Produktion

3D-Radarbilder zur durchleuchtenden Inspektion von Objekten

Durchleuchtend gescannter Koffer als Gesamtvisualisierung (Summe aller Schichten) mit enthaltener Handfeuerwaffe (separate Tiefenschicht).
© Fraunhofer FHR

Durchleuchtend gescannter Koffer als Gesamtvisualisierung (Summe aller Schichten) mit enthaltener Handfeuerwaffe (separate Tiefenschicht).

Durchleuchtung einer Windradblatt-Gurtverklebung bei 80 GHz visualisiert in unterschiedlichen Eindringtiefen.
© Fraunhofer FHR

Durchleuchtung einer Windradblatt-Gurtverklebung bei 80 GHz visualisiert in unterschiedlichen Eindringtiefen.

© Fraunhofer FHR

Durchleuchtung einer Windradblatt-Gurtverklebung bei 80 GHz visualisiert in unterschiedlichen Eindringtiefen.

Basierend auf seiner integrierten Radarsensorik hat das Fraunhofer FHR Technologie und Algorithmen zur dreidimensionalen Abbildung mittels Milli­meterwellen-Scan entwickelt. Diese Technologie  Objekten in beeindruckender Qualität.

Das Fraunhofer FHR hat sich mit der Entwicklung hochinte­grierter Radar-Module auf Basis von Silizium-Germanium (SiGe) den Einstieg in kosteneffiziente und kompakte Systeme für Industrie- und Sicherheitsapplikationen erschlossen. Gepaart mit den effektiven Abbildungsalgorithmen des Instituts entstehen so sehr leistungsfähige Bildgebungssysteme. Neben einem flexiblen Robotikmodul entstand ein komplettes Labormesssystem. Damit lassen sich nicht nur Gepäckstücke nach illegalen Inhalten durchsuchen, sondern auch Material- und Fehleranalysen für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen betreiben.

Hohe Auflösung durch hohe Frequenz und große Scanfläche

Genau wie bei Kamerasystemen hängt die Auflösung von Radarbildern maßgeblich von der Größe des Objektivs ab. Dieses entsteht bei Radarabbildungen durch eine Zusammenschaltung vieler Antennenelemente über eine Fläche. Die Millimeterwellentechnologie des Fraunhofer FHR erlaubt hierbei mittlerweile Abbildungen bis 300 GHz. Damit sind Bildauflösungen unterhalb eines Millimeters möglich. Innerhalb dichter Materialien kann dies sogar deutlich übertroffen werden. Allerdings ist dazu eine äußerst hohe Anzahl an Messungen notwendig, was bei großen Flächen eine Herausforderung darstellt: Soll eine Fläche von einem Quadratmeter mit einem Millimeter Abstand gescannt werden, ergeben sich eine Million Antennenpositionen. Dies ist mit konventionellen Panels praktisch nicht umsetzbar. Besteht die Möglichkeit Messobjekte einige Minuten zu scannen, bietet die serielle Messung der Einzelpositionen eine realisierbare Alternative.

Scan erlaubt Abbildungen mit geringem technologischen Aufwand

Daher verwenden die Forscher ein Synthetisches Apertur Radar (SAR). Anstatt viele Antennen gleichzeitig einzusetzen, bewegen sie die Antenne über die Apertur. Anschließend werden alle Einzelmessung zu einem Gesamtbild zusammengefügt.
Die in Zusammenarbeit mit der Ruhr-Universität entwickelten hochintegrierten Radarmodule bei 80 GHz haben sich dabei als Sensoren von hoher Performanz erwiesen. Das installierte Scansystem ermöglicht nahezu beliebige Scanbereiche bis hin zu einem Meter Kantenlänge. Aber auch abseits des damit erschlossenen Frequenzbandes können durch die Verwendung von Netzwerkanalysatoren oder integrierter Sensoren bei 30, 60, 120 oder 240 GHz Bilder erzeugt werden.

Gepäckscan zur Detektion versteckter Gegenstände

Die Forscher haben die 80 GHz-Scantechnologie bereits erfolgreich zur Durchleuchtung von Gepäck eingesetzt. Eine komplette 3D-Rekonstruktion des Innern gibt nicht nur Auskunft über die Form enthaltener Objekte, sondern kann auch Informationen über deren Lage im Raum liefern. Dies kann in dieser Form mit klassischen Röntgenscannern nicht gewährleistet werden. Das Scanresultat kann außerdem Schicht für Schicht durchgesehen oder auch dreidimensional visualisiert werden.

Abbildung 1 zeigt das Ergebnis für einen 70 cm breiten Handkoffer. Der Koffer wird in der Summation über alle Schichten sehr deutlich erkennbar. Vor allem ist die starke Reflexion der Außenhülle gut zu erkennen. Entscheidend ist jedoch eine im Innern befindliche Handfeuerwaffe, die mit hoher Detailtreue erkannt werden kann. Noch deutlicher wird dies bei der isolierten Betrachtung einer Schicht im Innern des Koffers. Die Tiefenauflösung des Radars von bis zu 5 mm blendet die Reflexionen der Kofferhülle effektiv aus.

Materialscan und Fehlersuche bei Faserverbundstoffen

Für die Detektion von Produktionsfehlern oder Ermüdungserscheinungen bei der industriellen Qualitätssicherung spielt die durchleuchtende Abbildung ebenfalls eine entscheidende Rolle. Im Rahmen des vom Land Bremen geförderten Projekts »DIARO« untersuchten Wissenschaftler vom Fraunhofer FHR mit dieser Scantechnologie Elemente von Windradblättern auf Fehlstellen. Ziel war es, Einschlüsse, Ondulationen oder Risse im Material zerstörungsfrei detektieren zu können. Abbildung 2 verdeutlicht die Möglichkeit der schichtweisen Untersuchung der Probe. Die starke Reflexion der Oberfläche dominiert zunächst das Bild. 3 mm weiter innerhalb der Probe kommt die Faserstruktur des Glasfaserverbundstoffs bereits sehr gut zur Geltung. Ein zu Testzwecken künstlich eingebrachter Fremdkörper erscheint in circa 6 mm Tiefe. Weiter im Innern ist deutlich die Verklebung der zwei verwendeten Verbundstoffplatten zu erkennen. Der Verlauf des Klebermaterials ist somit berührungslos messbar. Nach 15 mm ist wiederum die Rückseite der beiden verklebten Platten als starke Reflexion sichtbar. In dem dichten Material ist eine Tiefenauflösung von 2 mm erreichbar, was sehr genaue Tests ermöglicht.

Erweiterungspotential zu preisgünstigen Mehrkanalsystemen

Hauptnachteil des Scanverfahrens ist die vergleichsweise lange Messzeit. Bei Messbereichen mit weniger als 25 cm Ausdehnung dauert ein Scan derzeit weniger als 7 Minuten. Integriert man mehrere Messkanäle in einem Modul, ist eine deutliche Beschleunigung zu erwarten. Ziel der Entwicklung ist es auch, größere Flächen in wenigen Minuten abbilden zu können. Gemeinsam mit seinen Kooperationspartnern kann das Fraunhofer FHR die Integration dieser Technologie in Produktionsstraßen realisieren. Damit können sie diese sehr effektive Art der Abbildung für zahlreiche Anwendungen erschließen.