Compressed Sensing für Terahertz Körperscanner

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Heinz-Wilhelm Hübers; Professorin Dr.-Ing. Xiaoxiang Zhu
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273378044

In den vergangenen 20 Jahren hat sich der Terahertz (THz)-Spektralbereich von einer einst als THz-Lücke bezeichneten Region des elektromagnetischen Spektrums zu einem sehr vielversprechenden Bereich für zahlreiche Anwendungen entwickelt. Eine der bekanntesten und wichtigsten Anwendungen ist in der zivilen Sicherheit, wo Körperscanner, die auf THz-Strahlung basieren ein sehr aktives Forschungsfeld sind. Für diese Anwendung ist Echtzeit-Bildgebung mit Video-Rate bei gleichzeitig hochqualitativen Bildern unverzichtbar. Es gibt jedoch keine großformatigen und hochempfindlichen Detektorarrays für THz-Strahlung. Aus diesem Grund basieren THz-Körperscanner auf einzelnen oder wenigen Detektoren in Kombination mit schnellem mechanischem Scannen. Erste wissenschaftliche Untersuchengen zeigen, dass THz-Bilder in der Fourier- oder Wavelet-Domäne sparse sind. Die Kombination von Compressed Sensing (CS) mit THz-Körperscannern eröffnet daher die Möglichkeit, die Zahl der für ein Bild notwendigen Messungen und somit die Bildgebungszeit deutlich zu reduzieren, da die Bildgebungszeit proportional zur Zahl der Messungen ist. Daher ist CS ein sehr vielversprechender Ansatz für die THz-Bildgebung. Das Ziel dieses Projektes ist, Messverfahren und CS Rekonstruktionsalgorithmen für THz-Körperscanner mit dem Ziel zu entwickeln, deren Bildqualität und Bildaufnahmezeit zu verbessern. Die Algorithmen werden für einen phasenempfindlichen, passiv arbeitenden THz-Körperscanner und für einen Radar-basierten THz-Körperscanner entwickelt. Beide haben nur ein Detektorelement, sind also sogenannte Single-Pixel-Cameras, die Personen in einem Abstand von 5 m abbilden können. Die Besonderheiten des THz-Spektralbereichs werden beim CS berücksichtigt und in die Modelle eingearbeitet. Dazu gehören z. B. Mehrweg-Strahlausbreitung, Beugungseffekte, Speckle und andere Kohärenzeffekte. Die Modellierung dieser Phänomene ist zum Teil extrem komplex weswegen diverse Aspekte nur vereinfacht implementiert werden können. Dadurch können unter Umständen auch größere Restfehler dieser Effekte in der Sensing Matrix verbleiben. Unter all den zu lösenden Problemen ist dieses das bedeutendste. Der gesamte Bildgebungsprozess wird für beide Scanner durch ein entsprechendes Sensormodell beschrieben. Das Projekt ist ein gemeinsames Forschungsvorhaben von Teams an der TU Berlin und der TU München. Das Team der TU Berlin bringt seine Expertise in den Bereichen der THz-Bildgebung und der Anwendung von CS auf THz-Bilder ein, und das Team der TU München bringt seine Expertise im Bereich der Anwendung von CS auf Radarbilder ein.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1798: Compressed Sensing in der Informationsverarbeitung