür muss die Erkennung über weitaus größere Distanzen erfolgen. 

EDA-Projekt TIPPSI

Aktive wie passive Millimeterwellensysteme können für eine Detektion über größere Distanzen eingesetzt werden, jedoch ist eine deutliche Leistungssteigerung bei den Systemen und bei der Signalverarbeitung notwendig. Unter der Projektleitung des Fraunhofer IAF haben sich vier Nationen innerhalb des EDA-Projekts TIPPSI (THz Imaging Phenomenology Platforms for Stand-off IED Detection) zusammengeschlossen, um sich dieser Herausforderung anzunehmen.

Dabei werden drei mögliche Ansätze berücksichtigt: ein passiver Scanner, ein aktiver Scanner sowie ein aktiver MIMO-Scanner. Die aktiven Scanner bei 240 GHz entstehen am schwedischen FOI in Linköping, basierend auf Chip-Designs der Universität Chalmers. Die Spiegeloptik wird bei den Partnern an der TU Delft entwickelt, während vom niederländischen TNO die MIMO-Signalverarbeitung beigesteuert wird.

Das Herzstück des passiven Scanners wird vom Fraunhofer IAF in Freiburg erforscht: Ein mehrkanaliger 300 GHz-Empfänger sorgt für gesteigerte räumliche Auflösung. Das Fraunhofer FHR entwirft die Imager-Optik und die Signalverarbeitung, um daraus ein vollständiges System herzustellen.

Simulation und Materialuntersuchung

Ein ganz wesentlicher Anteil des TIPPSI-Projekts besteht darin, eine Simulationsumgebung zu schaffen, mit der sich die Detektionsleistung aller Systeme vorhersagen lässt. Dazu wird am schwedischen FOI eine Simulationsfähigkeit hergestellt, bei der animierte dreidimensionale Szenarien zu Grunde gelegt werden. Neben Modellen von Menschen und Objekten werden auch mehrschichtige Kleidungsmodelle sowie deren Dynamik berücksichtigt. Diese Modelle werden kombiniert mit eigens nach den Anforderungen erstellten Materialmessungen, wie sie an der Wojskowa Akademia Techniczna (WAT) in Warschau erstellt werden. In einem Postprocessing werden die Eigenschaften der real herzustellenden Systeme wie Rauschen und Antennendiagramme mit einbezogen. Auf diese Weise können die Simulationen mit den Messungen abgeglichen und die Grenzen des technisch Machbaren aufgezeigt werden.

TAARDIS - Schneller 300 GHz-Scanner mit hoher Auflösung

Um den hohen Ansprüchen an die Abbildungsleistung zu genügen, wird am Fraunhofer FHR das Scanner-System TAARDIS auf der Basis eines konfokalen Gregorianischen Spiegelsystems entworfen – ein Ansatz, der sich bereits in der Satellitentechnik bewährt hat. Die Optik erlaubt es, in der Fokalebene entweder mehrere Empfänger parallel arbeiten zu lassen, oder das Array für einen elektronischen Strahlschwenk zu verschalten. Im vorliegenden Fall wird mit allen passiven Empfängern gleichzeitig abgetastet. Dabei reicht es aus, eine einzige mechanische Komponente zu rotieren, um einen Bildausschnitt mit hoher Bildwiederholrate zu vermessen. Für eine optimale räumliche Auflösung ist es notwendig, eine möglichst große Apertur herzustellen. Da das System von Anfang an als Teil eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs konzipiert ist, wird derzeit mit Durchmessern von mehr als 60 cm für den Primärspiegel experimentiert. Für das Jahr 2015 ist avisiert, den Scanner mitsamt Front-End und Signalerfassung lauffähig aufzubauen. Für das Projektende 2016 sind gemeinsame Messungen und der Abgleich mit den Simulationen angesetzt.