Terahertz-Wellen können das Innere von Gegenständen und das, was hinter ihnen liegt, abbilden, und das mit weniger Schaden als Röntgenstrahlen. Dieser Teil erläutert die Grundlagen der Technik und ihre Einsatzbereiche in der Sicherheit.
Gastautor: Salih Ergün
| Teil 4
In diesem Teil betrachten wir die Terahertz-Technologie als Bildgebungstechnik und ihre Einsatzbereiche in der Terrorismusbekämpfung.
Was ist Terahertz-Bildgebung?
THz-Wellen lassen sich für Bildgebungsanwendungen und unschädliche Bildgebung nutzen. Wegen ihrer Nähe zum Infrarotbereich können optische Ansätze für Entwurf und Bau von THz-Bildgebungssystemen übernommen werden. So lassen sich etwa Linsen und Spiegel nutzen, um einen THz-Strahl zu fokussieren, zu lenken und zu parallelisieren. THz-Bildgebung hat im Sicherheitsbereich einen sehr wichtigen Platz erlangt. Da sie hinter und in Gegenstände blicken kann und eine gute Auflösung bietet, spielt sie bei Sicherheitsanwendungen zur Personenkontrolle eine wichtige Rolle (die an Flughäfen verbreiteten Körperscanner arbeiten allerdings meist im benachbarten Millimeterwellenbereich).
Im Vergleich zu Röntgengeräten schadet sie dem menschlichen Körper und dem Bedienpersonal weniger. Terahertz-Bildgebung wird als aktives (ein System mit einer Quelle, die Terahertz-Wellen aussenden kann) und als passives (ein System, das ohne externe Quelle die natürliche Terahertz-Strahlung des Ziels und seiner Umgebung misst) Bildgebungssystem umgesetzt.
Passive Anwendungen beruhen meist auf der Emission des menschlichen Körpers, die überwiegend im Infrarot liegt, aber auch in den THz-Bereich fällt. Da niedrige THz-Frequenzen (0,1 THz bzw. 100 GHz) Stoff und andere dielektrische Hüllen durchdringen, lassen sich unter Kleidung oder Abdeckungen versteckte verdächtige oder potenziell gefährliche Materialien erkennen. Aktive THz-Bildgebungssysteme können auch so ausgelegt werden, dass sie das Ziel beleuchten und die Reflexion messen.
Eine Reflexion, deren Struktur sich von den Reflexionen des Körpers und seiner Bekleidung unterscheidet, kann auf einen verdächtigen Gegenstand hinweisen.[i] Bei aktiven wie passiven Anwendungen wird die Zielerkennung von atmosphärischen Bedingungen, dem Zustand des Ziels, seiner Bedeckung und seiner Umgebung beeinflusst[ii].
Entscheidend bei der Entwicklung von THz-Bildgebungssystemen ist der anwendungsgerechte Aufbau. Da THz-Wellenlängen vom Submillimeter- bis in den Millimeterbereich reichen, sind sie viel länger als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Nachdem in Bildgebungssystemen die Positionen von THz-Empfänger und -Sender für die gewünschte Auflösung und das Sichtfeld festgelegt sind, werden die Detektoren je nach punktförmiger oder zweidimensionaler Erfassung einzeln oder als Array eingesetzt.
So kann eine Probe etwa abgetastet werden, indem der Empfänger bewegt und dabei der THz-Strahl auf die Probe fokussiert wird. Mit einem Detektor-Array statt eines Punktdetektors oder mit einem Array von Quellen und einem einzigen Detektor lassen sich Bilder zweidimensional und gleichzeitig erfassen. THz-Bildgebung wurde in Kombination mit tomografischen Verfahren eingesetzt und lieferte bei der Unterscheidung von Materialien wirksame Ergebnisse[iii]. Diese Verfahren entwickeln sich weiter, und in jüngerer Zeit wurden auch Methoden entwickelt, die Bilder in Videogeschwindigkeit liefern.
Anwendung der THz-Bildgebung in der Terrorismusbekämpfung
Eine Bedrohung im Voraus erkennen und identifizieren zu können, ist entscheidend, um Maßnahmen zu ihrer Verhinderung und Ausschaltung zu treffen. Daher kommt es zuerst darauf an, die Bedrohung richtig zu erkennen. Vor allem durch Erkennung und Identifizierung auf größere Entfernung lässt sich die Wirkung eines Terroranschlags minimieren. Genau hier kommt die THz-Technologie ins Spiel. Ihre Fähigkeit, Waffen, Sprengstoffe und ähnliche Materialien, die Terroristen am Körper oder anderswo verstecken, ohne Schaden für den Menschen zu erkennen, wird ganz neue technische Anwendungen im Sicherheitsbereich mit sich bringen. Mit ihren besonderen Eigenschaften unterscheidet sich THz-Strahlung von anderen Bildgebungsverfahren, ist aber eine Technologie, die sich noch in Entwicklung befindet.
Mit THz-Bildgebung könnte es auch möglich werden, Selbstmordattentäter auf große und kurze Entfernung zu erkennen, Waffensysteme zu entdecken und kritische Pakete und Briefe chemisch und biologisch zu prüfen[iv].
Seit 1979 wurden in der Bildgebung erhebliche Fortschritte erzielt. Dank THz-Bildgebung entwickelt sich die Erkennung von am Körper getragenen oder versteckten Materialien, insbesondere illegalen, rasch weiter[v].
Die Erkennung von Landminen mit THz-Spektroskopie wäre ein bedeutender Fortschritt. Wie viele Landminen weltweit noch im Boden liegen, ist nicht verlässlich bekannt; früher genannte Schätzungen von rund 100 Millionen gelten heute als überholt. Man geht davon aus, dass die THz-Technologie im Vergleich zu anderen Bildgebungs- und Detektionssystemen vor allem Antipersonenminen besser von kleinen Gesteinsbrocken unterscheiden und erkennen kann. Eine Aufnahme[vi], die als Machbarkeitsnachweis für die Abbildung einer nichtmetallischen Landmine unter trockenem Boden dienen kann, wurde mit THz-Technologie erstellt[vii].
Aus technischer Sicht ist die THz-Bildgebung ein sich entwickelndes, junges und sehr kostspieliges Feld. Man geht davon aus, dass THz-Spektroskopie und -Bildgebung neue und umfassendere Lösungen zur Verbesserung bestehender Aufklärungs- und Überwachungsanwendungen in der Terrorismusbekämpfung bieten können. Diese lassen sich wie folgt zusammenfassen:
| Große Entfernung | Kurze Entfernung |
| Erkennung von Terroristen mit Waffen und Sprengstoff, Erkennung von Selbstmordattentätern, Erkennung von Minen, Erkennung improvisierter Sprengvorrichtungen, Abbildung und Sicherung von Beweisen. | Schutz der Zugänge kritischer Einrichtungen, Dokumenten- und Paketsicherheit, Verhinderung des Schmuggels illegaler Waren, Abwehr von Selbstmordattentätern, Erkennung von Personen mit gefährlichen Stoffen, Erkennung chemischer und biologischer Stoffe. |
Man geht davon aus, dass Arbeiten zur sogenannten THz-Lücke künftig bessere Ergebnisse bei aktiver und passiver THz-Bildgebung ermöglichen. Die derzeitige THz-Bildgebung bietet eine geeignete und einsetzbare Fähigkeit für Sicherheitsanwendungen.
(Fortsetzung folgt)
[i] Zomega Terahertz Corporation, The Terahertz Band, (2012) The Terahertz E-book, Technical Overview, S.44
[ii] Cummins H., (2006) Challenges to Terahertz Counter-Terrorism and Security-Related Applications, NATO Science for Peace and Security Series, Springer, Spiez, S.283
[iii] Truscott W., (2006). Systems Requirements for A Multi-Channel Terahertz Contraband Scanner, Terahertz Frequency Detection and Identification of Materials and Objects, S.188
[iv] Cummins H., (2006) Challenges to Terahertz Counter-Terrorism and Security-Related Applications, NATO Science for Peace and Security Series, Springer, Spiez, S.283
[v] Appleby R., Coward P.R., Sinclair G. N., (2006) Terahertz Detection of Illegal Objects, S.225-228
[vi] Fitch M. J., Schauki D., Kelly C. A., Osiander, R. (2004) Terahertz Imaging and Spectroscopy for Landmine Detection Proc. SPIE 5354, S.45
[vii] Federici, J.F., Schulkin B., Huang F., Gary D., Barat R., Oliveira F., Zimdars D., (2005) THz Imaging and Sensing for Security Applications: Explosives, Weapons and Drugs, Semiconductor Science and Technology, Bd. 20, S. S266–S280
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