Terahertz Stand-Off Detektion: Simulation und Experiment

Terahertz Spektroskopie ist eine gut etablierte Messtechnik unter Laborbedingungen geworden. Unter realen Bedingungen wird die stand-off Detektion durch eine große Zahl von Umwelteinflüssen sowie den Probeneigenschaften wie Luftfeuchte, Kleidung, Oberflächenrauhigkeit und Einfallswinkel der Detektion eingeschränkt. Daher werden Experimente und Simulationen durchgeführt, um die Grenzen der THz stand-off Detektion unter Realbedingungen zu erproben. 

In einer THz-Reflexionsmessung zeigen Dielektrika wie Kleidung wie auch die Oberflächeneigenschaften der Probe typische breitbandige Strukturen, verursacht durch Absorption, Interferenz oder Streuung. Um die chemische Signatur möglicher Gefahrenstoffe zu bekommen, untersuchen wir die Art dieser Effekte und leiten Charakteristiken ab, die uns helfen, zwischen Signaturen und Fälschungen zu unterscheiden.

Die Absorption durch Wasserdampf beeinflusst das THz-Spektrum auf eine andere Art und Weise. Seine Absorptionslinien sind sehr stark. Sind die Eigenschaften der Atmosphäre dem Anwender des THz-Aufbaus bekannt, können diese Effekte arithmetisch herausgerechnet werden, solange das Signal nicht unter das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) fällt. Wir haben mehrere aus der Meteorologie bekannten Modelle, die den Infrarot- und Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken, untersucht. 

Unterschiedliche Streckenlängen und Luftfeuchten wurden gemessen und simuliert, um die realisierbaren Grenzen der stand-off Detektion zu untersuchen. Die nachfolgende Abbildung zeigt simulierte Transmissionspektren mit variierter Streckenlängen (1m, 2m, 5m, 10m) bei konstanter Luftfeuchte (30%), Umgebungstemperatur (20°C) und konstantem Luftdruck (1013 hPa).

Für die Variationen der Luftfeuchte (1%, 30%, 60%, 90%) wurde die Streckenlänge bei 1m, die Lufttemperatur bei 24 °C und der Luftdruck bei 1013 hPa konstant gehalten.

Die Abbildung zeigt ein typisches gemessenes Transmissionsspektrum und das dazugehörige simulierte Transmissionsspektrum. Die THz-Wegstrecke betrug 1 m bei 28,8% Luftfeuchte. Dies zeigt die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.

Terahertz (THz), Messung, Simulation, Transsmissionsspektrum, Luftfeuchte, Absorptionslinien, Fernerkundung, Sicherheitstechnik

[1] "Terahertz time-domain spectroscopy of atmosphere with different humidity", T. Yuan, H. Liu, J. Xu, F. Al-Douseri, Y. Hu, and X.-C. Zhang, SPIE, Orlando, FL, USA, Vol. 5070, No.1, pp. 28-37 (2003)

[2] "Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor", M. van Exter, Ch. Fattinger, and D. Grischkowsky, Opt. Lett., Vol. 14, No.20, pp. 1128-1130 (1989)

[3] "Simulation and Experiment of Terahertz Stand-Off Detection", S. Wohnsiedler, M. Theuer, M. Herrmann, S. Islam, J. Jonuscheit, R. Beigang, and F. Hase, Proc. SPIE, Vol. 7215, 72150H (2009)
Zusammenfassung