Vital sign detection in the debris environments using SFCW radar
SFCW radar ile enkaz ortamlarında yaşamsal bulguların tespiti
- Tez No: 946368
- Danışmanlar: PROF. DR. IŞIN ERER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Enkaz, göçük altı gibi karmaşık ortamlarda canlı tespitinin yapılabilmesi arama kurtarma çalışmalarından askeri amaçlara kadar çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu amaçla farklı teknolojilerin kullanılması mümkündür. Bu teknolojilerden biri olan RADAR (Radio Detection and Ranging) teknolojisinde, elektromanyetik dalgalar antenler aracılığıyla ortama gönderilip ortamdan yansıyanlar tekrar anten aracılığıyla alındıktan sonra verilen ve alınan sinyallerin birbirine göre değişimi kullanılarak ortam hakkında bilgi sahibi olunur. Radar teknolojisi ile ortamdaki hareketli ve/veya hareketsiz cisimlerin radara göre konumları ve hareketleri hakkında bilgi elde edilebilir. Elde edilen bilgilerin doğruluğu kullanılan radarın özelliklerine bağlıdır. Eğer yüksek bant genişliğine sahip bir dalga formu kullanılırsa menzil çözünürlüğü artar, eğer yüksek boyutlu bir anten veya anten dizisi kullanılırsa da açı çözünürlüğü artar. Bunun yanında RADAR'ın alıcısının dinamik aralığı (algılayabileceği maksimum ve minimum sinyal gücü arasındaki fark) ve ortama yaydığı güç de aynı hedefi tespit edebileceği mesafeyi arttırmaktadır. Enkaz ortamları homojen olmayan ve bilinmeyen yapıları gereği elektromanyetik dalgaların iletimi açısından zorlayıcı ortamlardır, elektromanyetik dalgalar enkaz ortamlarında canlılara ulaşana kadar çok fazla ortam değiştirerek zayıflayacaktır. Ayrıca radara bu sinyaller tekrar ulaşana kadar aynı yoldan iki kez geçeceği için çok düşük güç seviyesinde sinyallerin algılanabilir olması gerekmektedir. Enkaz altındaki canlıların tespitinin yapılabilmesi için radarın kalp atışı, nefes alış-verişi ve el/kol hareketleri gibi yaşamsal bulguları algılayabilmesi gerekir. Ancak bu yaşamsal bulgular çok küçük hareketler olabileceğinden halihazırda elektromanyetik dalganın iletiminden ciddi seviyede zayıflayan sinyalin kaynağı da zayıf olduğundan algılanması gereken sinyal oldukça düşük seviyededir. Bir diğer problem ise radarların enkaz ortamının üzerinde hava ortamında konuşlandırılmasından dolayı yüzeyden gelen ilk yansımanın güçlü bir sinyal olmasıdır, yani radarın sadece düşük güç seviyelerini algılaması yetmez aynı zamanda yüksek güçlü ilk yansımalardan dolayı doyuma ulaşmayacak seviyede bir dinamik aralığa sahip olması da gerekmektedir. Bu problemlerin çözümü için farklı radar sistem tasarımları oluşturulabilir. Radar sistem tasarımında kullanılan dalga formu oldukça önemlidir. Bu dalga formları sürekli veya darbeli olabilir, sürekli dalga formlarında alıcı ve verici sürekli aktif olduğundan bir önceki kısımda bahsedilen ilk yansımalar problem oluşturmaktadır. Darbe dalga formlarında ise verici ve alıcı farklı anlarda açık olduğundan ilk yansıma problemi sürekli dalgalıya göre daha az etkilidir. Ancak aynı seviyedeki çıkış gücüyle ortama yayılan toplam enerji sürekli dalga formunda daha yüksektir bu sayede daha uzak mesafedeki hedeflerin tespiti mümkündür. Sürekli dalga formları yine kendi içerisinde farklı yapılarda olabilir. Frekans Adımlı Sürekli Dalga (FASD), Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga (FMSD) veya Sürekli Dalga (SD) formları şeklinde ayrıştırılabilir. Bunların da birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu çalışmada düşük anlık bant genişliği ihtiyacı nedeniyle FASD radar kullanılmıştır. Sürekli dalga olmasının getirdiği güçlü ilk yansıma dezavantajından kurtulmak amacıyla ise anahtarlamalı yapı kullanılabilir. Anahtarlamalı yapı ile alıcı ve verici sistemler sürekli olarak açılıp kapatılarak alış ve veriş arasında sabit bir gecikme uygulanır, eğer ilk yansıma menzili bu gecikme süresi ile kapatılacak mesafedeyse ilk yansımanın etkisi ciddi seviyelerde azaltılarak dinamik aralık arttırılır.Bu çalışmada kullanılan bu radar sistemi çalışma parametreleri değiştirilebilir olacak şekilde TÜBİTAK BİLGEM tarafından tasarlanmıştır. Fiziksel kısıtların belli bir seviyede aşıldığı radar sistemi kullanıldığı durumda dahi yaşamsal bulguların tespit edilmesi hala bir problem olarak kalmaktadır. Ortamdaki çok küçük hareketlerin tespit edilmesi amaçlandığından seviyesi azaltılmış ilk yansımalar hala ilgilenilen hareketlere kıyasla güçlü kalmaktadır. Bunun yanında ortamda radarın etrafındaki herhangi bir hareket antenin yan lob veya arka loblarında kalmasına rağmen enkaz altından algılanabilecek küçük hareketleri baskılayıcı seviyede kalabilmektedir. Bu nedenle yaşamsal bulgu tespiti yapılırken yalnızca ilgilenilen sinyal kalacak şekilde toplanılan verinin filtrelenmesi gerekmektedir. Verideki istenmeyen sinyaller sabit kargaşa, hareketli kargaşa ve gürültü olarak özetlenebilir. Bunların filtrelenmesi için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Tekil Değer Ayrışımı (TDA), Tekil Spektrum Analizi (TSA) gibi yöntemlerle hareketli ve hareketsiz kargaşanın azaltılması mümkündür. Bunun yanında Variational Mode Decomposition (VMD), Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) gibi algoritmalarla frekans uzayında filtreleme yapılarak yaşamsal bulguların (nefes alış-veriş, kalp atışı) filtrelenmesi de uygulanan yöntemler arasındadır. Veri filtrelendikten sonra yaşamsal bulgunun bulunduğu menzilin tespit edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla da Permutation Entropy (PE), Multiple Signal Classification (MUSIC) ve benzeri algoritmalar ya da varyans temelli hesaplamalar kullanılabilir. Bu çalışmada önerilen yöntem her biri farklı amaçlar için kullanılan farklı adımlardan oluşmaktadır. Önerilen yöntem, FASD radar ile toplanan verinin önişlemeden geçirilip menzil ekseninde çok güçlü olan ilk yansımanın etkisi azaltıldıktan sonra TDA uygulanarak yalnızca yaşamsal bulguların bulunduğu tekil değerin/değerlerin seçimini içermektedir. Yaşamsal bulguların bulunduğu tekil değerler seçilirken her birinin ayrı ayrı menzil-Doppler haritaları oluşturulur. Bu çalışmada yaşamsal bulgulardan biri olan nefes alış-veriş sinyaline odaklanılmıştır. Nefes alış-veriş hareketinin tekrarlama frekansı dakikada alınan nefes sayısından çıkarılabildiğinden olası frekans aralığı bilinmektedir. Bu sayede menzil-Doppler haritasında ilgilenilen frekans aralıklarında yaşamsal bulguya benzer bir örüntü tespit edilerek bu tekil değerin yaşamsal bulgu içerdiği varsayılır. İlk yansımanın çok güçlü olduğu senaryolarda yansımaların yaşamsal bulgu sinyalini baskıladığı tespit edilmiştir, verinin öncelikle önişlemeden geçirilmesinin amacı bu problemin çözümüdür. Problemlerden diğeri de tekil değerlerinin tümünün anlatılan yöntemle incelenmesinin yöntemi oldukça yavaşlatmasıdır. Tekil değerler büyükten küçüğe doğru sıralandığında belli bir indisten sonraki tekil değerlerin tüm senaryolar için gürültüye karşılık geldiği tespit edilmiştir, bu yüzden bu sayının üzerindeki tüm tekil değerler atılarak yaşamsal bulgu içermedikleri varsayılır. Yalnızca yaşamsal bulguları içeren veri tekrar oluşturulduktan sonra MUSIC ile menzil profili oluşturulur. Aynı zamanda hiçbir işlemden geçirilmemiş (ham) veriye MUSIC uygulanarak ikinci bir menzil profili de oluşturulur. Bu iki menzil profilinin nokta çarpımı ile yeni bir menzil profili oluşturulduktan sonra yeni menzil profiline CFAR uygulanarak tespitler elde edilir. İki menzil profilinin çarpılmasının amacı ortamda herhangi bir yaşamsal bulgu bulunduğunda iki menzil profilinde de aynı menzilde etkisi olacağından yeni oluşturulan menzil profilinde yine bir tepe oluşturmaktadır. Ancak ham veride bulunup tekrar oluşturulan veride bulunmayan bir etki, elde edilen yeni menzil profilinde zayıflayacaktır. Bu sayede hem menzil profilinde yaşamsal bulgu olmayan sinyallerin etkisi azaltılır, hem de ortamda canlı bulunmadığı durum daha az hatalı olacak şekilde tespit edilebilir hale gelmektedir. Son aşama olarak da elde edilen tespitlerin bulunduğu menzillerdeki zaman serisi sinyalleri ham veriden alınarak bunlara TSA uygulanır. TSA sonucunda gürültünün etkisi büyük oranda azaltılır ve frekans spektrumunda bu sinyaller incelenir. Eğer yaşamsal bulguların bulunduğu frekanslarda sinyaller bulunuyorsa tespitler bu aşamadan da geçerek yaşamsal bulgu kabul edilir. Son doğrulama aşamasının olma nedeni bazı yansımaların TDA ile ayrıştırılamamış olmasıdır. Bu çalışma kapsamında sunulan yöntemin test edilmesi amacıyla farklı enkaz ortamlarında farklı senaryolar oluşturulmuş ve veriler toplanmıştır. Kullanılan ortamlar, enkaz ortamlarını simüle etmek için yapay bir şekilde oluşturulmuş yapılardır. Enkaz ortamlarından ilkinde radar ile hedef arasında iki adet aralarında boşluk bulunan yaklaşık 15 cm'lik duvarlar bulunmaktadır. İkinci enkaz ortamında ise yaklaşık 60 cm kalınlığında bir adet duvar bulunmaktadır. İki ortamda da enkazdaki kişinin yalnızca nefes alıp-verdiği durum test edilmiştir. Buna ek olarak ikinci ortamda periyodik olmayan hareketler yapılan durumda, ilk ortamda ise hiçbir canlının bulunmadığı durumda testler yapılmıştır. Bu testler sonucunda algoritmanın çok düşük güç seviyelerdeki yaşamsal bulguların yanısıra güçlü yaşamsal bulguların bulunduğu durumda da çalıştığı gösterilmiştir. Ayrıca ortamda herhangi bir canlı bulunmadığında da başarıyla çalışmıştır. Fakat periyodik olmayan büyük hareketler bulunan durum için her ne kadar tespitler başarılı olsa da doğrulama adımında bu şekilde bir hareket istenmediğinden bu tespitler silinmiştir. Bu senaryonun çalışma kapsamında verilmiş olmasının nedeni yöntemin farklı senaryolar için uyarlanabilir olduğunu göstermektir. Yöntem bu çalışmadaki gibi kurgulandığında yalnızca yaşamsal bulguların bulunduğu menzillerin tespitini başarıyla gerçekleştirmektedir, ancak farklı amaçlarla tekrar kurgulanabilir yapıdadır. Tezin ilk kısmında literatürdeki çalışmalar detaylı bir şekilde özetlenmiştir, ikinci kısımda problemle alakalı temel düzeyde bir anlatım yapılmış ve sunulan yöntemde kullanılan sinyal işleme yöntemlerinden bahsedilmiştir. Üçüncü kısımda sunulan yöntemin adımları detaylı bir şekilde anlatılmış ve bir örnek veri üzerinden gösterilmiştir. Dördüncü kısımda ölçüm senaryolarından bahsedilmiş ve yapılan testler sonuçlarıyla beraber verilmiştir. Son kısımda ise tezin bulguları özetlenmiş ve çıkarımlar yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
The ability to detect living beings in complex environments such as debris and under rubble has a wide range of applications, from search and rescue operations to military purposes. It is possible to use different technologies for this purpose. In RADAR (Radio Detection and Ranging) technology, which is one of these technologies, electromagnetic waves are transmitted to the environment via antennas, and the reflections from the environment are received again via the antenna, and then information about the environment is obtained by using the differences in the transmitted and received signals relative to each other. Debris environments are challenging environments in terms of the propagation of electromagnetic waves due to their inhomogeneous and unknown structures. In order to detect living individuals under the debris, the radar must be able to detect vital signs such as heartbeat, breathing, and hand/arm movements. However, since these vital signals mostly consist of minimal movements the signal source is inherently weak, having already been significantly attenuated due to electromagnetic wave propagation, and therefore extremely low levels of signal must be sensed. In addition, since the first reflection or the coupling between antennas in debris environments also cause powerful signal in the receiver channel, the dynamic range of the system must be high. Various radar systems can be designed to address these issues. The waveform utilized in the radar design is crucial. Waveforms may be continuous or pulsed. In continuous waveforms, since the receiver and transmitter are always active, the first reflections and coupling between the antennas resulting in a high power returns that could supress the vital signs. RF switching mechanisms may be utilized to resolve this issue. Despite the use of a radar system that overcomes certain physical limitations, the detection of vital signs continues to pose a challenge. To detect the vital sign in the debris environments, a new method that consists of different signal processing algorithms is proposed. In the proposed method, filtering is used to reduce the effect of intense first reflections, while singular value decomposition (SVD) is utilized to lower noise levels and to mitigate both stationary and non-stationary clutter. Additionally, range profiles were generated using the MUSIC algorithm on both raw and processed data to provide just one range profile used during the detection phase, which incorporates CFAR. Finally, the frequency spectrum of the data subjected to SSA has been examined to enhance detection accuracy. The presented algorithm has been tested and validated in two different debris environments for five different scenarios using Gated SFCW Radar System designed by TÜBİTAK BİLGEM Radar Technologies Department. Different possible movement patterns of the targets were taken into account in the tested scenarios. For instance, one scenario involves an individual lying and only breathing, whereas the other one includes a person standing and executing aperiodic movements. In addition, since it is critical to provide this information even when there is no living individual in the debris, one of the scenarios was carried out for this purpose. The thesis outlines the method's purpose and literature review in Section 1, provides fundamental information regarding the SFCW radar system and vital sign detection in Section 2, and discusses the basis of the signal processing algorithms employed in the proposed method. Section 3 clarifies the procedural steps of the method, whilst Section 4 examines the results of applying the method to actual data in various settings.
Benzer Tezler
- Analysis of signal processing algorithms for detection of human vital signs using uwb radar
Hayati bulguların geniş bantlı radar sistemleri ile tespitinde kullanılan sinyal işleme algoritmalarının analizi
CANSU EREN
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
PROF. DR. SAEİD KARAMZADEH
- Deep image prior based high resolution isar imaging for missing data case
Eksik veri için derin görüntü önceli tabanlı yüksek çözünürlüklü tyar görüntüleme
NECMETTİN BAYAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IŞIN ERER
- 122 GHz SiGe BiCMOS high resolution FMCW RADAR front-end for remote sensing applications
Kısa mesafe RADAR uygulamaları için yüksek çözünürlüklü 122 GHz SiGe BiCMOS FMCW RADAR ̈ön uç devresi
IŞIK BERKE GÜNGÖR
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiPROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- 3D nokta bulutu verileri kullanılarak otonom sürüş için nesne algılama yöntemi ile karayolu envanterlerinin tespit edilmesi
Determination of highway inventories with object detection method for autonomous driving using 3D point cloud data
HİLAL GEZGİN
Doktora
Türkçe
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REHA METİN ALKAN
- Acil servis hastalarında kateter uygulamasında ultrasonun süreci yönetmedeki etkinliği
Effectiveness of ultrasound in managing the process in catheter administration in emergency department patients
FADİME KARA
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2021
İlk ve Acil YardımSağlık Bilimleri ÜniversitesiAcil Tıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA KEŞAPLI