THz linear array scanner in application to the real-time imaging and convolutional neural network recognition

• Опубліковано в: : Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics
• Дата: 2021
• Автори: Golenkov, A.G., Shevchik-Shekera, A.V., Kovbasa, M.Yu., Lysiuk, I.O., Vuichyk, M.V., Korinets, S.V., Bunchuk, S.G., Dukhnin, S.E., Reva, V.P., Sizov, F.F.
• Формат: Стаття
• Мова: Англійська
• Опубліковано: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2021
• Теми: Optoelectronics and optoelectronic devices
• Онлайн доступ: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/216092
• Назва журналу: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Цитувати: THz linear array scanner in application to the real-time imaging and convolutional neural network recognition / A.G. Golenkov, A.V. Shevchik-Shekera, M.Yu. Kovbasa, I.O. Lysiuk, M.V. Vuichyk, S.V. Korinets, S.G. Bunchuk, S.E. Dukhnin, V.P. Reva, F.F. Sizov // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2021. — Т. 24, № 1. — С. 90-99. — Бібліогр.: 38 назв. — англ.

Room temperature linear arrays (up to 160 detectors in an array) from silicon metaloxide-semiconductor field-effect transistors (Si-MOSFETs) have been designed for subTHz (radiation frequency 140 GHz), close to real-time direct detection operation scanner to be used for detection and recognition of hidden objects. For this scanner, the optical system with aspherical lenses has been designed and manufactured. To estimate the quality of the optical system and its resolution, the system's modulation transfer function was applied. The scanner can perform real-time imaging with a spatial resolution better than 5 mm at the radiation frequency 140 GHz and contrast 0.5 for the moving object speed up to 200 mm/s and the depth of field 20 mm. The average dynamic range of a real-time imaging system with a 160-detector linear array is close to 35 dB, when the sources with the output radiation power of 23 mW (IMPATT diodes) are used (scan speed 200 mm/s). For the system with a 32-detector array, the dynamic range was about 48 dB, and for the single-detector system with raster scanning, 80 dB with a lock-in amplifier. However, in the latter case, for obtaining the image with the sizes 20×40 mm and a step of 1 mm, an average scanning time close to 15 min is needed. A convolutional neural network was exploited for automatic detection and recognition of hidden items. Лінійчаті приймачі випромінювання (кількість приймачів до 160) на основі кремнієвих металоксид-напівпровідникових польових транзисторів (Si-МОН), що працюють при кімнатній температурі, були розроблені для прямого детектування суб-терагерцового (на частоті 140 ГГц) випромінювання в реальному масштабі часу і застосовані в сканері для виявлення та розпізнавання прихованих об’єктів. Для сканера було розроблено та виготовлено оптичну систему з асферичними лінзами. Для оцінки якості оптичної системи та її роздільної здатності застосовано модуляційну передаточну функцію. Сканер може отримувати зображення в режимі реального часу з просторовою роздільною здатністю кращою за 5 мм на частоті 140 ГГц, контрастом ≈ 0,5, швидкістю сканування об’єкта до 200 мм/с та глибиною різкості ≈ 20 мм. Середній динамічний діапазон в режимі реального часу розробленої системи зору у випадку лінійчастого 160-елементного приймача складав ≈ 35 дБ при використанні джерела (на основі IMPATT-діодів) з потужністю випромінювання ≈ 23 мВт. Для системи, що базується на лінійці з 32 приймачів, динамічний діапазон становив близько 48 дБ, а для системи на основі одноелементного приймача, синхронного детектора та растрового сканування — ≈ 80 дБ. Однак в останньому випадку для отримання зображення з розмірами 20×40 мм і кроком сканування 1 мм необхідний середній час ≈ 15 хв. Згорткову нейронну мережу було застосовано для автоматичного виявлення та розпізнавання прихованих елементів.