Jahresbericht 2015 Zahlen und Fakten

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1 Jahresbericht 2015 Zahlen und Fakten Der hier vorliegende Bericht gibt einen Überblick über die Personal- und Haushaltssituation sowie eine Auflistung der wichtigsten Aktivitäten, Publikationen und Öffentlichkeitsarbeiten im Jahr Juni 2016 ZESS - Zentrum für Sensorsysteme Universität Siegen Paul-Bonatz-Str Siegen

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3 Inhaltsverzeichnis Vorwort Struktur und Zielsetzung Vorstand Wissenschaftlicher Beirat Mitarbeiter Internationale Promotionsprogramme 23 Recent Research Neuer Forschungsbereich im ZESS Laufende Projekte Zahlen und Fakten 2015 Publikationen und Aktivitäten Abschlüsse Promotionen Partner und Kooperationen 78 Impressum Kontakt/Anfahrt 84

4 Der Weg ist das Ziel. Wenn das Ziel fern ist, ist der Weg lang. Konfuzius Was ist gute Forschung ein politisch unkorrekter Zwischenruf Was ist Forschung für die Zukunft, was ist nachhaltig, was ist gute Forschung, wie bewertet man diese? Diese oder ähnliche Fragen stellen sich heute jeder Einrichtung, die sich Forschung ins Programm und in den Namen geschrieben hat, so auch dem Zentrum für Sensorsysteme als zentrale Forschungseinrichtung der Naturwissenschaftlich Technischen Fakultät der Universität Siegen. Als Start beginne ich mit wenigen, eher rhetorischen Fragen, beispielsweise: Wird gute Forschung dadurch schlecht, dass sie einen Dual Use Charakter aufweist und eine solche Eigenschaft dem nichtwissenschaftlichen Betrachter nicht eindeutig nachvollziehbar widerlegen kann? Ist Zucker dadurch schlecht, dass der übermäßige Verbrauch Diabetes fördert? Brauchen wir in diesem Sinne sogenannte Handreichungen, Leitfäden, Klauseln, die uns diese Fragen vorgefertigt beantworten oder die Gewissensentscheidungen abnehmen? Kann man gute Forschung, bzw. deren Anerkennung und Erfolge durch governance planen oder gar prädizieren? Sind Schlagworte oder Abstrakta hilfreich, die mangels inhaltlicher Präzision schnell zu Reizworten verkommen? Man fragt sich, gehört beispielsweise der Terminus Industrie 4.0 bereits dazu? Welche Menschen sind in Leitbildern oder Slogans, wie Forschung, die beim Menschen ankommt gemeint? Geht es hier um den Durchschnitt oder sind spezifische Zielgruppen gemeint und welche wären dies? Was kommt heute bei der jungen Bevölkerung gut an, außer noch smartere Smartphones mit noch mehr Apps, noch mehr sozialem Netzrauschen und integrierten Kameras mit noch höherer Pixelanzahl, aber gleich schlechter Optik? Was kommt bei der älter werdenden Bevölkerung lt. Werbung im öffentlich rechtlichen Vorabend-Fernsehprogramm gut an, außer medizinischen Produkten, die das Älterwerden trotz vorher unvernünftiger Lebensweise so angenehm machen sollen, als hätte es diese Lebensweise niemals gegeben? Sind dann Programme, die mit solchen Abstrakta oder Worthülsen umschrieben werden, geeignet als Incentive für gute oder noch bessere Wissenschaft? Woran misst sich dann aber gute Wissenschaft oder erfolgreiche Forschung, ist gute Forschung zwangsläufig erfolgreich oder gilt der Schluss eher in umgekehrter Richtung, ist finanzieller Erfolg hinreichend für gute Forschung? Forschungsqualität und technologische Relevanz Zweifelsohne stehen DFG finanzierte Vorhaben für wissenschaftliche Qualität. Immerhin unterziehen sich die Antragsteller einem von wissenschaftlichen Kriterien geleiteten Evaluationsverfahren und dies gleich zweimal, bei der Antragstellung und nach Abschluss des Vorhabens. Eine hohe Anzahl DFG geförderter erfolgreicher Projekte weist nicht nur auf eine hohe wissenschaftliche Substanz des Antragstellers oder seiner Ein-

5 richtung hin, sondern auch auf eine hohe Aktivität und schlussendlich auch auf die Bereitschaft eines Antragstellers, neue wissenschaftliche Problemstellungen zu adressieren und hinsichtlich der Lösung die eigenen oder die Arbeiten seiner Gruppe dem wissenschaftlichen Wettbewerb und der wissenschaftlichen Beurteilung zu unterziehen. Dies gilt auch und vielleicht sogar im besonderen Maße für ERC Vorhaben. Als Nebeneffekt solcher Forschungsvorhaben oder mit einer fast idealtypischen Korrelation steigen auch die Anzahl von Promotionsabschlüssen, Veröffentlichungen und Drittmitteln, allesamt praktische Indikatoren, die im akademischen Alltag gerne zur Leistungsbeurteilung und zur leistungsorientierten Mittelvergabe herangezogen werden. Um es klar zu sagen, dies ist gut so und in jedem Fall so viel besser, als jede andere Verteilung nach willkürlichen Kriterien, oder nach dem Gießkannen- oder einem allgemeinen Zufriedenheits- oder Wohlfühlprinzip. Gleiches ließe sich übrigens sinngemäß ableiten für BMBF-, EU-, von ähnlichen Institutionen, oder auch direkt von der Industrie geförderte Vorhaben: Hier geht es allerdings weniger in Richtung der Forschungsqualität, sondern in Richtung der technisch/technologischen Relevanz der wissenschaftlichen Arbeit. Und auch hier wieder ist es sinnvoll, solche Kriterien in die Qualitätsbeurteilung der universitären Arbeit einzubeziehen. Die Universität ist der Hort der Wissenschaft. Wissenschaftlichkeit ist die Grundlage - das Wesen - und sollte das Streben jeder Universität sein. Streben nach Wissenschaftlichkeit bedeutet indes nicht notwendigerweise das Streben nach politischer Anerkennung der Wissenschaftlichkeit. Unverzichtbar in der Praxis, aber ebenso problematisch im konkreten Fall. Qualität der Forschung Die wichtige Frage - kehren wir zur Ausgangsfrage zurück - ist nun die, ob man die so beurteilte Qualität der Forschung, die Wissenschaftlichkeit durch ein möglichst großes Format eines Vorhabens (etwa in Form von Sonderforschungsbereichen, Forschergruppen, etc.) noch steigern kann. Ist ein großformatiges DFG gefördertes Vorhaben mit einer Gesamtfördersumme in Millionenhöhe, welches sich dann aber wieder auf Einzelprojekte verteilt, wissenschaftlich besser, als die gleiche Anzahl von Einzelprojekten, gestellt als Einzelanträge im Normalverfahren? Die elementare bürgerliche Mathematik gibt eine klare Antwort: Sei n die Anzahl der Einzelvorhaben, x die mittlere Fördersumme eines Einzelprojekts, so gilt für die Gesamtsumme: y=n x=nx, und beide Varianten sind zahlenmäßig gleich teuer, ignoriert man die Tatsache, dass großformatige Vorhaben zusätzliche Zentralmittel zur Verfügung stellen. Betrachtet man allerdings die hochschulpolitische Bedeutung/Anerkennung solcher Vorhaben, ergibt sich ein völlig anderes Bild. Hier stoßen wir auf eine zutiefst menschliche (oder

6 politische) Schwäche, die sich bereits beim Lesen einer Zeitung offenbart, bei der die Größe einer Schlagzeile die Wichtigkeit des Inhalts suggeriert. Anders scheint der Wettstreit insbesondere kleiner Hochschulen um die höchste Anzahl von Sonderforschungsbereichen zunächst kaum erklärbar- wir buhlen um die Größe der Schlagzeilen und laufen Gefahr, dies mit den Inhalten zu verwechseln. Betrachtet man großformatige Vorhaben von der Ergebnisseite, findet man viele Studien mit eher kritischem Fazit, welche sich im Wesentlichen zu drei Punkten verdichten lässt: 1.) Während ein im Normalverfahren gefördertes Einzelvorhaben immer direkt in der wissenschaftlichen und administrativen Verantwortung des Antragstellers steht, der sich im Übrigen mit seinem Vorhaben identifiziert, bieten großformatige Vorhaben den einzelnen Projektbeteiligten deutlich mehr Möglichkeiten, sich in der Gruppe hinsichtlich des Gesamterfolges zu verstecken, wobei die Gruppe diesen Teileausfall nicht notwendigerweise kompensieren kann. 2.) Die Komplexität des Managements steigt überproportional mit der Anzahl der Einzelprojekte an und ohne effizientes Management steigt der Zeitaufwand für die notwendige Abstimmung der Einzelprojektleiter hinsichtlich des Gesamtziels - die Effizienz nimmt ab. 3.) Die notwendige Breite des Antragstellerkreises zwingt kleine Universitäten zu Kompromissen: Hat man auf der einen Seite zwar genügend hinreichend ausgewiesene Forscher mit allerdings disjunkter Forschungsausrichtung, erzwingt dies eine Verwässerung des thematischen Gesamtziels und in der Folge dann erhebliche Mängel einer gemeinsamen wissenschaftlichen Sprache. Behält man umgekehrt ein fokussiertes Thema, zwingt man die Teilnehmer umgekehrt, sich wissenschaftlich zu verbiegen und damit die Gebiete ihrer eigenen Expertise zu verlassen. Dies mag im Einzelfall gelingen, kann aber auch sehr schnell zu grenzwertigen Konsortien führen. Jeder hat sich auf das Ziel hin bewegt, aber keiner ist mehr exzellent. Und wiederum, dies ist kein Plädoyer gegen großformatige Forschungsvorhaben, und hier folge ich ganz klar dem Hauptargument der Befürworter: Natürlich zeigt die thematische Fokussierung eines großformatigen Vorhabens neben der wissenschaftlichen Tiefe und Qualität der Einzelvorhaben als auch durch die Anzahl thematisch gekoppelter Projekte zusätzlich die Breite guter Forschung und ist damit ein echtes Exzellenzmaß, aber damit rel. ungeeignet für kleinere Hochschulen. Allein die Struktur ihrer Fachbereiche und Fakultäten lässt zahlenmäßig kaum Redundanzen zu, die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Lehrstühle in ihrer Denomination und wissenschaftlichen Arbeit starke Überlappungen aufweisen, ist klein und wird asymptotisch kleiner. Tiefe ist möglich - Breite in Verbindung mit Tiefe dagegen schwierig. Können dann kleine Universitäten niemals exzellent werden? Die schnelle Antwort erscheint logisch, ist aber falsch. Es bedarf ganz einfach einer Korrektur der Exzellenz definition, die Exzellenz von kleinen Hochschulen ist die Summe der Einzelexzellenzen. Die Forschergruppe tritt an die Stelle des Sonderforschungsbereichs, der Paketantrag an die Stelle der Forschergruppe und zur Not die Anzahl der Einzelvorhaben an die Stelle des Paketantrags. Umgekehrt können kleine Dinge wachsen - durch Fokussierung und durch eine gezielte Berufungspolitik versuchen gerade kleine Universitä-

7 ten, auf der Basis des Vorhandenen, kritischen Massen zur Beantragung großformatiger Vorhaben aufzubauen. Dieser Aufbau benötigt Zeit zum wissenschaftlichen Reifen, zur Vernetzung im Hinblick auf das große thematische Ziel und damit aber auch Zeit, innerhalb derer sich gesellschaftliche/politische Ziele ändern können, oder ein thematisch und inhaltlich ähnlicher Antrag gleichen Formats aus einer anderen Einrichtung gestellt und bewilligt wurde. Pech gehabt, in die falsche Richtung geplant, dumm gelaufen? Der Weg ist das Ziel Um es ganz klar zu sagen, es gibt keine Alternative zu hochgesteckten wissenschaftlichen Zielen, zu einer thematisch darauf abgestimmten, fokussierten und gezielten Berufungspolitik, aber es gibt viele Alternativen zu einer Ausrichtung auf rein förderpolitisch formulierte Ziele, welche gerade en vogue sind oder über verlockend hohe Förderbudgets verfügen. Organisches Wachstum im Sinne von Evolution ist auch in der Wissenschaft eine wichtige Voraussetzung, die letztlich sogar revolutionär Neues hervorbringen kann, wie das Beispiel Google beweist. Google wäre, so die These des Verfassers, nie unter dem förderpolitischen Ziel von Industrie 4.0, unter der Parole Forschung, die beim Menschen ankommt entstanden oder gar unter der Zielvorgabe Wir wollen einer der bedeutendsten Technologiekonzerne der Welt werden. Es war in diesem Fall der Weg, der das Ziel ergeben hat und nicht das Ziel, das den Weg bestimmt hat. In diesem Sinn muss eine gute Forschungspolitik weniger die Ziele vorgeben als nur Ideen ermöglichen und die Wege zulassen. Exzellenz ist das, was sich ergibt, wenn man gute Wissenschaftler ernsthaft arbeiten lässt, sie kommt als Folge und weniger als verkündetes Ziel. In diesem Sinne haben wir auf den nachfolgenden Seiten versucht, über die Dinge zu berichten, die uns wichtig sind, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, aber mit dem Anspruch auf Ernsthaftigkeit. Ob Sie, werte Leserinnen und Leser, unsere Einschätzung und Gedanken teilen oder sogar wertschätzen, ist eine Hoffnung, aber kein Anspruch. In jedem Fall wünschen wir eine gute Lektüre. Ihr Otmar Loffeld Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Otmar Loffeld

8 Struktur und Zielsetzung Das ZESS versteht sich als interdisziplinäres Zentrum mit Wissenschaftlern aus den Ingenieur- und Naturwissenschaften, das unter Vernetzung von Methodenwissen aus den Bereichen Mechanik, Elektronik, Physik, Chemie und Informatik drei Kompetenzbereiche umfasst: Sensorentwicklung, Sensorinformationsverarbeitung und Systemintegration. Durch Grundlagenforschung und praxisorientierte Entwicklungen in diesen Bereichen trägt das ZESS nicht nur zur Lösung ausgewählter, aktueller Aufgabenstellungen bei. Es dient auch als Plattform für die Durchführung interdisziplinärer Verbundprojekte in Kooperation mit der gewerblichen Wirtschaft sowie mit anderen Forschungseinrichtungen. Dabei steht der Forschungs- und Technologietransfer sowohl in die industrielle Anwendung als auch in die universitäre Lehre immer im Vordergrund. Sensorsysteme Die Einparkhilfe am Auto, der Bewegungsmelder einer Außenbeleuchtung, die Lichtschranke am Aufzug- das sind nur drei der meist bekannten, im alltäglichen Leben gebrauchten Sensoren - doch der durchaus spannende Bereich der Sensorsysteme/Sensorforschung umfasst noch vieles mehr. Multisensorsysteme spielen mittlerweile in industriellen sowie in alltäglichen Bereichen eine immer größere Rolle: In der Hausautomatisierung, wenn der Herd erkennt, ob auf der Platte ein Kochtopf steht, der Staubsauger, der alleine und selbständig den Staub beseitigt In der Medizin können Langzeit- EKGs, statt mit Hilfe eines umständlich herumzutragenden Messkoffers nun mit einem EKG-Shirt, wo die Sensoren in das Textilstück eingearbeitet sind, durchgeführt werden, Sensor- und Assistenzsysteme unterstützen Chirurgen bei anspruchsvollen Operationen Flugzeug- und satellitenbasierte Ortungs- und Explorationssysteme leisten nicht nur in kleinen, handlichen Navigationssystemen wertvollste Hilfe im praktischen Alltag, sie liefern in Krisen und bei Katastrophen unverzichtbare Informationen für das effektive Krisen- und Katastrophenmanagement zur Koordinierung von Rettung und Hilfe. Promotion auf hohem Niveau Als Bestätigung des wissenschaftlichen Erfolges wurde dem ZESS vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) 2003 die finanzielle Unterstützung zur Gründung des International Postgraduate Programme (IPP) Multi Sensorics bereitgestellt. Dieses Programm ist zugänglich für Studenten mit Master- und Diplomabschluss aller Ingenieurwissenschaften sowie Mathematik, Chemie und Physik. Die Teilnehmer bearbeiten ihre eigenen wissenschaftlichen Themen und erstellen dabei innerhalb von drei Jahren ihre Doktorarbeit. Im Rahmen des neuen Programms Forschungsschulen des Landes NRW startete an der Universität Siegen im Wintersemester 2008/2009 zudem die neue Forschungsschule Multi Modal Sensor Systems for Environmental Exploration and Safety (MOSES). 8

9 ZESS Vorstand Ausstattung Senior Members Kooperationspartner Das ZESS stellt auf einer Nutzfläche von etwa 1500 qm (Büro- und Laborflächen) eine moderne Ausstattung für die unterschiedlichen Schwerpunkte zur Verfügung. Darunter befinden sich Laboratorien und Messplätze für: Bildverarbeitung und Lasermesstechnik Radar, SAR und Mikrowellensensorik Terahertz Messtechnik wissenschaftlicher Beirat Kompetenzfelder Sensorentwicklung Sensorinformationsverarbeitung Systemintegration ZESS Geschäftsstelle GRK 1564 Optik-Entwicklungen (Spektralradiometrie, Konfokalmikroskop, Lasermessstand) medizinische Messungen mit Röntgenstrahlung Umweltmessungen (Nasslabor und Chemielabor mit Digestorium) Echtzeit-Signalerfassung und -verarbeitung, EMV-Messtechnik, Mikroelektronik und Mikrosensorik, angewandte Robotertechnik (autonome Systeme) Computer-Arbeitsplätze für Simulationen und Algorithmen, Entwicklung und Werkstätten für Elektronikentwicklung und Feinmechanik runden das Angebot ab. 9

10 Kooperationen Bildungsveranstaltungen Im Rahmen der Förder-Verbundprojekte des BMBF und der EG finden übliche Kooperationen mit Industriepartnern statt. Bei Projekten, die unabhängig von öffentlichen Geldgebern durchgeführt werden, ist eine freie Vertragsgestaltung möglich, die insbesondere die Vertraulichkeitsanforderungen industrieller Partner berücksichtigt. Bei klar spezifizierten Anforderungen kann ein Zeit- und Kostenrahmen schon zu Beginn festgelegt werden. Ansonsten ist erst die Durchführung einer Machbarkeitsstudie üblich. Nutzungs- oder patentrechtliche Aspekte werden vertraglich im Einzelnen geregelt. Über diese Art der Objektabwicklung hinaus ist auch die zeitbegrenzte Mitarbeit von Fachpersonal des Kooperationspartners im Rahmen der Projektabwicklung möglich. Weitere Dienstleistungsaspekte sind die Durchführung von Problemanalysen und Beratungen sowie die Verifikation von Leistungsdaten (Erstellen von Gutachten). Es werden Industrieseminare und Vorlesungen zu folgenden Themen angeboten: Optische Messtechnik (allgemein) 2D/3D - Messtechnik Multisensor- und Bildverarbeitung Signalverarbeitung und Simulationstechniken Allgemeine Nachrichtentechnik Kalman-Filtertechnik Stochastische Modelle und Informationstheorie (allgemein) Compressive Sensing SAR (Synthetic Aperture Radar) Mechatronik und Robotik Embedded Systems (praktische Anwendungen) FPGA Entwurf mit Verilog/VHDL 10

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12 Vorstand Die Leitung des ZESS obliegt einem Vorstand. Dem Vorstand gehören alle Projektbereichsleiterinnen oder Projektbereichsleiter, eine Vertreterin oder ein Vertreter der wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter und eine Vertreterin oder ein Vertreter der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter in Technik und Verwaltung an. Vorsitzende Univ.-Prof. Dr.-Ing. Loffeld, Otmar Vorsitzender ZESS Optimale Signal- und Messwertverarbeitung, Sensordatenfusion, Remote Sensing SAR Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fritzen, Claus-Peter stellv. Vorsitzender ZESS Datenfilterung & Fehler erkennung, Optimale Sensorplatzierung, Virtuelle Kraftsensoren Vorstand (Projektbereichsleiter) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Roth, Hubert Ordentliches Mitglied Dr.-Ing. Wahrburg, Jürgen Akad. Direktor Mechatronik und Medizintechnik Medizintechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kolb, Andreas Ordentliches Mitglied Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kuhnert, Klaus-Dieter Ordentliches Mitglied Computergraphik und Echtzeit-Visualisierung Echtzeit-Lernsysteme Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lemme, Max Assoziiertes Mitglied Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Pietsch, Ullrich Assoziiertes Mitglied Graphene-based Nanotechnology Festkörperphysik 12

13 Aufgaben des Vorstandes: Er entscheidet über Anträge auf Bearbeitung von Projekten im ZESS und Mitgliedschaft im ZESS. Er entscheidet über die Verwendung der dem ZESS zugewiesenen Mittel und die Zusammensetzung des Wissenschaftlichen Beirats. Er wählt aus seiner Mitte eine Hochschullehrerin oder einen Hochschullehrer für eine Amtszeit von zwei Jahren einen Vorsitzenden sowie einen Stellvertreter. Eine Wiederwahl ist zulässig. Er nimmt den Rechenschaftsbericht des Geschäftsführenden Vorstands entgegen. Geschäftsführung Dr.-Ing. Hartmann, Klaus Geschäftsführer ZESS Dr. rer. nat. Weihs, Wolfgang stellv. Geschäftsführer ZESS Embedded System Engineering Embedded System Engineering Univ.-Prof. Dr.-Ing. Haring Bolívar, Peter Ordentliches Mitglied Univ.-Prof. Dr.-Ing. Nelles, Oliver Ordentliches Mitglied Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik Neuronale Netze und Fuzzy-Systeme Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ender, Joachim Ordentliches Mitglied Radarsensoren und Radarsignalverarbeitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Griese, Elmar Assoziiertes Mitglied Photonik, Optische Aufbau- & Verbindungstechnik Univ.-Prof. Dr. Blanz, Volker Assoziiertes Mitglied Univ.-Prof. Dr.-Ing. Seeger, Thomas Assoziiertes Mitglied Medieninformatik Technische Thermodynamik 13

14 Senior Members Das ZESS Senior Membership wurde ins Leben gerufen, damit dem ZESS auch nach der Emeritierung bzw. Pensionierung von Mitgliedern des ZESS-Vorstandes (oder anderer kooperierender Institutionen) deren Expertise und Kontakte erhalten bleiben. Die Mitglieder werden vom ZESS-Vorstand vorgeschlagen und durch Wahl bestätigt. Die ZESS Senior Member: beraten den Vorstand nehmen an Veranstaltungen des ZESS teil (Methodentag, Vorträge, Tagungen etc.) werden bei der Mittelverteilung mit berücksichtigt, wenn sie eigene wissenschaftliche Projekte bearbeiten vertreten das ZESS nach außen Prof. Dr.-Ing. Walenta Prof. Dr.-Ing. Köhne Zerstörungsfreie Material-und Fertigungsprüfung Sensorsysteme für Umweltund Verfahrenstechnik Prof. Dr.-Ing. Scharf Kommissarische Leitung des Projektbereiches Sensoren in der Fertigungstechnik Anwendung von Sensoren in der Fertigungstechnik Prof. Dr.-Ing. Schwarte Sensorsignalverarbeitung und 3D-Objekterkennung 14

15 Wissenschaftlicher Beirat Aufgaben des wissenschaftlichen Beirats: Beratung des ZESS-Vorstandes Unterstützung des Selbstevaluierungsprozesses v.l. nach r.: Prof. Dr. sc. nat. Wolfgang Osten, Prof. rer. nat. Klaus Schilling, Prof. Dr.-Ing. Dirk Heberling, Prof. Dr.-Ing. Dirk Söffker, Dr. rer. nat. Wolfgang Weihs, M.sc. Miguel Heredia Conde, Prof. Dr.-Ing. Reiner Thomä, Dr. Shida Beigpour, Prof. Dr.-Ing. Hubert Roth, Prof. Dr.-Ing. Thomas Seeger, Prof. Dr.-Ing. Claus-Peter Fritzen, Prof. Dr.-Ing. Haring Bolívar, Prof. Dr. rer. nat. Ullrich Pietsch, Prof. Dr.-Ing. Otmar Loffeld Prof. Dr. Wolfgang Osten Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik Prof. Dr. Dirk Söffker Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Steuerung, Regelung und Systemdynamik Prof. Dr. Reiner Thomä Technische Universität Ilmenau, Institut für Informationstechnik, FG Elektronische Messtechnik Prof. Dr. Dirk Heberling RWTH Aachen, Institut für Hochfrequenztechnik Prof. Dr. Klaus Schilling Universität Würzburg, Lehrstuhl für Technische Informatik 15

16 Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen & Mitarbeiter Optimale Signal- und Messwertverarbeitung, Sensordatenfusion, Remote Sensing SAR Dr.-Ing. Holger Nies Dipl.-Ing. Florian Behner Dipl.-Ing. Thomas Espeter Dipl.-Ing. Simon Meckel Dipl.-Ing. Simon Reuter Dipl.-Math. Wolfgang Noack Dr. rer. nat. Alexander Seel Anwendung von Sensoren in der Fertigungstechnik Dipl.-Ing. Matthias Scharf M.Sc. Nirugaa Natkunarajah Embedded System Engineering Dr.rer.nat. Wolfgang Weihs M.Sc. Miguel Heredia Conde (GRK 1564) Dipl.-Ing. Dominik Scarpin M.Sc. Vinh Nguyen Xuan (GRK 1564) Medizintechnik Dipl.-Ing. Stephanie Sahm Dipl.-Ing. Thomas Kerstein M. Sc.Oliver Gieseler Hochfrequenzsensoren und Radarverfahren M.Sc. Ahmed Radwan Dr. rer. nat. Lars Fuhrmann M. Sc. Fabio Giovanneschi 16

17 Graphene-based Nanotechnology Docteur en sciences de l ingénieur Vikram Passi vikram.passi@uni-siegen.de PhD Physics Satender Kataria satender.kataria@uni-siegen.de AR Dr.-Ing. Andreas Bablich andreas.bablich@uni-siegen.de M.Sc. Himadri Pandey himadri.pandey@uni-siegen.de M.Sc. Stefan Wagner stefan.wagner@uni-siegen.de Mess- und Regelungstechnik - Mechatronik Dipl.-Ing. Julian Belz julian.belz@uni-siegen.de M. Sc. Tim Heinz tim.heinz@uni-siegen.de M. Sc. Tobias Münker tobias.muenker@uni-siegen.de Computergraphik und Multimediasysteme Regelungs- und Steuerungstechnik M. Sc. Erwin Gerz erwin.gerz@uni-siegen.de Dipl.-Ing. Matthias Mende, Matthias.Mende@uni-siegen.de Dipl.-Ing. Christof Hille Christof.Hille@uni-siegen.de Dipl.-Geogr.Ruger Winnegge Ruger.Winnegge@uni-siegen.de Echtzeit Lernsysteme(EZLS) M.Sc. Simon Hardt simon.hardt@uni-siegen.de Dipl.-Inform. Marc Steven Krämer marc.kraemer@uni-siegen.de Dipl.-Inform. Klaus Müller klaus.mueller@uni-siegen.de M.Sc. T. Mohammed Saeed Nazeer mohammedsaeed@eti.uni-siegen.de Dipl.-Inform. Jens Schlemper schlemper@fb12.uni-siegen.de M.Sc. Damien Lefloch damien.lefloch.etu@gmail.com Dipl.-Inform. Martin Pätzold paetzold@eti.uni-siegen.de Dipl.-Inform. David Bulczak david.bulczak@uni-siegen.de M.Sc. Hamed Sarbolandi hamed.sarbolandi@uni-siegen.de Dipl.-Inform. Christoph Schikora christoph.schikora@uni-siegen.de M.Sc. Andreas Görlitz andreas.goerlitz@uni-siegen.de 17

18 Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen & Mitarbeiter Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik (HQE) Dr. rer. nat. Rainer Bornemann M. Sc. Andreas Neuberger Dipl.-Ing. Matthias Kahl M.Sc. Mehran Jamshidifar M.Sc. Christoph Süßmeier M.Sc. Christian Weisenstein Dr.-Ing. Anna Katharina Wigger Mechanik und Regelungstechnik - Mechatronik M. Sc. Sven Vitt sven.vitt@uni-siegen.de M. Sc. Daniel Ginsberg daniel.ginsberg@uni-siegen.de M. Sc. Inka Müller inka.mueller@uni-siegen.de M. Sc. Henning Jung henning.jung@uni-siegen.de Dipl.-Ing. Erion Zenuni erion.zenuni@uni-siegen.de Technische Thermodynamik Prof. Dr. Jürgen Keller keller@ift.maschinenbau.uni-siegen.de AR Dr.-Ing. Ingo Schmitz ingo.schmitz@uni-siegen.de Dipl.-Ing. Sascha Asbach sascha.asbach@uni-siegen.de 18

19 Stipendiaten Computergraphik und Multimediasysteme M. Sc. Farhoosh Alghabi Mechanik und Regelungstechnik - Mechatronik M. Sc. Jens Kathol Jens.kathol@uni-siegen.de Optimale Signal- und Messwertverarbeitung, Sensordatenfusion, Remote Sensing SAR M. Sc. Wei Yao yao@zess.uni-siegen.de Embedded System Engineering M. Sc. Amitkumar Kumbhar amitkumar.kumbhar@student.uni-siegen.de M. Sc. Emmanuel Odei-Lartey odei-lartey@zess.uni-siegen.de Festkörperphysik M. Sc. Arman Davtyan armdavtyan@yahoo.com Technische Thermodynamik Dipl.-Ing. Christian Meißner christian.meissner@uni-siegen.de Regelungs- und Steuerungstechnik M. Sc. Mustafa Abdullah abdullah@zess.uni-siegen.de Graphene-based Nanotechnology M. Sc. Mario Iannazzo mario.iannazzo@uni-siegen.de 19

20 Mitarbeiter Technik und Verwaltung Labor- und Werkstattpersonal Sekretariate Dipl.-Ing. Wolf Twelsiek Laboringenieur Vertreter der Mitarbeiter des administrativtechnischen Bereichs im Vorstands Susanne Hoffmann Teamassistentin Peter Hof Techniker Caterina Sinner Teamassistentin Bodo Ohrndorf Techniker Silvia Niet-Wunram MOSES/IPP Secretary and Facilitator Katrin Tuschhoff Ingenieurtechnische Assistentin Mediengestalterin Felix Köster Fachinformatiker B. A. Katharina Haut Gestaltungstechnische Assistentin 20

21 Mitarbeiter Auszubildende Fabian Harmsen Auszubildender Fachinformatik Tobias Dietrich Auszubildender Fachinformatik 21

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23 Internationale Promotionsprogramme Koordination Forschungsschulen Dr. Ing. Nies, Holger Dr. rer. nat. Köhler, Christian MOSES Executive Director GRK 1564 Coordinator Promotion durch geförderte Programme Ein von Beginn an gestecktes Ziel des Zentrums für Sensorsysteme ist die Förderung von hochqualifiziertem Nachwuchs. In der Regel geschieht diese Förderung durch Mitarbeiterstellen der Hochschule und durch finanzierte Forschungsprojekte von extern. Seit 2003 fördert das Zentrum Stipendiaten und Mitarbeiter aus dem In- und Ausland mit Hilfe verschiedener Programme mit dem Ziel der Promotion. Disziplin, der Austausch untereinander, die Fähigkeit, eigenverantwortlich zu arbeiten und Organisationstalent spielen für junge Forscher eine wichtige Rolle. Sie sollen auf Berufe außerhalb und innerhalb der Forschung vorbereitet werden. Die Möglichkeit, jungen Hochschulabsolventen die Perspektive der Promotion durch geförderte Programme zu geben, ist im Zuge der Kürzungen an den Hochschulen ein wichtiges Standbein für die Forschung geworden. Nicht nur im Inland, sondern auch im Ausland erfährt das Stipendiensystem großen Zuspruch. Die Bewerbung läuft über ein Webportal. Ein Bewerber muss verschiedene Tests mit gutem Ergebnis absolvieren, um überhaupt in die Auswahl zu gelangen. Die Internationalisierung, die durch die Stipendienprogramme gefördert wird, bringt einen sehr positiven Aspekt mit sich: Nicht unwesentlich bei dieser Zusammenarbeit ist das Kennenlernen anderer Kulturen. Die Stipendiaten fungieren bei ihrem Aufenthalt als Botschafter ihres Landes und lernen zugleich die Besonderheiten ihres Gastlandes kennen. Die Kommunikation läuft weitgehend über die englische Sprache. Im Rahmen der Promotionsprogramme wird den Stipendiaten eine Möglichkeit der Teilnahme an Deutschkursen gegeben. Auf den kommenden Seiten werden wir die Programme kurz vorstellen. 23

24 International Postgraduate Programme MOSES NRW Research School on Multi Modal Sensor Systems for Environmental Exploration and Safety Das ZESS Promotionsprogramm ist eine Fort- und Zusammenführung der bisherigen Programme IPP Multi Sensorics und MOSES, die im Zentrum für Sensorsysteme angesiedelt sind. Das Internationale Promotionsprogramm (IPP) Multi Sensorics des ZESS war ein ab 2002 vom DAAD und der DFG gefördertes Programm. Das IPP gewährte Doktoranden finanzielle Unterstützung zur Ergänzung ihres normalen Stipendiums wie z.b. vom DAAD oder der DFG. Der DAAD z.b. unterstützt ausländische Studenten, die Doktorandenausbildung und Forschung in Deutschland verfolgen wollten. Diese Studenten werden normalerweise in ihrem Heimatland ausgewählt und müssen von der deutschen Fakultät oder dem entsprechenden Institut eine Zusage für einen Arbeitsplatz erhalten haben, um ein Visum zu erhalten. Im Rahmen der Kampagne NRW-Forschungsschulen des Bundeslandes Nordrhein-Westfalen wurde im Wintersemester 2008/2009 die Forschungsschule Multi Modal Sensor Systems for Environmental Exploration and Safety (MOSES) eröffnet. MOSES ist ein projektund forschungsorientiertes Postgraduiertenprogramm auf höchstem Niveau, das Doktoranden zu autonomem wissenschaftlichen Arbeiten und professionelle Aktivität in Forschung und Entwicklung befähigen soll. Ein Hauptziel ist, die Teilnehmer innerhalb von drei Jahren zum deutschen Doktortitel Dr.-Ing. or Dr. rer. nat. zu führen. MOSES bietet Forschungs- und Ausbildungsmöglichkeiten auf allen Gebieten von Sensoren, multi-modalen Sensorsystemen, Sensordatenprozessierung, Multisensorfusion, Datenauswertungssimulation, und Optimierung von komplexen Sensorsystemen mit Anwendungen auf nahezu allen wissenschaftlichen und technischen Gebieten wurde das Programm aufgrund der hervorragenden Leistung vom Ministerium verlängert. Forschungsfelder sind: Graphen-basierte Nanotechnologie In-situ 2D/3D-Exploration TeraHertz Sensing and Imaging Positions- und Lagebestimmung, Lokalisation und Navigation 2D/3D Fernerkundung mit mono- and bistatischen Synthetic Aperture Radar Systemen (SAR) Multimodale Datenfusion von fernerkundeten und in-situ erhobenen Sensordaten Fahrzeugtechnik Structural Health Monitoring und Safety Evaluation Special Features/Structure of the Programme 24

25 Mehr Informationen unter: International Postgraduate Programme GRK 1564 The focal idea of the Research Training Group is to seize recent developments in imaging for different modalities in order to facilitate innovative approaches to the field of civil security applications. The focused civil security scenarios include person detection and biometry, material detection and analysis, as well as scene observation. The targeted enhancements of civil security systems addresses further functionalities and increased robustness which can be achieved due to the particular orthogonality and redundancy of the information delivered by the individual sensor modalities. Sensor data processing is the focal point for the Research Training Group, bringing together the potentials of the new sensor technologies and the specific needs of the targeted civil security application. Within this scope, different data processing and information extraction concepts will be comprehensively investigated. The Research Training Group addresses new sensor concepts, especially distance measuring sensors based on Photonic Mixing Device (PMD) technology, enhanced THz-sensors and multi-spectral VIS-sensors (colorimetric arrays). 25

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27 Recent Research Neuste Forschungsprojekte Recent Research Projects Die Einbindung in konkrete Projekte bestimmt den Hauptteil der wissenschaftlichen Arbeiten des Zentrums für Sensorsysteme. Auf den folgenden Seiten präsentieren wir deshalb einige ausgesuchte Projekte aus der Menge der aktuellen Forschungsvorhaben. Wie allgemein in unseren internationalen Promotionsstudiengängen üblich, sind die Berichte in englischer Sprache verfasst. The main part of our scientific work is project oriented. On the following pages we present a selection of current research projects. Most of them are processed by research associates or participants of one of our international postgraduate programs. The list involves topics like environmental monitoring, optical inspection systems or navigation solutions. Neue Projekte/ New Projects 2015: Long-term Performance of a Fuel Vapor Retention System (FVRS) while using Bioethanol as a Fuel Additive ComSAR - Compressive Sensing (CS) methods applied to Synthetic Aperture LumiCS - Terahertz illumination concepts for reciprocal compressive imaging in silicon technologies NanoGraM - Graphene Fabrication, Integration and Metrology for Nanoelectromechanical Systems Active Learning with HilomotDoE Graphene-based THz antennas for ubiquitous communication devices Intraoperative Implementation of X-ray image based preoperative Planning for Precise Implantation of Hip-Endoprotheses Ultrasensitive marker-free biomolecular THz-detection for tumor related analytics: PCR-free sensitivity, biomolecular extension and biological relevance

28 Long-term Performance of a Fuel Vapor Retention System (FVRS) while using Bioethanol as a Fuel Additive Since 2011 gasoline passenger car engines are fueled with E10. This biofuel contains between five and ten percent of bioethanol. The aim of adding bioethanol is to reduce the consumption of fossil fuels and CO 2 - emissions. As with other types of fuels, about 11 kg of volatile hydrocarbons (VOCs) per year escape from the tanks of cars with gasoline engines into the environment. To avoid these issues, the use of so-called fuel vapor restraint systems (FVRS) is already state of the art since a few decades (see Fig. 1). Otto- Engine Air Filter Flue Gas Gasoline Injection Regeneration Valve Engine- Management Clean- Air AC-Filter Purge- Air Puffer- Tank Rollover- Valve Tank Figure 1: Schematic sketch of a fuel vapor retention system (FVRS). A FVRS consists essentially of a plastic container filled with activated carbon where the fuel vapors (VOCs) in the pores of the activated carbons (AC) are adsorbed. If the AC filter is almost fully loaded it is regenerated usually with humid ambient air, since the humid air is able to desorb petrol vapors (VOCs) from the AC. The scavenging air enriched with VOCs is then sucked into the engine and is burned there. Nevertheless the long term operability of these filters when using biofuel is still an open question. In a new research project researchers of the University of Siegen (TTS) and the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology (UMSICHT) in Oberhausen analyze now the operability of these filter systems under long term close-to-reality conditions, which are loaded with different bioethanol-blended fuel vapors such as E10. In order to investigate the long term behavior of such filter systems, it is important to monitor the exact composition of the gas leaving the filter. Therefore based on the basic principle of spontaneous RAMAN scattering a sensor system is developed to monitor time resolved the composition of the gas leaving the filter system during long term operation. Spontaneous RAMAN scattering occurs when a gas sample is irradiated with monochromatic light due 28

29 Neuer Forschungsbereich im ZESS Figure 2: Raman measurements with a multi-pass arrangement for signal amplification. to an energetic interaction between light and the gas molecules. The spontaneous Raman scattering technique is an excellent tool for a quantitative analysis of multi-species gas mixtures since it allows the simultaneous detection of virtually all polyatomic species with high temporal resolution with one sensor system. It is a noninvasive optical method for species identification and gas phase concentration measurement of Raman active molecules, since the intensity of the molecule specific Raman signal is linearly dependent on the concentration. The Raman sensor essentially consists of a laser, a measurement cell with four optical windows, a spectrometer and a detector. For an optimal signal yield a multi-pass cavity is realized. This setup is shown in figure 2. This sensor system is combined with the test facilities at the Fraunhofer Institute (UMSICHT) for the above mentioned long term test of the FVRS. I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Seeger Contact: Institute of Engineering Thermodynamics University of Siegen Paul-Bonatz-Str D Siegen thomas.seeger@uni-siegen.de web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Acknowledgement: This project is supported by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) and coordinated by the FNR (Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.) project grants No

30 ComSAR - Compressive Sensing (CS) methods applied to Synthetic Aperture Radar Compressive Sensing (CS) methods applied to Synthetic Aperture Radar (SAR) one the one hand promise the reduction of raw data rates and quantity without losing any information concerning the final result (this was the principal paradigm and main direction of CS in the beginning), but more importantly, and this is the driver and motivation of this research proposal, it enables the development of new methods of information retrieval. State-of-the-art are first published CS approaches to radar imaging, particularly for the imaging of small objects (ISAR, Spotlight), but as well for the special case of SAR- tomography. However, CS-SAR is far from being generally understood concerning its possibilities and even farther away from being an operational or mature processing approach in comparison with classical algorithms. The works of this project proposal aim at filling this apparent gap. The goal of the applicants, both well known experts in radar imaging and CS applications, is to systematically research sparsity issues in SAR-data and to exploit sparse models or combinations of sparse models to generate SAR images of superior quality. Rather than using CS for reducing the number of measurements, they intend to use the non reduced data set to increase the resolution, giving rise to super resolution. A further main aspect is the utilization of complementary overcomplete dictionaries for the identification of different scattering mechanisms and different scene characteristics as initial point for a novel form of content classification and information retrieval. The third research goal aims at the development of CS techniques for 3D-imaging with planar real and/or synthetic apertures, especially with respect to material penetrating radar, with applications for ground penetrating radar (GPR) and subsurface imaging, with impacts on quality control up to clinical diagnostics. 30

31 CS reconstruction results of simulated SAR data by assuming that (a) the scene is sparse in space domain; (b) the scene is sparse in wavelet domain; (c) the scene is sparse in Gradient domain. (d) The image formed as the union the maximum values of of (a), (b) (c) at each pixel. I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr. -Ing. O. Loffeld Contact: Universität Siegen Zentrum für Sensorsysteme Paul-Bonatz-Straße 9-11 D Siegen Loffeld@zess.uni-siegen.de web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Interferometric SAR image (radar intensity and interfer-ometric phase) of Dreis-Tiefenbach/Siegen acquired by the HITCHHIKER system in 2009.and

32 LumiCS - Terahertz illumination concepts for reciprocal compressive imaging in silicon technologies The project s main objective is to leverage silicon-based technologies for a breakthrough in terahertz (THz) compressive imaging. This interdisciplinary research project combines natural sciences with engineering sciences to realize a highly sensitive real-time THz imaging system without the need for mechanical scanning. The key innovation of LumiCS is an active Terahertz Digital Light Processor (T-DLP) fully integrated in a silicon process technology. Unlike simple THz pointsources, in a T-DLP the THz illumination is created by a matrix of digitally controlled source pixels. It combines the advantages of a reciprocal imaging system with novel compressed sensing (CS) algorithms, thereby enabling an imaging system where the number of THz sources and the number of THz image sensors (receivers) is much lower than the resolution of the captured image. Moreover, the number of patterns a T-DLP will need to create is significantly lower than the number of the obtained image pixels, thus reducing the overall image acquisition time compared with a reciprocal imaging system. The T-DLP and the image sensor chip will be implemented in a low-cost high-performance SiGe technology, providing a highly scalable, compact, and robust system solution. The research of LumiCS opens up a path towards practical implementation where CSbased algorithms, sampling, and digital signal processing are able to run simultaneously on a monolithically integrated circuit chip. Hence, it leverages the advantages of compressed sensing for the realization of future low-cost THz multi-pixel imaging system. I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. O. Loffeld Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Pfeiffer (Universität Wuppertal) Contact: Universität Siegen Zentrum für Sensorsysteme Paul-Bonatz-Straße 9-11 D Siegen Loffeld@zess.uni-siegen.de web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0)

33 1 Figure 1: THz CMOS camera chip housing Figure 2: micrograph of the FPA (2.9 mm 2.9 mm) with a magnified view on a single detector (80 µm 80 µm) 2 Figure 3: a still frame from a metallic wrench [own 30] 3 33

34 NanoGraM - Graphene Fabrication, Integration and Metrology for Nanoelectromechanical Systems This project is a cooperation of the group of Graphene-based Nanotechnology, Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Siegen and four industrial partners (Infineon Technologies AG, WITec GmBH and Spanish SMEs Graphenea and SIMUNE). The goal of the project is to explore new Nano-/Microelectromechanical (NEMS/MEMS) devices based on graphene. NanoGraM will focus on three device concepts for potential future applications: graphene-membrane pressure sensors, graphene microphones and graphene-membrane Hall sensors. Such devices may find applications in widespread areas like smart phones, laptops, the Internet of Things, automotive, industry 4.0, homeland security or smart homes. The University of Siegen focuses mainly on graphene based pressure sensors. Here graphene covers cavities to keep a constant environmental pressure in the cavities. A change in outside pressure deflects the graphene membrane. Due to the piezoresistive effect graphene exhibits resistance changes, which can be measured electrically. The expected benefits of using graphene over conventional sensor materials are increased normalized sensitivity (up to factor 100), robustness (up to factor 5), reduction of size, enhanced signal-to-noise ratios and the avoidance of hazardous materials in processing. The research activities in NanoGraM will provide a decisive technology lead for the industrial NEMS manufacturer and the participating small and medium enterprises. The project is funded through the German BMBF in the framework of an M-ERANET consortium. I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Max Christian Lemme Contact: Stefan Wagner Chair of Graphene-based Nanotechnology FAK IV, University of Siegen Hölderlinstraße 3 D Siegen stefan.wagner@uni-siegen.de Web: : Telefon: +49 (0271) Fax: +49 (0271)

35 Figure 1: S. Wagner, C. Weisenstein, A. D. Smith, M. Östling, S. Kataria, and M. C. Lemme, Graphene transfer methods for the fabrication of membrane-based NEMS devices, Microelectronic Engineering, vol. 159, pp , Jun

36 Active Learning with HilomotDoE The Design of Experiments (DoE) is used in the development and optimization of many products and processes. The experiments are used to model a functional relationship between design parameters (inputs) and the corresponding qualities (outputs) given by the process (see Fig. 1). Because of resource intensive experiments, a trade-off between accuracy and number of experiments has to be made. The objective of the DoE is to estimate an accurate functional relationship between design parameters and the corresponding qualities of the process/product with as few experiments as possible. The DoE can be distinguished in two different types: 1. Unsupervised DoE Offline, the design parameter combinations are determined prior to the experiments. 2. Supervised DoE/active learning Online, the next design parameter combination (query) is optimized after carrying out one or a couple of experiment(s). In general, an active learning strategy depends on a model of the unknown process. Thus, usually, an unsupervised DoE has to be done a priori. A supervised DoE optimizes the next query point with respect to a given objective. Typical objectives in an active learning context are: (i) Finding the optimum of the process with respect to the design parameters using the identified model; (ii) exploration of the process boundaries. Both objectives are subject of our work. In this project we are focusing on increasing the model accuracy utilizing a novel active learning strategy. The process is modeled using an artificial neural network. Through a so-called training algorithm, the model is able to learn the relationship between the design parameters and the corresponding quality. Here the model is trained using the Hierarchical Local Model Tree (Hilomot) algorithm. This algorithm finds regions of similar (linear) relationship between inputs to outputs. The extension to an active learning strategy is the HilomotDoE algorithm. The next design parameter combination (query) is placed in a region, where the model is not able to represent the process appropriately. In other words: The query is set to that location, where the gained information out of the process is supposed to be maximal. After a new training of the model, this procedure is repeated until a certain termination criterion is met (see Fig. 2). With this approach, the test bench time/ the number of required experiments of a combustion engine, were decreased by a factor of 2, while achieving the same model accuracy as with an unsupervised DoE. 36

37 Figure 1: Block diagram of a general process with design parameters as inputs and a quality as output I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Oliver Nelles Lehrstuhl für Meß- und Regelungstechnik FAK IV, University of Siegen Paul-Bonatz-Str D Siegen oliver.nelles@uni-siegen.de Web: : Figure 2: Active Learning strategy with the engine measurement as an example. Telefon: +49 (0271) Fax: +49 (0271)

38 Graphene-based THz antennas for ubiquitous communication devices Compact antennas are a key determinant for the performance of all future ubiquitous smart devices. Graphene plasmonic micro-antennas with lateral dimensions of just a few micrometers can theoretically have area requirements up to four orders of magnitude smaller than classical metallic counterparts, indicating a huge potential, enabling radically miniaturized wireless communications, providing better integration at much lower cost. Graphennas have been extensively analyzed theoretically. It seems therefore astonishing, that such a high impact potential application does not have any experimental proof as an integrated THz source. This absence does not result from the integration complexity: The real use of this concept is obstructed from a fundamental point of view as the envisaged huge advantages of graphennas degrade with realistically integrable graphene. Fundamentally better understanding of plasmonic transport in the THz frequency range is required to assess the true application potential of graphennas. The objective of the project is to pave the way for a widespread industrial take-up of graphene based plasmonic antennas, addressing: An experimental prototype demonstration which shows and assesses the practical operation of a graphenna. Here, photoconductive emitters based on THz graphennas will be demonstrated. A reduction of antenna length by a factor of 10 is envisaged and tunability will be demonstrated. Detailed understanding of limiting performance factors of such a graphenna, under realistic technologically achievable parameters will be developed. Here, a close analysis of measured electronic transport parameters, microwave modelling of the antenna characteristics under such transport parameters and correlation with experimental graphenna performance will be used to ascertain the potential and limitations for graphenna operation at THz and lower frequencies. Fundamental understanding of the microscopic origin of these limitations will be achieved, in order to guide graphene material optimization in the context of this and other THz applications. For this purpose, microscopic theory will be used to assess the influence of different scattering mechanisms and the role of different substrates on the THz conductivity in graphene. Careful comparisons with experiments will indicate which material parameters need to be tuned to maximize graphenna performance. 38

39 I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar Univ.-Prof. Dr. -Ing. Max Lemme Contact: M.Sc. Christoph Süßmeier Universität Siegen Dept. Elektrotechnik und Informatik Inst. für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik Hölderlinstr. 3 Figure 1: Current distribution in antenna Figure 2: Structured wafer with multiple antennas D Siegen peter.haring@uni-siegen.de web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0)

40 Intraoperative Implementation of X-ray image based preoperative Planning for Precise Implantation of Hip-Endoprotheses This project is carried out in cooperation with 4 plus company for software and hardware development, Erlangen/D. It focuses on the design and development of a novel computer assisted operation procedure for total hip replacement, based on a low cost surgical navigation system. Necessary hard- and software components will be developed. A new (multiple) stereo camera system which tracks visible light marker reference bodies will be built up for this purpose. The procedure will support the surgeons in all steps from planning to implementation and execution during the surgical operation. While common commercial products currently either rely on preoperative planning without intra-operative assistance or on the support of imageless navigation systems during the intervention, we aim to benefit from both solutions. The core innovation in our approach is to combine preoperative planning, i.e. patient anatomical data acquired from 2D anterior-posterior X-ray images, with intra-operative information collected by the 3D navigation system. Since minimal invasive interventions are commonly used in total hip replacement our method promises to give better results and patient outcome compared to conventional procedures. A key point is the exact scaling of X-ray images, which is the mandatory prerequisite for accurate pre-operative planning. Commonly applied methods like employment of calibration bodies are not sufficiently precise and reliable for our application. The 4plus company will expand their already developed surgical planning software by the functionalities which are necessary for the integration of the intra-operative acquired patient anatomical data delivered by the navigation system. Thus, the preoperative planned operation parameters can be optimized and added. Conception and development of the 3D navigation system as well as the creation of an engineering model are tasks of the ZESS team. On this basis and supported by orthopedic hospitals both project partners will prepare appropriate surgical workflows and evaluate them by means of a demonstrator setup. The project is funded by the German Federal Ministry BMWi within the ZIM program. 40

41 I Project Management and Execution Management: Dr.-Ing. Jürgen Wahrburg Contact: Universität Siegen Dr.-Ing. Jürgen Wahrburg Zentrum für Sensorsysteme Medizintechnik Paul-Bonatz-Straße 9-11 D Siegen web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Figure 1: Test setup for determination of hip joint rotation center by means of reference bodies and movement of the femur bone Figure 2: Pre-operative planning of a total hip replacement based on an X-ray image 41

42 Ultrasensitive marker-free biomolecular THzdetection for tumor related analytics: PCR-free sensitivity, biomolecular extension and biological relevance Genomics and proteomics hold promise to revolutionize future health care, targeting profound novel visions like predictive, preventive and personalized medicine. The enormous advance in these fields is closely coupled to the development of powerful, reliable and efficient methods to detect, identify and analyze biomolecules and their complex interaction networks. In the last decades techniques have continuously improved, providing a plethora of information for biomolecular function. Current progress is changing from observing dependencies, towards understanding mechanisms in their full interaction network. This modification, together with analytic limitations of existing detection methods, clearly indicate that new analytic tools with enhanced capabilities need to be developed. THz technologies have demonstrated a huge potential to investigate and detect biomolecular systems, as macromolecular modes and biomolecular interactions are resonant in this frequency range. This is paving the path to label-free bioanalytic sensing. The goal of this project is the fundamental expansion of biomolecular sensing with electromagnetic (EM) radiation in the THz frequency range. Herein, three aspects are of primary interest: Sensitivity enhancement by 2 to 3 orders of magnitude towards PCR-free direct genetic detection and identification in human samples, Extension of the existing label-free sensing application from DNA sensing to RNA, DNA-protein and protein-protein interactions, Detailed evaluation of the quantification capability and biological relevance of THz analyses. This activity sets upon previous label-free THz DNA activities which have already enhanced sensitivity by 8 orders of magnitude down to a wold-wide unsurpassed sub-femtomol detection level. In order to focus this research activity and validate the application relevance of these developments, all analysis will concentrate on tumor related biomolecular sensing applications. Especially in this field, it is becoming increasingly clear, that the traditional scientific approach attempting to reduce cellular function to individual components (e.g. biomarkers) and signal transduction pathways is insufficient. It is nowadays increasingly evident that the behavior of biological systems, especially those affecting tumors, cannot be attributed to a single molecule or a single moleculular pathway, as they emerge as a result of interactions at multiple levels. In this project it will be analyzed and validated quantitatively if THz sensors based on frequency selective surfaces can provide such a multilevel biomolecular detection capability. 42

43 I Project Management and Execution Management: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar Contact: M.Sc. Christian Weisenstein Universität Siegen Dept. Elektrotechnik und Informatik Inst. für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik Hölderlinstr. 3 D Siegen Figure 1: Biochip reader setup operating at a frequency of approximatedly 250 GHz. peter.haring@uni-siegen.de web: Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Figure 2: Double split ring resonators with target DNA and THz readout beam (schematic representation). 43

44 Laufende Forschungsprojekte in Überblick Projektgruppenleiter Fritzen Projektbezeichnung Axialdrift beim Rotieren schwerer rotationssymmetrischer Bauteile Projektnummer ZESS - Fritzen-AiF-KF LP3 Axialdrift Fritzen HiPRwind High Power, High Reliability Offshore Wind Technology ZESS - Fritzen-EU-RP7- HiPRwind Fritzen ZESS-Fritzen-EU-SARISTU Smart Intelligent Aircraft Structures ZESS - Fritzen-EU-RP7- SARISTU Fritzen Erstellung einer Machbarkeitsstudie zur Errichtung einer Testinfrastruktur für die zukunftsorientierte Forschung an Eisenbahndrehgestellen ZESS-Fritzen-MIWF- Eisenbahndrehgestelle Haring ERA-NET Euro TransBio-7:Eiffel Early invasive fungal detection with Terahertz sensor systems ZESS-Haring_BMBF031A321B-Eiffel Haring Nachfolgeprojekt: Interaktive multifunktionale konfokale Bildanalyse ZESS-Haring-DFG 3022/

45 Projektgruppenleiter Haring Haring Projektbezeichnung From RF to MM-Wave and THz Silicon SoC Technologies (Catrene CT-209)RF2THzSiSoC Teilvorhaben: Aufbau und Evaluierung eines Demonstrators für 3D-Bildgebung bei 240 GHz zur Anwendung in der zerstörungsfreien Materialprüfung Support for training and career development of researchers Projektnummer ZESS-Haring_BMBF16KIS0095-Catrene ZESS - Haring - HYPERIAS-Marie Curie Hartmann AIF-ITUBE Systementwicklung zur Druckerfassung, Messdatenübertragung,- auswertung und -visualisierung einschließlich Energiekonzept für Erdbohrverfahren ZESS - Hartmann-Bund-Sondermittel Hartmann Movedetect - Personen- und Objektdetektion mit mobilen Sensoren ZESS - Hartmann-BSJ-Movedetect Hartmann ESG ZESS - Hartmann-LR-Multicam Kolb Nachfolgeprojekt: Interaktive multifunktionale konfokale Bildanalyse ZESS-Kolb-DFG-KO 2960/

46 Projektgruppenleiter Projektbezeichnung Projektnummer Kolb Auswahl und Optimierung einer 3D ToF Kamera zur Verwendung im automobilen Einsatzbereich ZESS-Kolb Zuschuss Delphi Kolb Effiziente Rekonstruktion und Darstellung großflächiger dynamischer Lichtfelder ZESS-Kolb-DFG-KO 2960/13-1 Kolb PMD-Modellierung, -Simulation, -Evaluation & Algorithmik ZESS-Kolb-DFG-KO 2960/12-1 Kolb PPPNorwegen 1j16 ZESS-Kolb-DAADPP_Norwegen 2016 Kuhnert Kuhnert Kuhnert Analyse durch Synthese mit virtuellen Fischen als neue Versuchsmethode in Untersuchungen zur Partnerwahl Sensorplattform für die hochpräzise Positionierung unbemannter Luftfahrzeuge im Nahbereich Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden durch großflächig hoch aufgelöste Thermographie mittels Flugroboter ZESS - DFG-KU-689/11-1 ZESS-Kuhnert-BMWI-VDI-ZIM-16KN- 16KN ZESS-Kuhnert-Thermoscan Kuhnert Lemme Aviro-Echtzeit Auswertung visueller Informationen für robotische Operationen Skalierungs- und Performancepotential von Bilagengraphen- Feldeffekttransistoren für Analoganwendungen ZESS-Kuhnert-BMWI 50RA1402-AVIRO DFG-Projekt LE 2440/2-1 46

47 Projektgruppenleiter Lemme Projektbezeichnung Nanoelektronische Bauteile mit Graphen-Membranen Projektnummer ZESS-Lemme-BMBF-03XP0006C Ender Radar-Warn-und Informationssystem für Anwendungen im Katastrophenschutz ( RAWIS ) ZESS-Ender-BMBF 13N13231 Loffeld Terahertz Beleuchtungskonzepte für Compressive Imaging in Sizilium- Technologien (LumiCS) ZESS-Loffeld-DFG-LO 455/22-1 Loffeld Compressive 2D/3D (ComSAR) ZESS-Loffeld-DFG-Lo 455/20-1 Nelles Kennlinienvorhersage und aerodynamische Optimierung von Laufrädern für Radialventilatoren mittels CFD-basierter Meta-Modelle AIF-IGF N-FST2 Nelles Machbarkeitsstudie zur Entwicklung eines Metamodells zur schnellen Berechnung wichtiger Kennfelder elektrischer Maschinen für unterschiedliche Geometrien ZESS-Nelles-Bosch Metamodell Nelles Lizenz für die Matlab-Toolbox LMNTool ZESS-Nelles-Lizenz LLMTool Nelles Weiterentwicklung eines modellbasierten statistischen Versuchsplanungsverfahren unter Anwendung eines HILOMOTDOE- Algorithmus Nelles-HILOMOTDOE-Daimler 47

48 Projektgruppenleiter Projektbezeichnung Projektnummer Nies, Loffeld Hochauflösende mono- und bistatische SAR-Bildgebung durch Verwendung eines neuartigen modularen Radarsenders und Multikanal-Empfangssystems DFG-NI-1081/5-1 Roth Stiff-Flop: STIFFness controllable flexible and learn-able manipulator for surgical Operations ZESS - Roth-EU-RP7-STIFF- FLOP Scharf Verfahren zum Recycling großer Lithium-Ionen-Batterien ZESS - Weyrich-Recycl. Batterien Seeger Langzeitverhalten von Kraftstoffdampfrückhaltesystemen (KDRS) bei der Verwendung von Bioethanol als Kraftstoffadditiv; Teilvorhaben 2: Raman- Messungen im Langzeitbetrieb und experimentelle Charakterisierung der Aktivkohleproben ZESS-Seeger-BMEL Wahrburg Intraoperative Umsetzung einer röntgenbasierten präoperativen Planung zur Implantation von Hüftendoprothesen ZESS-Wahrburg-BMWI-KF KJ4 Ender Compressive 2D/3D SAR ( COM SAR ) ZESS-Ender-DFG-EN 731/5-1 48

49 Projektgruppenleiter Haring Haring Lemme Projektbezeichnung Ultrasensitive markierungsfreie biomoleculare THz-Detektion für Tumor Analytik: PCRfreie Detektion, Ausweitung des biomolekularen Anwendungsbereiches und biologische Relevanz Auf dem Weg zu Graphenbasierter Kommunikation-experimentelle Demonstration und fundamentale Analyse des Potentials und der Limitierungen Graphen-basierter THz Antennen Auf dem Weg zu graphen-basierter Kommunikation-experimentelle Demonstration und fundamentale Analyse des Potentials und der Limitierungen Graphen-basierter THz Antennen Projektnummer ZESS-Haring-DFG-HA3022/8-1 Zess_Schäfer-Eberwein-DFG- SchA1970/1-1 ZESS-Haring-DFG-HA 3022/9-1 ZESS-Lemme DFG-LE2440/3-1 49

50 Drei Millionen-Marke wieder überschritten! Zahlen 2015 Grundfinanzierung Finanzbudget: Personalbudget: Drittmitteleinnahmen , , ,27 Das untenstehende Diagramm zeigt den Verlauf des ZESS-Budgets für die vergangenen Jahre von 2011 bis Hier wurden die Grundfinanzierung der Hochschule sowie die tatsächlichen Drittmitteleinnahmen von im ZESS laufenden Projekten berücksichtigt. Das hohe Niveau an Drittmitteleinwerbungen im Vorjahr konnte noch einmal übertroffen werden. So wie auch im letzten Bericht enthalten die DFG-Mittel auch diesmal die eingenommenen Anteile aus dem DFG-Graduiertenkolleg (GRK 1564, Imaging New Modalities) Sons ge Mi el DFG Mi el Grund nanzierung Grundfinanzierung DFG Mittel Sonstige Mittel 50

51 DFG-Mittel-Einnahmen Obenstehendes Diagramm gibt die Entwicklung der absoluten DFG-Bewilligungssummen in Tausend Euro der vergangenen fünf Jahre wieder. Dabei wurde jeweils eine Mittelung über zwei Jahre durchgeführt, um jährliche Schwankungen auszugleichen. Weiterhin werden die Einnahmen der ZESS-Mitglieder im DFG-Graduiertenkolleg (GRK 1564, Imaging New Modalities), bei dem die Hälfte der beteiligten Professoren auch ZESS- Mitglieder sind, mit hinzugerechnet. Die Einnahmen aus DFG-Mitteln insgesamt belaufen sich im Haushaltsjahr 2015 auf 1,7 Millionen Euro. 52

52 Promotionen pro Hochschullehrer Die Kennzahl Promotionen pro Hochschullehrer ist für uns ein wichtiger Indikator für die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses und demonstriert gleichzeitig die Forschungsintensität eines Hochschulinstituts. Die folgende Darstellung zeigt einen gleitenden Mittelwert über jeweils zwei Jahre, um den Vertrauensbereich bei den doch relativ kleinen Erhebungsdaten zu erhöhen. Wie auch im Vorjahresbericht wurden hier als Berechnungsgrundlage alle Promotionen der am ZESS beteiligten Hochschullehrer verwendet (Erstgutachten), unabhängig vom aktuellen Projektstatus. Die Anzahl der Promotionen pro Hochschullehrer ist über die letzten Berichtszeiträume etwa konstant geblieben und hatte nur in den Berichtsjahren 2013 und 2014 ein lokales Maximum. Ursache dafür war ein mit dem Auslaufen des primären Förderzeitraums der Forschungsschule MOSES korrespondierender erheblicher Anstieg an Promotionsprüfungen bei gleichbleibender Mitgliederzahl an Hochschullehrern im ZESS. 53

53 Stipendiaten und wissenschaftliche Mitarbeiter / / / /2015 In der Grafik ist die Gesamtzahl der an ZESS-Projekten forschenden wissenschaftlichen Mitarbeiter (inklusive Postdocs und anteilig Beschäftigter) und Stipendiaten in absoluten Zahlen wiedergegeben (wieder mit einer Mittelung über jeweils zwei Jahre). Die ausgelaufene externe Förderung für das strukturierte Promotionsprogramm MOSES konnte durch die vermehrte Einwerbung von Drittmittelprojekten (besonders DFG-Einzelprojekte) und die Aufnahme eines intern finanzierten Stipendienprogramms ausgeglichen werden. So blieb in der Summe die Anzahl der Stipendiaten und wissenschaftlichen Mitarbeiter im Berichtszeitraum annähernd konstant. 54

54 Doktoranden im ZESS und GRK / / /2014 IPP MOSES GRK1564 MOSES GRK1564 IPP 2014/2015 Obenstehende Grafik gibt die Zusammensetzung der in ZESS-Projekten tätigen Doktoranden in ebenfalls absoluten Zahlen wieder. Für die jüngsten Angaben wurden die Mitglieder in den strukturierten Promotionsprogrammen International Postgraduate Programme (IPP) und Multisensorics und Research School on Multi-Modal Sensor Systems for Environmental Exploration (MOSES) sowie alle weiteren unter dem gemeinsamen Titel MOSES zusammengefasst. Sie beinhaltet sowohl die vom ZESS direkt geförderten Stipendiaten als auch die Mitarbeiter, die im traditionellen Verfahren promovieren (Kollegiaten) und zum Teil über Landesstellen finanziert werden. Weiterhin sind die mit dem ZESS verbundenen Mitarbeiter des 2009 gestarteten Graduiertenkollegs (GRK 1564) Imaging New Modalities gesondert aufgelistet. Insgesamt gesehen blieb die Zahl der Doktoranden erfreulicherweise annähernd konstant. 55

55 Wissenschaftliche Publikationen Buchbeiträge und Artikel in Zeitschriften Zhang, H.; Deng, Y.; Wang, R.; Li, N.; Zhao, S.; Hong, F.; Wu, L.; Loffeld, O.: Spaceborne/Stationary Bistatic SAR Imaging With TerraSAR-X as an Illuminator in Staring-Spotlight Mode, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. PP, no. 99, pp. 1-14, Hilgendorff, P. M.; Grigorescu, A.; Zimmermann, M.; Fritzen, C.-P.; Christ, H. J.: Simulation of the interaction of plastic deformation in shear bands with deformation-induced martensitic phase transformation in the VHCF regime, Key Engineering Materials, Vol. 664, pp , Behner, F.; Reuter, S.; Nies, H.; Loffeld, O.: Synchronization and Processing in the HITCHHIKER Bistatic SAR Experiment, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, Vol. 9, no. 3, pp , Gorfman, S.; Choe, H.; Shvartsman, V. V.; Ziolkowski, M.; Vogt, M.; Strempfer, J.; Lukasiewicz, T.; Pietsch, U.; Dec, J.: Time-Resolved X-Ray Diffraction Reveals the Hidden Mechanism of High Piezoelectric Activity in a Uniaxial Ferroelectric, Physical Review Letters, Vol. 114, p , Vaziri, S.; Smith, A.; Östling, M.; Lupina, G.; Dabrowski, J.; Lippert, G.; Mehr, W.; Driussi, F.; Venica, S.; Lecce, Di V.; Gnudi, A.; König, M.; Ruhl, G.; Belete, M.; Lemme, M.: Going ballistic: Graphene hot electron transistors, Solid State Communications, Vol. 224, pp , Smith, A.D.; Vaziri, S.; Rodriguez, S.; Östling, M.; Lemme, M.C.: Large Scale Integration of Graphene Transistors for Potential Applications in the Back End of the Line, Solid State Electronics, Vol. 108, pp , Niu, Y.; Fritzen, C.-P.; Jung, H.; Buethe, I.; NI, Y. Q.; Wang, Y.-W.: Online Simultaneous Reconstruction of Wind Load and Structural Responses - Theory and Application to Canton Tower, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, Vol. 30, no. 8, pp , Vaziri, S.; Belete, M.; Litta, Dentoni E.; Smith, A.; Lupina, G.; Lemme, M.; Östling, M.: Bilayer Insulator Tunnel Barriers for Graphene-based Vertical Hot-Electron Transistors, Nanoscale, Vol. 7, pp , Seel, A.; Davtyan, A.; Pietsch, U.; Loffeld, O.: Norm minimized Scattering Data from Intensity Spectra: Feasible Computations,, Heredia Conde, M.; Hartmann, K.; Loffeld, O.: Adaptive High Dynamic Range for Time-of-Flight Cameras, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 64, no. 7, pp , Schroth, P.; Köhl, M.; Hornung, J.; Dimakis, E.; Somaschini, C.; Geelhaar, L.; Biermanns, A.; Bauer, S.; Lazarev, S.; Pietsch, U.; Baumbach, T.: Evolution of Polytypism in GaAs Nanowires during Growth Revealed by Time-Resolved in situ x-ray Diffraction, Physical Review Letters, Vol. 114, p , Köhl, M.; Schroth, P.; Minkevich, A. A.; Hornung, J.-W-; Dimakis, E.; Somaschini, C.; Geelhaar, L.; Aschenbrenner, T.; Lazarev, S.; Grigoriev, D.; Pietsch, U.; Baumbach, T.: Polytypism in GaAs nanowires: determination of the interplanar spacing of wurtzite GaAs by X-ray diffraction, Journal of Synchrotron Radiation, Vol. 22, no. 1, pp , Sailan, K.; Kuhnert, K.D.: Speed Control of Unmanned Ground Vehicle for Non Autonomous Operation, International Journal of Materials Science and Engineering, Vol. 3, no. 1, pp. pp , Lambers, M.; Hoberg, S.; Kolb, A.: Simulation of Time-of- Flight Sensors for Evaluation of Chip Layout Variants, In IEEE Sensors Journal, Vol. 15, no. 7, pp , Langerwisch, M.; Kraemer, Steven M.; Kuhnert, K.; Wagner, B.: Construction of 3D Environment Models by Fusing Ground and Aerial Lidar Point Cloud Data in Intelligent Autonomous Systems, Intelligent Autonomous Systems 13, Part IV, Springer International Publishing, 2015, pp

56 PUBLIKATIONEN UND AKTIVITÄTEN Salammal, T. S.; Dai, S.; Pietsch, U.; Grigorian, S.; Koenen, N.; Scherf, U.; Kayunkid, N.; Brinkman, M.: Influence of alkyl side chain length on the in-plane stacking of room temperature and low temperature cast poly(3-alkylthiophene) thin films, European Polymer Journal, Vol. 67, p , Derwich, W.; Wittek, A.; Pfister, K.; Nelson, K.; Bereiter- Hahn, J.; Fritzen, C.-P.; Blase, C.; Schmitzrixen, T.: High Resolution Strain Analysis Comparing Aorta and Abdominal Aortic Aneurysm with Real Time 3D Speckle Tracking Ultrasound, European Journal of Vascular and Endovascular Surgery, Vol. 49, Kolb, A.; Zhu, J.; Yang, R.: Sensor Fusion, Digital Representations of the Real World: How to Capture, Model, and Render Visual Reality, AK Peters / crc Press, 2015, pp Pashniak, N.; Abboud, A.; Send, S.; Dönges, B.; Hüsecken, A.K..; Christ, H.-J.; Pietsch, U.: Application of Energy Dispersive PnCCD Detector in Material Science Using Hard X-Rays, TMS2015 Supplemental Proceedings, John Wiley & Sons, Inc., 2015, pp Bussone, G.; Schäfer-Eberwein, H.; Dimakis, E.; Biermanns, A.; Carbone, D.; Tahraoui, A.; Geelhaar, L.; Haring-Bolívar, P.; Schülli, U. T.; Pietsch, U.: Correlation of Electrical and Structural Properties of Single As-Grown GaAs Nanowires on Si (111) Substrates, Nano Letters, Vol. 15, no. 2, p. pp , Kolb, A.; Pece, F.: Range Imaging, Digital Representations of the Real World: How to Capture, Model, and Render Visual Reality, AK Peters / crc Press, 2015, pp Steiner, H.; Sporrer, S.; Kolb, A.; Jung, N.: Design of an Active Multispectral SWIR Camera System for Skin Detection and Face Verification, In Journal of Sensors, Vol. 2016, no. Article ID (0), Wang, R.; Wang, W.; Shao, Y.; Hong, F.; Wang, P.; Deng, Y.; Zhang, Z.; Loffeld, O.: First Bistatic Demonstration of Digital Beamforming in Elevation With TerraSAR-X as an Illuminator, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 54, no. 2, pp , Keller, J.; Goebel, M.: Oscillometric-Volumetric Measurements of Pure Gas Adsorption Equilibria Devoid of the Non-Adsorption of Helium Hypothesis, Adsorption Science&Technology, Vol. 33, no. 9, pp , Wittek, A.; Derwich, W.; Karatolios, K.; Fritzen, C.-P.; Vogt, S.; Schmitz-Rixen, T.; Blase, C.: A Finite Element Updating Approach for Identification of the Anisotropic Hyperelastic Properties of Normal and Diseased Aortic Walls from 4D Ultrasound Strain Imaging, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Lupina, G.; Kitzmann, J.; Costina, I.; Lukosius, M.; Wenger, C.; Wolff, A.; Vaziri, S.; Östling, M.; Pasternak, I.; Strupinski, W.; Kataria, S.; Gahoi, A.; Lemme, M.; Ruhl, G.; Zoth, G.; Luxenhofer, O.; Meh, W.: Residual metallic contamination of transferred chemical vapor deposited graphene, ACS Nano, Vol. 9, no. 5, pp , Sarbolandi, H.; Lefloch, D.; Kolb, A.: Kinect Range Sensing: Structured-Light versus Time-of-Flight Kinect, In Journal of Computer Vision and Image Understanding, Vol. 13, pp. 1-20, Torres-Arredondo, M. A.; Tibaduiza, D. A.; Buethe, I.; Mujica, L. E.; Vejar, M. A.; Rodellar, J.; Fritzen, C.-P.: Validation of Damage Identification using Non-linear Data-Driven Modelling, Encyclopedia of Information Science and Technology, Third Edition, IGI Global, 2015, pp Ginsberg, D.; Ruby, M.; Fritzen, C.-P.: Load identification approach based on basis pursuit denoising algorithm, Journal of Physics, Conference Series, Vol. 628, no. 1, p ,

57 Heredia Conde, M.; Hartmann, K.; Loffeld, O.: Simultaneous Multichannel Waveform Recovery of Illumination Signals Using Compressed Sensing, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 27, no. 4, pp , Del, S.K.; Bornemann, R.; Bablich, A.; Schäfer-Eberwein, H.; Li, J.; Kowald, T.; Östling, M.; Haring-Bolívar P.; Lemme, C. M.: Optimizing the optical and electrical properties of graphene ink thin films by laser-annealing, 2D Materials, Vol. 2, no. 1, p , Davtyan, A.; Biermanns, A.; Loffeld, O.; Pietsch, U.: Random arrangement of the phase domains in single nanowires, Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances, Vol. 71, no. a1, p. 157, Torres-Arredondo, M. A.; Tibaduiza, D. A.; Buethe, I.; Mujica, L. E.; Vejar, M. A.; Rodellar, J.; Fritzen, C.-P.: Methodologies of Damage Identification using Non-linear Data-Driven Modelling, Encyclopedia of Information Science and Technology, Third Edition, IGI Global, 2015, pp Werblinski, T.; Mittmann, F.; Altenhoff, M.; Seeger, T.; Zigan, L.; Will, S.: Temperature and water mole fraction measurements by time - domain - based supercontinuum absorption spectroscopy in a flame, Appl. Phys. B, Vol. 118, p , Heredia Conde, M.; Hartmann, K.; Loffeld, O.: A Compressed Sensing Framework for Accurate and Robust Waveform Reconstruction and Phase Retrieval Using the Photonic Mixer Device, IEEE Photonics Journal, Vol. 7, no. 3, pp. 1-16, Niedermeier M.; He X.; de Meer H.; Buschmann C.; Hartmann K.; Langmann B.; Koch M.; Fischer S.; Pfisterer D.: Critical Infrastructure Surveillance Using Secure Wireless Sensor Networks, Journal of Sensor and Actuator Networks, Vol. 4, no. 4, pp , Werblinski, T. ; Mittmann, F. ; Altenhoff, M. ; Seeger, T. ; Zigan, L. ; Will, S.: Flame Temperature Measurements by Time-domain Based Supercontinuum Absorption Spectroscopy Physics Procedia 66, S (2015) Seeger, T. ; Schlüter, S. ; Lukyanov G.: Potential of Raman Based Sensor System for an Online Analysis of in- and Exhaled Human Breath Events Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 16, S (2015) Schlüter, S.; Krischke, F.; Popovska-Leipertz, N ; Seeger, T.; Breuer, G.; Jeleazcov, C. ; Schüttler J. ; and Leipertz, A.: Demonstration of a Signal Enhanced Fast Raman Sensor for Multi species Gas Analysis at a Low Pressure Range For Anesthesia Monitoring; J. Raman Spectrosc. 46, S (2015) Schlüter, S.; Asbach, S.; Popovska-Leipertz, N.; Seeger, T.; Leipertz, A.: A Signal Enhanced Portable Raman Probe for Anesthetic Gas Monitoring Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 15, S (2015) Tröger, J. W.; Seeger, T.: Non-intrusive Gas-Phase Thermometry for Industrial Oxy-Fuel Burners; Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 15, S (2015) Seeger, T. ; Schlüter, S. ; Popovska-Leipertz, N.; Leipertz, A.: Laserbasiertes Anästhesiegas-Monitoring mit einer Raman-Sonde, Proc. IEEE Meeting Medizinische Messtechnik, S (2015) Gao, Y.; Seeger, T. ; Leipertz, A.: Development of Temperature Evaluation of Pure Rotational Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (RCARS) Spectra Influenced by Spatial Averaging Effects; Proc. Combust. Inst. 35, S (2015) Werblinski, T. ; Mittmann, F.; Altenhoff, M. ; Seeger, T. ; Zigan, L.; Will, S.: Temperature and Water Mole Fraction Measurements by Time Domain Based Supercontinuum Absorption Spectroscopy in a Flame; Appl. Phys. B 118, S (2015) 58

58 Begutachtete Konferenzbeiträge Brisken, S.; Ender, J.: Block-sparse 3-D ISAR image reconstruction in a non-coherent multistatic scenario, Radar Conference (RadarCon), 2015 IEEE, Arlington, Virginia, USA, May, 2015, pp Beigpour, S.; Pederson, M.: Color Play: Gamification for Color Vision Study, In AIC 2015, Color and Image, Midterm Meeting of the Association Internationale de la Couleur, Smielik, I.; Müller, K.; Kuhnert, K.: Fish motion simulation, 29th European Simulation and Modelling Conference - ESM 2015, Leicester, United Kingdom, October 26-28, Heredia Conde, M.; Hartmann, K.; Loffeld, O.: Structure and rank awareness for error and data flow reduction in phase-shift-based ToF imaging systems using compressive sensing, Compressed Sensing Theory and its Applications to Radar, Sonar and Remote Sensing (CoSeRa), rd International Workshop on, 2015, pp Paetzold, M.; Kolb, A.: Grid-Free Out-Of-Core Voxelization to Sparse Voxel Octrees on GPU, In Proc. ACM/ Eurographics High Performance Graphics, Los Angeles, California, 2015, pp Lefloch, D.; Weyrich, T.; Kolb, A.: Anisotropic Point-Based Fusion, In International Conference on Information Fusion (FUSION), Washington, DC, 6-9 July, 2015, pp Schumacher, M.; Blanz, V.: Exploration of the Correlations of Attributes and Features in Faces, 11th IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG 2015), Ljubljana, Slovenia, May 4-8, Schlechtriemen, J.; Wirthmueller, F.; Wedel, A.; Breuel, G.; Kuhnert, K.: When will it change the lane? A probabilistic regression approach dealing with rarely occurring events, IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV 2015), Seoul, Korea, June 28 - July 1, 2015, pp Nguyen Xuan, V.; Weihs, W.; Loffeld, O.: Illumination, phase step optimization and improvements in simultaneous multiple frequency measurement for Timeof-Flight sensors, 3D Imaging (IC3D), 2015 International Conference on, 2015, pp Brueck, S.; Christ, H. J.; Schippl, V.; Fritzen, C.-P.; Schwarz, M.; Weihe, S.: In-situ-Beobachtung der Ermüdungskurzrissausbreitung mittels Rasterelektronenund konfokalem Laser-Mikroskop zur Ermittlung und Modellierung des Wasserstoffeinflusses, Tagung Werkstoffprüfung, Bad Neuenahr, Ginsberg, D.; Fritzen, C.-P.: Sparse Solution Strategy for Simultaneous Localization and Magnitude Estimation of Impact Loads, CANSMART 2015, Vancouver, Hoegg, T.; Koehler, C.; Kolb, A.: Component based data and image processing systems - A conceptual and practical approach, In Software Engineering and Service Science (ICSESS), th IEEE International Conference on, Beijing, Sept., 2015, pp Oleiwi, B. K.; Al-Jarrah, R.; Roth, H.; Kazem, B. I.: Integrated Motion Planning and Control for Multi Objectives Optimization and Multi Robots Navigation, 2nd IFAC Conference on Embedded Systems, Computer Intelligence and Telematics CESCIT 2015, Maribor, Slovenia, June, 2015, pp Wahrburg, J.; Roth, H.; Scale, D.; Von Schillling, A.; Winkler, G.; Spetzger, U.; Sahm, S.: An approach for minimal invasive insertion of pedicle screws using a navigated robotic assistance system, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Neurochirurgie (DGNC 2015, keynote lecture), Karlsruhe, Germany, Hochstetter, H.; Wurm, M.; Kolb, A.: Vector Field Visualization of Advective-Diffusive Flows, In Computer Graphics Forum (EuroVis 2015), Cagliari, Italy, May, 2015, pp Kerstein, T.; Roth, H.; Wahrburg, J.: Structural 3D Point Pattern Matching Using Iteratively Reweighted Feature Compatibilities, ICPRAM 2015, Lisbon, Portugal, Jan , 2015, pp Al-Jarrah, R.; Shahzad, A.; Roth, H.: Path Planning and Motion Coordination for Multi-Robots System using Prob-abilistic Neuro-Fuzzy, 2nd IFAC Conference on Embedded Systems, Computer Intelligence and Telematics CESCIT 2015, Maribor, Slovenia, June, 2015, pp

59 Moix-Bonet, M.; Eckstein, B.; Loendersloot, R.; Wierach, P.: Identification of Barely Visible Impact Damages on a Stiffenred Composite Panel with a Probability-based Approach, International Workshop on Structural Health Monitoring 2015, Stanford, Lemme, M. C.: Graphene and Related Two-Dimensional Materials Future Device Options for More Than Moore Applications, Colloque MINOS 2015, Grenoble, Frankreich, , Alghabi, F.; Schipper, U.; Kolb, A.: A Scalable Software Framework for Stateful Stream Data Processing on Multiple GPUs and Applications, 2013 Symposium on GPU Computing and Applications, 2015, pp Hoegg, T.; Baiz, C.; Kolb, A.: Online improvement of time-of-flight camera accuracy by automatic integration time adaption, In Signal Processing and Information Technology (ISSPIT), 2015 IEEE International Symposium on, Abu Dhabi, 7-10 Dec., 2015, pp Loendersloot, R.; Buethe, I.; Michaelides, P.; Moix-Bonet, M.; Lamperas, G.: Damage Identification in Composite Panels - Methodologies and Visualisation, Smart Intelligent Aircraft Structures (SARISTU) - Proceedings of the Final Project Conference, Moskau, Baccouche, B.; Keil, A.; Kahl, M.; Haring Bolívar, P.; Loeffler, T.; Jonuscheit, J.; Friederich, F.: A Sparse Multistatic Imaging System For Terahertz Volume Inspection, Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), th International Conference on, Hong Kong, August, 2015, pp Loffeld, O.; Espeter, T.; Heredia Conde, M.: From weighted least squares estimation to sparse CS reconstruction, Compressed Sensing Theory and its Applications to Radar, Sonar and Remote Sensing (CoSeRa), rd International Workshop on, Pisa, Italy, June, 2015, pp Beigpour, S.; Kolb, A.; Kunz, S.: A Comprehensive Multi- Illuminant Dataset for Benchmarking of Intrinsic Image Algorithms, In Proc. IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV), 2015, pp Lemme, M. C.: 2D Materials for 3D Devices, NSF EU Workshop on 2D Layered Materials and Devices, Arlington, USA, April 22-24, Illarionov, Y.; Waltl, M.; Smith, D. A.; Vaziri, S.; Ostling, M.; Mueller, T.; Lemme, C. M.; Grasser, T.: Hot-carrier degradation in single-layer double-gated graphene fieldeffect transistors, Hot-carrier degradation in single-layer double-gated graphene field-effect transistors, Monterey, CA, USA, April 19-23, Heredia Conde, M.; Shahlaei, D.; Blanz, V.; Loffeld, O.: Efficient and Robust Inverse Lighting of a Single Face Image using Compressive Sensing, Proceedings of Inverse Rendering Workshop (ICCV 2015), Santiago, Chile, December 7-13, 2015, pp Buethe, I.; Fritzen, C.-P.: Quality Assessment for the EMIbased Inspection of PWAS, International Workshop on Structural Health Monitoring 2015, Stanford, Gao, Y.; Seeger, T.; Leipertz, A.: Development of Temperature Evaluation of Pure Rotational Coherent Anti- Stokes Raman Scattering (RCARS) Spectra Influenced by Spatial Averaging Effects, Proc. Combustion Institute, 2015, pp Lemme, M. C.: High Sensitivity of Graphene-based Sensors Opportunities and Challenges, GrapChina, Qingdao, China, , Buethe, I.; Dominguez, N.; Jung, H.; Fritzen, C.-P.; Ségur, D.; Reverdy, F.: Path-based MAPOD using numerical simulations, Smart Intelligent Aircraft Structures (SARISTU) - Proceedings of the Final Project Conference, Moskau, Bablich, A.; Lemme, M C..: Carbon-based devices for More than Moore, International Workshop on 2D Materials and Devices, Grenoble, Frankreich, , Eckstein, B.; Bach, M.; Moix-Bonet, M.: Analysis of Loading Effects on Guided Ultrasonic Waves and Damage Assessment in a Full-scale CFRP Fuselage Structure, International Workshop on Structural Health Monitoring 2015, Stanford,

60 Schubert, L.; Bach, M.; Berger, U.; Buethe, I.; Fritzen, C.-P.; Jung, H.; Lieske, U.; Raddatz, F.: Towards the Deployment of Acousto-ultrasonics-based SHM in Industry, International Workshop on Structural Health Monitoring 2015, Stanford, Lemme, M. C.: Laser Annealing of 2D Material-based Inks, GrapChina, Qingdao, China, , Xiao, L.; Heide, F.; O Toole, M.; Kolb, A.; Hullin, B. M.; Kutulakos, N. K.; Heidrich, W.: Defocus Deblurring and Superresolution for Time-of-Flight Depth Cameras, In Proc. IEEE Conf. Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), Boston, MA, 7-12 June, 2015, pp Shahlaei, D.; Blanz, V.: Realistic Inverse Lighting from a Single 2D Image of a Face, Taken Under Unknown and Complex Lighting, 11th IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition (FG 2015), Ljubljana, Slovenia, May 4-8, Lemme, M. C.: High Sensitivity of Graphene-based Sensors Opportunities and Limitations, Graphene 2015, Bilbao, Spanien, , Stock, D.; Haring Bolívar, P.: Comparison of modelbased material parameter extraction in frequency- and time-domain, Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), th International Conference on, Hong Kong, August, 2015, pp Yao, W.; Loffeld, O.; Datcu, M.: A hierarchical patch clustering method for high-resolution TerraSAR-X images, 2015 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS)},, 2015, pp Passi, V.; Gahoi, A.; Riazimehr, S.; Wagner, S.; Bablich, A.; Kataria, S.; Lemme, M.: CVD grown Graphene for Opto- Electronic Applications, Functional nanomaterials and devices, Lviv, Ukraine, , Tröger, J. W.; Seeger, T.: Oxy-fuel Combustion Analysis in an Industry Relevant Furnace via Vibrational CARS Thermometry, Gordon Research Conference on Laser Diagnostic in Combustion, Waterville, NH, USA, August 2015 Tröger, J. W.; Seeger, T.: High Temperature Vibrational O2 CARS Thermometry Applied to a Turbulent Oxy-Fuel Combustion Process, European Conference on nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2015), Leuwen, Belgien, April 2015 Seeger, T.: Laser Based Sensor systems for Gas Phase Diagnostics, Kolloquium Lund Institute for Combustion Physics, Lund, Schweden 2016 Tröger, J. W.; Seeger, T.: Temperaturmessungen in einer Oxy-Fuel Verbrennung an einem industrie-relevanten Hochtemperaturprüfstand mittels einer Vibrations- CARS Messsonde, DGG-Fachausschusssitzungen Glasschmelztechnologie, Mainz, März 2015 Seeger, T.: Spontaneous Raman Scattering a Tool for Gas Phase Measurements, Sensorica 2015, St. Petersburg, Russland, November 2015 Feldhaus, F. ; Schmitz, I. ; Asbach, S.; Seeger, T.: Development and Application Test of an Emission Spectroscopy Based Sensor for IC Engines, Sensorica 2015, St. Petersburg, Russland, November 2015 Fritzen, C.-P.: Structural Health Monitoring - Ziele, Methoden und Anwendungen, Tagung Werkstoffprüfung, Bad Neuenahr, Heredia Conde, M.; Hartmann, K.; Loffeld, O,: Crosstalk characterization of PMD pixels using the spatial response function at subpixel level, Proc. SPIE 9393, Three- Dimensional Image Processing, Measurement (3DIPM), and Applications 2015, March 17, 2015, pp L-93930L

61 Mitarbeit in Arbeitsgruppen, Gremien Conference, DRC: Device Research Conference, ULIS: International Conference on Ultimate Integration on Silicon) Prof. Dr. h. c. U. Pietsch Dean of Faculty of Science and Technology at Siegen University Member of Technical Program Committee of IEDM conference (International Electron Device Meeting), Nano-Device technology Since 2015 Sprecher of the VDE/GMM Fachgruppe Integrierte nanoelektronische und photonische Bauelemente und Systeme German representative of council of European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) Head of Maschinen und Apparate Komitee (MEC) der Dortmunder Synchrotronanlage DELTA German delegate in ESRF council Chair of European Synchrotron User Organization (ESUO) Prof. Dr. C.-P. Fritzen Chief Editor Structural Monitoring and Maintenance Chairman of the international Committee Hans-Juergen Schmidt Award Prof. Dr. M. Lemme Sprecher der Fachgruppe Graphen und 2-dimensionale Materialien im Landescluster NRW Vorstandsmitglied des Vereins NMWP ev (NanoMikroWerkstoffePhotonik.NRW) Mitglied im Programmkomitee für die Konferenzen ESSDERC, DRC und ULIS Intl. Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford Univ., CA, Sept Mitglied Fachausschuss Zustandsüberwachung der DGZfP (Deutsche Gesellsch. für zerstörungsfreie Prüfung), Berlin. Member Scientific Committees: Intl. Conference on Smart Materials and Structures, Vancouver, BC, Canada, July 2015 (ESSDERC: European Solid State Device Research 62

62 Nachwuchs der Universität Siegen Kuratoriumsmitglied des Zentrums für ökonomische Bildung (ZöBiS) Mitglied des Beirats der Südwestfalen Regionale 2013 Prof. Dr. O. Loffeld Mitglied des Fraunhofer FKIE Kuratoriums Mitglied des Beirats der Fraunhofer Vision Allianz Kurator des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik, FHR Sprecher der NRW Research School on Multi Modal Sensorsystems for Environmental Exploration and Safety (MOSES) Sprecher International Postgraduate Programme Multi Sensorics Aufsichtsratsmitglied der Automotive Center Südwestfalen GmbH Mitglied der Senatskommission Struktur & Innovation der Hochschulrektorenkonferenz Sprecher der Smart Specialization Strategy Group der EUA Mitglied im Beraterausschuss der Landesregierung Nordrhein-Westfalen für die Beurteilung von wissenschaftlichen Leistungen oder Verdiensten Mitglied im Wissenschaftlichen Beirat des Forschungskolleg Zukunft Menschlich Gestalten (FoKoS) Mitglied der Senatskommission für EU Forschung der Hochschulrektorenkonferenz (HRK) Mitglied der Senatskommission für Innovation der Hochschulrektorenkonferenz (HRK) Prof. Dr. P. Haring Bolívar Repräsentant der europäischen Universitäten (EUA) bei der Europäischen Kommission im Kontext der Strukturfonds ( structured dialogue group ) Gründungsmitglied des Virtuellen Instituts METAMORPHOSE VI Gründungsgesellschafter der TeraTec Systems GmbH. Beiratsmitglied der KM:SI GmbH Prorektor für Forschung und Wissenschaftlichen 63

63 Dr. K. Hartmann Prof. Dr. J. H. G. Ender Sachverständiger für Lasermesstechnik im Sport, UIPM (Moderner Fünfkampf) AMA-Verband für Sensorik, Wissenschaftsrat VDI-ITG Fachbereich 7: Fachbereichsleiter Hochfrequenztechnik Ender, J. H. G.: IEEE Fellow (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Mitglied des Rates der DGON (Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation) Mitglied des IMA (Institut für Mikrowellen- und Antennentechnik e. V.) EUSAR 2016, Hamburg, Program Board Member CoSeRa 2015, Pisa, General Chair Prof. Dr. A. Kolb Sprecher des DFG Graduiertenkollegs 1564 Prodekan für Forschung und Wissenschaftlichen Nachwuchs der Naturwissenschaftlich- Technischen Fakultät der Universität Siegen Prof. Dr. K.-D. Kuhnert Mitarbeit in UAVInsys und Air 64

64 65

65 Master- und Diplomarbeiten Paul Kienitz: Deposition von Graphenschichten auf beschichtetem Stahl Carl Philipp Koppen: Ansteuerkonzept für ein Rolling-Shutter-3D-Pixel-Array mit zeilenweiser Modulation unter Verwendung von shared PMDs Peter Marchel: Simulation der Verdunstung und Kondensation von SPHbasierten Flüssigkeiten Jan Christopher Grimm: Fluid Surface Reconstruction Using a Time-of-Flight Camera Simon Theiß: Analysis of a pulse-based ToF camera for automotive application Patrik Bieker: Entwicklung von Vorhersage-Kriterien zur Steifigkeitsänderung von Aluminium-Schmiederädern während der Biege-Umlauf-Prüfung (BUP) auf Grundlage bruchmechanischer Methoden Dennis Preljevic: Computerunterstützte schwingungstechnische Auslegung von Antriebsspindeln für Kaltwalzwerke Theoretische Modellierung und experimentelle Validierung Moise Tchouateu Kamayou: Analyse, Vergleich und Optimierung von Systematiken zur Auslegung von dynamisch beanspruchten Elastomer- Bauteilen des Drehstablagers der Daimler MFA Hinterachse Simon Meyer: Wirtschaftliche und konstruktive Untersuchung einer mechanischen Hilfsanstellung Maren Müller: Konstruktion einer kostengünstigen Haltevorrichtung für Förderkörbe mittlerer Nutzlasten in der vertikalen Schachtfördertechnik Christoph Schmidt: Operationelle Modalanalyse zur Überwachung eines Rotorblattes einer Kleinwindenergieanlage Jonathan Menk: Entwicklung, Auslegung und fertigungstechnische Bewertung eines Seilspulsystems für Trommelfördermaschinen mit Mehrlagenwicklung Sascha Asbach: Entwurf, Konstruktion und experimentelle Voruntersuchungen einer optischen Messsonde für Verbrennungsvorgänge Jan Klaproth: CARS Thermometrie in rußenden Flammen mittels Raman-aktiver Kristalle: Inbetriebnahme und Optimierung der Messmethode Christian Meißner: Implementierung eines KGd(WO4)2-Raman-Kristalls in einem Pikosekunden-CARS-Messsystem zur Thermometrie in rußenden Flammen 66

66 Bachelor-Theses Andreas Heidrich: Constrained Super-Resolution of Direct and Global Component Images using L1-L2 Optimization Simon Scheckel: Effiziente 2D-Verdeckungsberechnung Edgard Bader: Farbenrendering für Kamera-akquirierte 3D Modelle Tobias Reitz: Berechnung von Spannungsintensitätsfaktoren in elastisch-anisotropen Werkstoffen unter Verwendung einer 2D Randelementemethode Stefan Schulte: Konstruktion und Inbetriebnahme eines Prüfstandes zur Ermittlung und dynamischen Belastungen im Eck- und Scherenlager eines Dreh-Kipp-Fensterbeschlages Timm Julian Peter: Potentialuntersuchung zur Einzelansteuerung der Momentenquellen eines Hybridtriebsstrangs hinsichtlich Komfort und Dynamik im Lastwechsel René Fischer: Entwicklung, Konstruktion und Prototypentest einer universellen, kompakten und preisgünstigen Messeinrichtung zur Erfassung der Zug-/Druckkräfte an einer verfahrenden Energieführungskette Rebecca Zapletal: Entwicklung eines wirtschaftlichen Verfahrens zum Abformen von hydrostatischen Führungen in Werkzeugmaschinen Dennis Hüsch: Erstellen eines Auswertealgorithmus zur Validierung von Schadensindikatoren piezoelektrischer Wandler für verschiedene Schadensarten Studienarbeiten / Projectworks Christian Weisenstein: Entwicklung eines CVD-Graphen Transferverfahrens mittels PMDS-Stempel Timo Klöckner: Untersuchung und Entwurf einer PMD-Ausleseschaltung mit Correlated Double Sampling Jyoti Sehrawat: Graphen-Transfermethoden Christian Meißner Charakterisierung und Inbetriebnahme einer Pikosekunden-Rotations- CARS-Messsonde Christian Meißner Konzeption, Aufbau und Einsatz einer Vibrations- CARS-Messsonde zur Thermometrie in einem Oxy-Fuel-Hochtemperaturprüfstand Franz Jürgen Wultschner Einsatz eines Ba(NO3)2-Raman Kristalls zur Pikosekunden-CARS-Temperaturanalyse 67

67 Im Jahr 2015 verzeichnet das Zentrum acht Promotionen. Die Konspekte der folgenden Seiten sollen als Indikator für die Qualität der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses und damit für die Forschungsintensität unseres Instituts dienen. 68

68 Promotionen Promotionen Gracheva, V.: Multichannel analysis of medium grazing angle sea clutter for airborne microwave radar systems, Dissertation, Stuttgart, Fraunhofer Verlag, 2015, ISBN , 141 Seiten. Sczech, R.: Terahertz-Biosensorik : dielektrische long-range Moden für die THz-Analyse von Biomolekülen in stark absorbierenden Flüssigkeiten, Dissertation, Siegen, Germany, University of Siegen, 2015, 202 Seiten. Xing, KeJia: Experiments and simulation in structural health monitoring systems using the E/M impedance and cross transfer function methods, Dissertation, Siegen, Germany, University of Siegen, 2015, 131 Seiten. Kerstein, T.: Entwicklung von Verfahren und Elementen zur optischen 3D-Lokalisierung in der computerassistierten Chirurgie, Dissertation, Aachen, Germany, Shaker Verlag, 2015, ZESS Forschungsberichte (Band 31), ISBN Abboud, A.: Polychromatic X-ray diffraction using a pnccd : applications for material science, Dissertation, Siegen, Germany, University of Siegen, Kohlleppel, R.: Ground moving target tracking with space time adaptive radar, Dissertation,, University of Siegen, 2015, 190 Seiten. Böcking, T.: Grenzpotenziale von ottomotorischen Magerbrennverfahren hubraumkleiner aufgeladener Motoren mit Direkteinspritzung, Dissertation, Siegen, Germany, University of Siegen, 2015, 165 Seiten Al-Jarrah, R. A.: Development of cooperation between flying robot, ground robot and ground station with fuzzy logic and image processing, Dissertation, Siegen, Germany, University of Siegen, 2015, Fakultät IV: Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät. 69

69 Al-Jarrah, R. A.: Development of Cooperation Between Flying Robot, Ground Robot and Ground Station with Fuzzy Logic and Image Processing The aerial robots represent an interested and rich area of research because they are very useful to perform complex tasks such as image acquisition of unreachable areas, localization and tracking targets. To develop blimp system that is appropriate in diversity scenarios, an intelligent control with high autonomy degree is required. Thus, the main challenge in context of designing and navigation is the combination between intelligent control framework and small-light hardware components. Therefore, we design blimp robot based on embedded system then, we present several fuzzy sets models that should deal with autonomous,navigation and visual tracking problems. These models are empirically designed by combining the possibilities distributions theory with fuzzy logic. On the other hand, the use of cooperative robots system dramatically increases since it is appropriate solution in relation to performance, efficiency and reliability. The development of such cooperation system is one of the most demanding goals in artificial intelligence research and the most challenging issues here are the localization and tracking targets. Thus, this dissertation addresses the problem of tracking robots in parallel with achieving the cooperative behavior based on computer vision system and artificial intelligent control to improve the performance and efficiency of such system. Moreover, the thesis considers the use of computer vision system that can be applied to navigation and tracking missions. This system has been designed to detect and track either ground robots or 3D aerial object. In addition, considering use of wireless sensor network for estimation multi-targets locations and the distances between them is presented. Finally, the approaches that were developed in the thesis have been carried out and evaluated on the blimp robot. The extensive experiments have been done to demonstrate, analyze and validate the capabilities of such system as well as the properties of the proposed algorithms. Gutachter: 1. Gutachter : Prof. Dr.-Ing. Hubert Roth 2. Gutachter : Prof. Dr.-Ing. Madjid Fathi 70

70 Sczech, R.: Terahertz-Biosensorik : dielektrische long-range Moden für die THz-Analyse von Biomolekülen in stark absorbierenden Flüssigkeiten In bestimmten Regionen der Erde ist die medizinische Versorgung der Menschheit besser als je zuvor. Dennoch werden in industrialisierten Ländern wachsende Anteile der Bevölkerungen von beängstigenden Zivilisationskrankheiten erschüttert. Insbesondere Diabetes, Herz-Kreislaufund Krebserkrankungen, aber auch neurodegenerative Leiden wie Alzheimer, Altersdemenz oder Parkinson betreffen eine zunehmende Anzahl an Patienten. Eine Vielzahl an bioanalytischen Werkzeugen steht zur Verfügung, um auf molekularer Ebene solche Krankheiten zu erkennen. Für die frühzeitige Ergreifung effektiver Therapiemaßnahmen ist die klinische Diagnostik essenziell. Und dennoch wird aufgrund der physiologischen Komplexität des Menschen der gesamtheitliche Ablauf biochemisch relevanter Prozesse bislang nur rudimentär verstanden. Der Wunsch nach der Entschlüsselung krankheitsassoziierter Fehlfunktionen im biomolekularen Kontext formuliert eine der größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Mit der progressiven Erschließung der THz-Lücke in den letzten Jahren und im Einklang mit der Erkenntnis, dass Biomoleküle Resonanzen bei THz-Energien zeigen, hat die THz-Community damit begonnen, (patho-)physiologisch relevante Moleküle im THz-Frequenzbereich zu untersuchen. Für die Erhaltung der vollen Funktionalität der Analyten ist die molekulare Studie im wässrigen Milieu erforderlich. Da THz-Strahlung von Wasser absorbiert wird, sind diese Untersuchungen stark limitiert und die THz-Analyse erfolgt somit innerhalb der traditionellen THz-Sensorik- Aufbauten häufig unter nicht-physiologischen Bedingungen. Gegenwärtig existieren weder schnelle noch einfache Lösungen, um diese Barrieren zu überwinden. Für substanzielle Fortschritte ist die THz-Community gefordert, neue Strategien zu entwickeln, die eine Detektion und Charakterisierung von Biomolekülen unter physiologischen Bedingungen ermöglichen. Diese Arbeit ist die systematische Entwicklung einer alternativen Technologieplattform für die THz-Erfassung von Biomolekülen in wässrigen Medien. Innerhalb dieses sensorischen Konzepts werden THz- Wellen zu long-range Moden in µm-dünne flüssige Filme gekoppelt. Sowohl die Anregung dieser Moden als auch die Propagation über cm-weite Distanzen werden experimentell gezeigt. Im Vergleich zur THz-Absorption nach nur wenigen hundert Mikrometern in Bulkwasser lässt sich somit die Wechselwirkungsstrecke um bis zu vier Größenordnungen steigern. Die THz-sensorische Eignung dieses Ansatzes wird mit der Detektion des Biomoleküls Rinderserumalbumin nachgewiesen. Die Modellierung einer integrierten Bragg-Struktur unterstreicht darüber hinaus das signifikante Sensitivitätssteigerungspotenzial. Mit diesem Konzept eröffnet sich eine neue Perspektive für die THz- Analyse von Biomolekülen bei physiologischen Konzentrationen. Auf dem Weg zur THz-Sensorik unter physiologischen Bedingungen ist dieser Schritt von herausragender Bedeutung Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar 2. Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Holger Schönherr 71

71 Kohlleppel, R.: Ground moving target tracking with space time adaptive radar Ground moving target tracking by airborne radar provides situational awareness of vehicle movements in the supervised region. Vehicles are detected by applying space time adaptive processing to the received multi channel radar data. The detections are then fed to a tracking algorithm that processes them to tracks. In literature, radar signal processing and ground target tracking are treated as two separate topics and results are not validated by experimental data. The first objective of this thesis is to provide a closer link between these fields. The second objective is to show that tracking performance can be improved by providing additional data from the radar signal processing to the tracking step. The third objective is to validate the algorithm and the performance improvement using experimental data. As a result this thesis presents a unified treatment of ground moving target tracking from radar raw data to established tracks. A complete reference algorithm for ground moving target tracking based on the Gaussian mixture probability hypothesis density filter is presented. In particular, Jacobians of the observation process are derived. They are presented in such a form that immediate implementation in a programming language is possible. In the course of this thesis a measurement campaign with the experimental radar PAMIR of Fraunhofer FHR was conducted. The experiment included two GPS equipped reference vehicles and a multitude of targets of opportunity. Tracking results obtained with this experimental data and the reference tracking algorithm of this thesis are shown. The thesis also enhances the reference target tracking algorithm by a parameter that characterizes the variance of the direction of arrival measurement of the target signal. This parameter is determined adaptively depending on the estimated signal strength and the clutter background. The major contribution with regard to this enhancement is a thorough experimental validation: Firstly, a comparison between GPS based measurements and radar based measurements of the direction of arrival shows that this variance captures the distribution of measurement errors excellently. Secondly, tracking results are compared to the GPS tracks of the ground truth vehicles. It is found that the enhanced algorithm yields superior track quality with respect to both track accuracy and track continuity. Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Joachim Ender 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Otmar Loffeld 72

72 Abboud, A.: Polychromatic X-ray diffraction using a pnccd : applications for material science The need to understand material structural properties is driving the development of new experimental methods and tools of investigation and data analysis. For example, thinner mobile phones, efficient electronic devices and materials that can withstand high fatigue cycles are only a few of what the requirements for everyday appliances are. In the process, the physical properties of materials need to be understood at the micro level scale. In recent years, a variety of three dimensional depth probing techniques has been developed. These include non destructive methods such as X-ray micro computer tomography (CT), 3D X-ray diffraction, spatially resolved X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and tomography. Most of these techniques require time consuming sample scans that destabilize the experiment. Within this broad range of possible tools for material analysis, 2-dimensional, energy dispersive X-ray diffraction stands out as a non destructive and rapid probing technique, provided that the appropriate X-ray sources and suitable detection systems are available. Brilliant X-rays can be found in third generation synchro tron radiation facilities. These provide coherent X-rays with a continuous spread of wavelengths and micrometer focused beams. A synchrotron source also provides the sufficient intensity needed for time resolved studies. However, the detector technology still lags behind, limiting the complete exploitation of the capabilities of synchrotron radiation in research. Such limitations are attributed to the inability to simultaneously acquire the energy and the position of the diffracted photons from the material under investigation, which is crucial in order to avoid sample rotations. The pn-junction type CCD from pnsensor GmbH is a detector which provides a solution. This thesis focuses on developing methods in which the pnccd is utilized for polychromatic X-ray diffraction experiments. On one side it explores the possibilities to use the pnccd to resolve the energetic structure of Laue spots originating from deformed single crystals (Copper). This approach circumvents the need to know the energy of the incident beam on the sample as a priori to the measurement. On the other side, a metallic multilayer system (Iron-Platinum) is probed in a Grazing-incidence scattering experiment while annealing. The resulting inter-diffusion process is dynamically monitored on the time scale of few minutes, and at energies close the absorption edges of the sample material, in order to enhance electron density contrast. The developed methods make it possible to utilize the hight brilliant and polychromatic characteristics of new generation synchrotron radiation sources with a pnccd detector to improve materials understanding. Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr. h. c. Ullrich Pietsch 2. Gutachter: Prof. Dr. Lothar Strüder 73

73 Xing, KeJia: Experiments and simulation in structural health monitoring systems using the E/M impedance and cross transfer function methods As an enabling technology, Structural Health Monitoring (SHM) assesses the state of mechanical structures in real time in order to prevent accidents or disasters during the structures operational lifetime. According to basic principles, several methods in SHM techniques can be defined e.g. mechanical, electric, electro-mechanical and electro-magnetic methods. The focus of this work is on the Electro-Mechanical Impedance method (EMI) and Cross Transfer Function method. In this work, the EMI method is further developed for three different fields of application: self-diagnosis of bonded piezoelements, their sensing ability and their use for damage detection in fatigue experiments. Self-diagnosis is used to monitor whether the bonded piezoelectric elements either used as actuators or as sensors can continue to measure or function properly in SHM, which is decided by the change of the EM impedance spectrum. In the investigation of the sensing ability of piezoelectric elements, it is shown how the damage positions and the different frequency ranges of the input signals influence the element measurements using EMI spectrum. This is investigated experimentally in combination with the Spectral Element Method (SEM). In the last part of the work, EMI method is used to monitor the start of the crack in a vibrating aluminium plate in a fatigue experiment. Another focus of this work lies on a better localization of damage using phased array techniques. Such arrays consist of several piezoelectric elements arranged in a certain geometric way. By controlling the phase shift of the input signal between each piezoelectric element and the superposition of all outputs, a wave propagation with a desired direction is obtained, where the direction of propagation is determined by the phase shift. The proposed technique works in the frequency domain and is based on the Cross Transfer Function method which uses the transfer functions between different actuatorsensors permutations of the array. In the frequency domain, the phase shifts are implemented numerically after the experimental determination of the transfer functions using a computer algorithm. This can be seen as a big advantage of the Cross Transfer Function method which makes it more flexible and efficient. The results show that the damage indicators are especially large in those directions where the damage is located. Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Claus-Peter Fritzen 2. Gutachter: Prof. Dr. Alfredo Guemes 74

74 Gracheva, V.: Multichannel analysis of medium grazing angle sea clutter for airborne microwave radar systems Piracy, smuggling and illegal fishery threaten the overall security on oceans and seas. These threats typically arise from small and agile boats and are distributed over large areas. To control them, small maritime targets have to be detected and observed. Maritime airborne radar systems are capable of monitoring large areas and are therefore suitable to accomplish this challenge. The detection of small boats, however, is still an unresolved task due to the small radar cross section (RCS) of these boats. Additionally, the RCS of sea clutter rises for high altitude platforms due to the higher grazing angle, hence targets with low signal-to-clutter plus noise ratios (SCNR) have to be detected. In order to investigate the appropriate processing to detect small boats from airborne radars, data from experiments over the North Sea with the multichannel radar system PAMIR and a small cooperative boat is evaluated in this thesis. This analysis demonstrates on one hand that traditional processing is not sufficient to detect these maritime targets, and on the other hand that with space-time adaptive processing (STAP) superior detection performance is achieved. To apply STAP to a maritime airborne radar system, it is desirable to know its performance in advance. To accomplish this, the multichannel characteristics of sea clutter have to be understood. This thesis derives theoretical and simulation multichannel models by analyzing the spectral density matrix, the space-time filter and the channel correlation of sea clutter. Different multichannel properties for sea clutter compared to land clutter are demonstrated, which are due to the varying motion of sea echoes and due to different sea scattering types. An important implication of this difference is the broadening of the space-time filter notch in dependence on the sea condition. To confirm the predicted properties, three measurement campaigns with the airborne radar system PAMIR were performed, where real multichannel sea data was acquired for different swell directions, two different grazing angles and significantly varying sea states. This thesis demonstrates the reproducibility of sea clutter multichannel characteristics of real data for different sea conditions with the help of calculations and simulations, which are introduced in this analysis. Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Joachim Ender 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Otmar Loffeld 75

75 Kerstein, T.: Entwicklung von Verfahren und Elementen zur optischen 3D-Lokalisierung in der computerassistierten Chirurgie Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung neuer Verfahren für die optische 3D-Lokalisierung in der computerassistierten Chirurgie (CAS) auf Basis alternativer synthetischer Landmarken, die als X-Marker bezeichnet und mithilfe kompakter Stereokameras im sichtbaren Lichtspektrum erfasst werden. Die wesentliche Zielsetzung besteht dabei in der Verbesserung der Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit der optischen Lokalisierung insbesondere im Hinblick auf die Vereinfachung der Vorbereitung und Einrichtung des benötigten Instrumentariums im Vorfeld einer Operation. Ausgehend von der Entwicklung eines Verfahrens für die robuste Detektion und präzise Lokalisierung einzelner X-Marker im Submillimeterbereich wird ein neues Verfahren für die strukturbasierte Identifikation und Lokalisierung von Anordnungen mehrerer X-Marker (sog. Referenzkörper) entwickelt. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen können die Marker dabei nahezu beliebig angeordnet sein und an Instrumenten und Strukturen sowie auch direkt auf der Haut des Patienten durch Aufkleben befestigt werden. Um die dabei auftretenden Hautverformungen zu erfassen, wird zusätzlich ein Verfahren zur Rekonstruktion von Oberflächenverformungen vorgestellt, sodass diese bei der Instrumentenführung mitberücksichtigt werden können. Als Implementierungsgrundlage für die entwickelten Verfahren wird zudem ein modulares Software-Framework erstellt. Alle Verfahren werden experimentell mit Versuchsanordnungen validiert, die die Anforderungen chirurgischer Anwendungen nachbilden. Abschließend wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Verfahren in der computerassistierten Chirurgie konkret am Beispiel des computergestützten Einsatzes einer Hüftendoprothese skizziert. Gutachter: 1. Gutachter: Professor Dr. -Ing. Hubert Roth 2. Gutachter: Professor Dr. -Ing. Michael Weyrich 76

76 Böcking, T.: Potential of a new lean burn process for reducing the CO2 emissions of turbocharged spark ignited engines with direct injection Within the scope of this thesis a new lean burn process combining homogeneous and stratified charge combustion for reducing the fuel consumption of turbocharged spark ignited direct injection engines is presented. It is widely recognised that the operation of spark ignited engines with excess air is one of the most promising methods to achieve a large fuel consumption improvement. The combination of lean burn combustion with technologies like for instance a variable valve train, an increased charge motion, an innovative ignition system or an improved turbocharger offers enormous potential for reducing fuel consumption and consequently also CO2 emissions of small capacity engines with turbocharging and direct injection. After considering the current state of scientific knowledge and developing a strategy for achieving a large fuel consumption improvement on the one hand and a reduction of nitrogen oxide emissions on the other hand experimental investigations on diverse single- and four-cylinder engines were carried out in order to quantify these potentials. The findings can be summarised as follows: - By combining the homogeneous-lean, homogeneous stratified and the strat ified charge combustion in one engine map a significant benefit in fuel consumption can be achieved. - To limit the additional expenses regarding the exhaust gas aftertreatment the engine-out nitrogen oxide emissions have to be reduced. Therefore, the dilution of the mixture has to be maximised. Depending on the engine operation point, the residual-gas/ air mixture should be adjusted. - A significantly increased charge motion allows a reduction of pollutant emissions in lean operation as well as an expansion of the engine load range operated so far. - A high level of charge motion does not conflict with the stratified charge combustion at low part load in general. Gutachter: 1. Gutachter: Professor Dr. -Ing. Holger Foysi 2. Gutachter: Professor Dr. -Ing. Thomas Seeger 77

77 Kooperationen mit Universitäten Universität Karlsruhe Institute of process control and robotics (IPR) Karlsruhe Universität Frankfurt Physikalisches Institut Frankfurt Universität Stuttgart Institut für Technische Optik (ITO) Stuttgart Universität Heidelberg Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) Heidelberg University of Adelaide, Australia School of Electrical & Electronic Engineering Sensor Signal Processing (SSP) University Politechnica of Bucharest Faculty of Electronics, Telecommunications and Information Technology / ETTI Bucharest, Romania Ternopil National Economic University Research Institute of Intelligent Computer Systems, ICS Ternopil, Ukraine 78

78 Kooperationen Kooperationen mit Fraunhofer-Instituten Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR Neuenahrer Str Wachtberg Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE Wachtberg Kooperationen mit Fachhochschulen Institut für Computer Science, Vision und Computational Intelligence der Fachhochschule Südwestfalen (FHSW) Iserlohn FH Westküste Fritz-Thiedemann-Ring Heide h-da Hochschule Darmstadt Birkenweg Darmstadt Hochschule Trier Fachbereich Technik Fachrichtungen Maschinenbau Postfach 1826 D Trier 79

79 Kooperationen mit Industriepartnern PMD Technologies GmbH Am Eichenhang Siegen Mercedes Benz Deutschland Forschungsinstitut F Böblingen KUKA Roboter GmbH Gersthofen ifm electronic GmbH Tettnang 4plus GmbH Am Weichselgarten Erlangen UIPM - Union Internationale de Pentathlon Moderne Stade Louis II, Entree E 13 av. des Castelans Monte Carlo Monaco 80