BE- Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/257

Gözat

Sustainable Development Goal "Goal 9: Industry, Innovation and Infrastructure" ile BE- Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Analysis of signal processing algorithms for detection of human vital signs using uwb radar
    (Graduate School, 2024-05-07) Eren, Cansu ; Kartal, Mesut ; Karamzadeh, Saeid ; 705172001 ; Satellite Communication and Remote Sensing
    Detection of human vital signs using ultrawideband radar systems has been a popular research topic amongst researchers since the 2000s. The detection and monitoring of human vital signs in free space or through obstacles such as walls or debris using radar systems are defined as bio-radiolocation. Detecting human vital signs through a robust clutter such as concrete walls using radar technology is possible. This technology is known as Sense Through Wall Radar (STWR) or Through Wall Radar (TWR). The applications of human vital signs monitoring utilizing radar are wide and grouped in two major fields: civil and military applications. Breathing and heart rates are the principal vital signs of the human body. Breathing and heartbeat frequencies are varied between 0.2-0.6Hz and 0.8 -2.5Hz, respectively. While breathing, the human chest area expands and contacts periodically. Human breathing/heartbeat movements draw a sinusoidal mathematical model, and this model is a signature of human vitality and the presence of human beings. These tiny movements up to centimeters in radar distance are observable thanks to ultrawideband technology. Ultrawideband(UWB) radars are utilized between 3.4 GHZ and 10.6 GHZ, with a band ratio of 1.29-7. This standardization is made by the Federal Communications Commission (FCC). UWB radars have improved target range accuracy and high range resolution, enabling target classification, are robust to interferences such as rain and mist, and have reduced radar dead zones. In addition to the properties mentioned earlier of UWB radars, they are non-ionizing, non-intrusive, and contactless. The non-contact and non-ionized property of UWB radar systems makes them great candidates for monitoring human vital signs in biomedical fields. Sleep monitoring (Sudden Infant Death Syndrome, Obstructive Sleep Apnea Syndrome), analysis of the physical performance of the athletes, veterinarian monitoring, and animal study are examples of these systems' civil and biomedical applications. The contactless measurement technique also enables monitoring of border zones and enemy territories, such as buildings, which is attractive for defense applications. Detecting human victims under debris after natural disasters such as earthquakes using UWB radar systems is helpful for search and rescue teams in the field. In light of the increasing aging population worldwide, UWB radar systems can monitor the activities of older adults, such as walking, falling, breathing, etc. These systems are widely known as Ambient Assisted Living(AAL). Thus, UWB radar systems are not only used for detection and monitoring human vital signs but also for classifying human gestures and movements. The operational specifications of UWB radar systems determine their performance. Thus, engineers seek solutions focusing on time, energy, bandwidth, and space. Higher bandwidths have better range resolution. The longer ranges are obtained with maximized energy. The positioning of antenna systems requires area. Regarding such tiny movements of human breath and heartbeat, ranging accuracy and space budget are crucial. The penetration through heavy clutters with longer ranges requires maximized energy. Moreover, the UWB radar performance is vulnerable to external noises and propagation effects due to earth curvature, atmosphere, and interference. Thus, analyzing the selection of UWB radar operational parameters for detected human vital signs is one of the research topics in the field. The UWB radar accuracy is measured via reference sensors to validate radar operation. Contact-based and non-contact systems are used. Electrocardiography, photoplethysmorgy, and chest belt sensors require contact with human tissues. Lidar and cameras are contactless techniques like UWB radars to analyze human vital signs. However, they suffer from environmental lightning. Electromagnetic tools are also used to model human vital signs. However, they are computationally heavy and complex. Thus, the presence of a simple, realistic, and cost-free vital sign reference system is a gap in the literature. Detecting human vital signs using UWB radars under the debris is an intricate problem for the researchers. The radar specifications, such as antenna geometry, radar type, bandwidth, and system power, are significant. Plus, after data collection in debris, the variational signal processing methods are utilized to enhance weak target returns. The first step is to suppress the clutter and debris in this case. The surrounding environment also affects the UWB radar data and makes additional contributions. Thus, the clutter type is modeled as time-varying and independent from time. Mean Removal, Frame Differencing, Loop-back Filtering, Linear Trend Subtraction, Principal Component Analysis(PCA), and Singular Value Decomposition (SVD) are the well-studied clutter reduction techniques in the literature. Time-frequency visualization of radar breath signals is handled via the most fundamental technique, the Fast Fourier Transform, or advanced techniques such as Hilbert Huang Transform and Short Time Fourier Transform. Hilbert Huang Transform and Short Time Fourier Transform are worthwhile while analyzing more complete scenarios such as additional movements. The feature analysis of these movements is significant for machine learning researchers who classify the movement types. In this study, we studied signal processing algorithms on radar human vital signs. The earthquake in Hatay and Kahramanmaraş in 2023, past pandemics, and a growing number of older adult populations motivated the thesis. Data collection regarding the gaps in literature was the central part of the study. We collected seven data types focused on cluttered zones, body movements, human/radar orientation, and simulation data. While collecting the data, we noticed a lack of publicly available data and the rapid process needed in medical and rescue radars. Thus, we shared our data on Mendeley Data and published its paper. We also shared fundamental signal processing algorithm analysis in this dataset to detect human breath signals under the table. In the remaining part of the studies, we focused on signal processing algorithms and analysis results. We analyzed the dataset using clutter reduction techniques and time-spectral analysis techniques. We presented detailed data performance analysis outcomes. Our studies on the effects of body movements on radar breath data were published in two international conferences. We developed a novel UWB radar breath simulator based on the electromagnetic properties of human tissues. Finally, we presented a brief conclusion.
  • Öge
    Katkılı NiFe2O4 polimer tabanlı mikrodalga yutucuların frekans seçici malzeme tasarımı
    (Bilişim Enstitüsü, 2019-02-07) Şahin, Ethem İlhan ; Kartal, Mesut ; 705112007 ; Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama
    Haberleşme endüstrisindeki olağanüstü büyüme mikrodalga yutucu malzemelere olan ilginin artmasına neden olmuştur. Son zamanlarda modern haberleşme sistemleri yüksek frekanslara doğru kaydığı için yüksek frekanslarda kullanılmaya uygun yutucu malzemelere olan ilgi ve gereksinimde doğal olarak artış göstermektedir. Kablosuz iletişimin hızlı ilerlemesi neticesinde mikrodalga yutucu malzemelere olan ilgi radar sistemleri ve askeri uygulamalar gibi özel alanlar dışındaki uygulamalarda da oldukça dikkat çekici hale gelmiştir.Kullanımı giderek yaygınlaşan elektronik aygıtlardan yayılan sinyallerin oluşturduğu elektromanyetik kirliliğin insan sağlığı ve çevre üzerine pek çok olumsuz sonuçlar ortaya çıkardığı da günümüzde bilinmektedir. Bu sorunları aşmak ve elektromanyetik etkileri en aza indirmek, radar, uzay teknolojisi, telekomünikasyon, yerel alan ağları, askeri ve iletişim teknolojilerinde güvenliği sağlamak amaçlı olan yutucu malzemeler ve ekranlama etkinliğine sahip malzemeler üzerinde yapılan çalışmalarda ayrıca devam etmektedir. Yutucu malzemeye gelen sinyalin geldiği yöne yansımaması ve aynı zamanda iletim sağlamaması gereklidir. Bunun için sinyalin malzeme içinde veya üzerinde emilim yapması gerekmektedir. Normalde yansıma katsayısı minumum seviyeye ulaştığında en düşük yansıma kaybı elde edilir, yani gelen elektromanyetik dalgaların hiçbiri geri yansımamaktadır. Prensip olarak, bir elektromanyetik yutucu kaplamanın rolü, düşük yansıma sağlaması ve gelen elektromanyetik dalgalar için yüksek bir yutulma sağlamasıdır. Elektromanyetik dalga yutucu malzemelerin değeri ne kadar ince bir tabaka ile ne kadar geniş bir frekans aralığında yutma işlemini yaptığı ile alakalıdır. Malzemeye gelen elektrik ve manyetik bileşenleri olan birbirlerine dik şekilde hareket eden elektromanyetik dalganın elektrik bileşeni malzemenin dielektrik özellikleri tarafından yutulurken diğer bileşen olan manyetik bileşen ise manyetik özellik tarafından yutulur böylece bu iki bileşen kaybolunca malzeme ideal yutucu malzeme olur. Mikrodalga malzeme içine girdikten sonra malzeme kalınlığı boyunca zayıflatılmalı ve ısıya dönüştürülmelidir, bu durumda malzemeye gelen dalgalar yutularak geri yansımayacaktır. Manyetik ve dielektrik özellikleri nedeniyle NiFe2O4 genel formülü ile verilen spinel ferrritler sahip oldukları ilginç özellikleri nedeniyle son yıllarda yoğun bir şekilde bilgi depolama sistemleri içindeki uygulamalar, manyetik sıvılar, manyetik toplu çekirdek, yüksek frekans aralığında çalışan mikrodalga veya radar yutucu malzemeler (RAM), yüksek frekanslı cihazlar için araştırılmıştır, NiFe2O4 yapısındaki spinel ferritler manyetik kayıplarının ve dirençlerinin yüksek olmasından dolayı elektromanyetik dalga yutucu olarak kullanılabilmektedir, ayrıca spinel ferritler manyetik kayıt ortamı, manyetik akışkanlar, katalizörler, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), mikrodalga yutucular, sensörler ve pigmentler gibi uygulama alanlarında da öne çıkan malzemelerdir. Ferritlerin özellikleri, kimyasal bileşimine, mikroyapısına, sinterleme parametreleri ile katkılanan iyonun konumuna ve katkı oranına bağlı olarak değişik özellik göstermektedir. Yapılan çalışmada NiFe2O4 ferrit bileşiminde Ni yerine Mo, Tb, Ta ve Hf, Fe yerine V, Cu farklı oranlarda yer alan katı eriyiği şeklinde ilave edilerek tek fazlı katkılı NiFe2O4 ferritleri oksitlerin karışımı yöntemiyle üretilmiştir. Başlangıç oksitlerinin miktarları Ni1-xMoxFe2O4, Ni1-xTbxFe2O4, Ni1-xTaxFe2O4 , Ni1-xHfxFe2O4 , NiFe2-xVxO4, NiFe2-xCux stokiyometrik kompozisyonlar baz alınarak hesaplanmıştır. Her bir katkının ana yapı (NiFe2O4) içerisinde yapıyı bozmadan katkılanabileceği miktar olarak tarif edilen çözünürlük limiti X-ışınları toz difraktometresi kullanılarak saptanmıştır. SEM sonuçları XRD sonuçlarını teyit etmektedir. 1200-1500 °C aralığında sinterlenen katkılı tek fazlı NiFe2O4 ferrit malzemelerin manyetik özellikleri belirlenmiştir. Oluşturulan katı eriyiklerde katkı tür ve oranlarının ferrit seramiğinin manyetik ve ekranlama etkinliğine (shielding effect) olan etkileri ayrıca belirlenmiştir. Özellikler açısından belirlenen optimum parametrelere göre katkılı NiFe2O4 ferritleri polianilin tabanlı olarak kompozit olarak üretilip özellikleri karakterize edilmiştir. Polianilin-NiFe2O4:V, Polianilin-NiFe2O4:Tb, Polianilin-NiFe2O4:Cu, Polianilin-NiFe2O4:Hf, Polianilin-NiFe2O4:Ta, Polianilin-NiFe2O4:Mo farklı katkı oranlarında sıcak presleme ile üretilmiştir. Anilin / Ni ferrit ağırlık oranı 1/1, 3/1 olarak değiştirilerek mikrodalga ekranlama etkinliğine sahip kompozitler epoksi reçine kullanılarak üretilmiştir, üretilen kompozitler XRD, SEM ve VSM ( titreşen örnek magnetometresi ), FTIR,Vector Network Analyzer (VNA (Two-Port,R & S FSH-K42)) kullanılarak karakterize edilmiştir. Polianilin-NiFe2O4: V, Polianilin-NiFe2O4:Tb, Polianilin-NiFe2O4:Cu, Polianilin-NiFe2O4:Hf, Polianilin-NiFe2O4:Ta, Polianilin-NiFe2O4:Mo kompozitlerinin mikrodalga ekranlama etkinliği performansları 0-8 GHz aralığında ölçülmüş ve mikrodalga ekranlama etkinliğine sahip malzemeler olarak kullanım potansiyelleri incelenmiştir.