Engel arkası hayati bulguların geniş bantlı yere nüfus eden radar ile tespiti

Engel arkası hayati bulguların geniş bantlı yere nüfuz eden radar sistemleri ile tespiti bu tezde çalışılmıştır. Öncelikle radar ve yere nüfuz eden radar sistemlerinin çalışma prensipleri hakkında temel bilgiler verilmiştir. Sistem kurulumu yapılıp, başarılı data ediniminden sonra, kargaşa bastırma teknikleri engel etkisini minimize etmek için kullanılmıştır. Kargaşa bastırma tekniklerinin veri üzerinde uygulanmasından sonra ise hayati bulguların tespiti için sinyal işleme algoritmaları olarak Hilbert Huang Dönüşümü ve Hızlı Fourier Dönüşümü uygulanmıştır. Radar sistemleri ortama radyo dalgaları yollayarak tespit edilmesi arzulanan nesne hakkında bilgi verir. İlk önce radyo dalga işaretleri radar cihazı tarafından oluşturulur ve gönderici anten ile ortama yollanır. Nesnelerden ve farklı ortamlardan geri saçılan işaretler alıcı anten tarafından toplanarak bilgisayar ortamında kaydedilir. Radar sistemleri ilk olarak İkinci Dünya Savaşı'nda düşman gemilerin tespitinde kullanılmıştır. Günümüzde ise bu sistemler hava durumu analizlerinde, trafik sistemlerinde sıkça karşımıza çıkmaktadır. Yere Nüfuz Eden Radar sistemleri ise farklı bir radar tekniği olup, radyo dalgaları kullanarak gömülü objelerin tespitinde ve görüntülenmesinde kullanılmaktadır. Yere ait toprak, nemli toprak, kayalık arazi gibi bilgiler istenilen gömülü objenin tespitinde önemli rol oynar. Bu yüzden, bu sistemlerde kargaşa bastırma algoritmaları sıkça kullanılmaktadır. İnsan nefes hareketi, kalp atışı, el ve kolların küçük hareketleri literaturde hayati bulgu olarak kabul edilmektedir. Nefes alıp verme esnasında akciğerler daralıp genişleyerek göğüs boşluğunda küçük mesafe değişimlerine neden olur. Nefes hareketi periodik olup, frekansı 0,2 Hz ile 0,5 Hz arasında değişmektedir. İnsanın kemik, yağ, kas ve yumuşak dokudan oluştuğu düşünülürse, insan vücudu birden fazla yansıma noktasından oluşan karmaşık bir ortam olarak karşımıza çıkar. Farklı frekanslar ve derinliklerde bu dokuların sinyal iletimi farklıdır ve radar sistemleri kullanılarak bu sinyallerin geri yansımaları tespit edilerek hayati bulguların saptaması yapılabilir. Geniş bantlı radar sistemlerinin modellenmesiyle birlikte vital bulguların tespitine yönelik çalışmalarda ivmelenmiştir. Geniş bantlı sistemlerin sağlamış olduğu yüksek çözünürlük, indirgenmiş ölü radar bölgeleri, hedef şeklinin yüksek çözünürlükte belirlenebilmesi, hayati bulgular gibi düşük genlikli işaretlerin tespitini kolaylaştırmı ştır. Geniş-bantlı sistemler pikosaniye ya da nanosaniye zaman süreli kısa darbeler yollayarak yüksek çözünürlük sağlarlar. FCC(Federal Communications Commission) geniş bantlı sistemleri frekans aralığı 3,1 ile 10,6 GHz arasında olacak şekilde tanımlanmıştır. İnsan hayati bulgularının radar sistemleri ile engel arkası tespiti medikal alanlarda, savunma sanayinde ve deprem sonrası yaralı insanların çökmüş binaların altında tespit edilmesinde kullanılabilir. Hastanelerde kalp atışı, nefes hareketi gibi hayati bulguların uzaktan izlenmesi radar sistemi ile gerçeklenebilir. Çoğu biyolojik sinyallerin sürekli olduğu göz önünde tutulursa, hastanelerde işaretlerin sürekli gözlemi büyük önem taşır. Deprem sonrası enkaz altında kalan insanların kurtarılmasında kullanılan geleneksel teknikler, kameralar, köpekler ve mikrofonlar olarak sıralanabilir. Kameralar uzun optik kablolarla enkaz altına doğru sarkıtılarak görüntü sağlanır. Fakat kamera sistemlerinin en temel sorunu tamamen enkaz yapısına bağlı olmasıdır. Bir diğer yöntem olan çekiç sisteminde, potansiyel kurbanlara sinyal gönderilir ve mikrofon ile insana ait tepkinin duyulması beklenir. Eğer kurban bilincini kaybetmiş halde ise, tespit yapılamaz. Eğitimli arama kurtarma köpekleri de deprem sonrası kurtarma operasyonlarında burunları ile kokuları takip ederek kurbanların yerini belirler. Köpeklerin ölü ya da canlı ayırımı yapamaması arama kurtarma çalışmalarında harcanan zamanın artmasına neden olmakta, artan zaman ise canlı insan tespiti olasılığını düşürmektedir. Düşük frekanslara inebilme ve aynı zamanda yüksek frekanslara çıkabilme, hedef şeklini çıkarabilme, yüksek data hızı, yüksek kazanç ve çözünürlük geniş bantlı sistemlerin hayati bulguların engel arkası tespitine yönelik yapılan çalışmalarda yoğunlukla kullanılmasına neden olmaktadır. Geniş bantlı yere nüfuz eden radar sistemleri ile data edinimi sonrası işaretin analizi üç temel grupta yapılır. İlk olarak ham veri üzerinde alçak geçiren filtre, eşleşen filtre gibi yöntemler uygulanarak ana sinyal işleme öncesi temel işlemler yapılır. Kargaşa bastırma teknikleri ve insan nefes hareketi işaretinin lokal incelenmesine yönelik sinyal işleme yöntemleri ise sinyal işleme sürecinin sırasıyla son iki adımını oluşturmaktadır. Geniş bantlı yere nüfuz eden radar ile engel arkası hayati bulguların tespitine yönelik yapılan çalışmalarda, nefes, kalp atışı gibi vital bulguların tespitini zorlaştıran en önemli sorunlardan biri kargaşadır. Beton, tahta, toprak gibi her farklı engelde yansıtabilirlik parametreleri değişmekte, kalınlık arttıkçada tespit olasılığı hedef bilgisi taşıyan sinyallerin sönümlenmesi nedeniyle düşmektedir. Bu aşamada kargaşa bastırma yöntemlerinin önemi büyüktür. Çalışmalarda başlangıç seviyesinde kargaşa indirgeme olarak, kalibrasyon sinyalinin hedef bilgisi taşıyan ortamdan çıkarılması kullanılabilir. Kargaşa zorluğu arttıkça daha iyi sonuçlar için tekil değer ayrışımı, temel bileşen analizi gibi yöntemler uygulanabilir. Çerçeve çıkarımı, Temel Bileşen Analizi ve Tekil Değer Ayrışımı bilinen kargaşa bastırma yöntemlerindendir ve bu çalışmada engel etkisini bastırmak için kullanılmı ştır. Çerçeve çıkarımı yönteminde statik ortamın verisi kayededilerek, kalibrasyon ölçümü ya da referans işareti olarak adlandırılır. Daha sonra hedefin bulunduğu ortamın taraması yere nüfuz eden radar ile yapılır. Data elde edinimlerinden sonra ham datadan(hedefin bulunduğu) kalibrasyon datası çıkarılarak kargaşa indirgenmesi yapılmış olunur. Temel Bileşen Analizi'nde veri temel bileşenlerine ayrıştırılarak kargaşa ve hedef tespiti yapılır. Tekil Değer Ayrışımı ise temel olarak işareti kargaşa, hedef bilgisi ve gürültü olarak alt öz vektörlere ayırarak işlem yapar. Çerçeve çıkarımının uygulanması işlemsel olarak daha kolay olmakla birlikte ölçüm ortamının kalibrasyon sinyaline ihtiyaç duyar. Temel bileşen analizi ve Tekil Değer Ayrışımı yöntemlerinde ise referans sinyaline ihtiyaç yoktur. Matematiksel olarak daha karmaşık olan bu algoritmalar, gerçek hayatta uygulamalarda referans sinyaline ihtiyaç duymadıkları için daha etkilidirler. Nefes hareketinin frekans düzleminde analizi için Dalgacık, Hilbert Huang Dönüşümü ve Hızlı Fourier Dönüşümü gibi yöntemler uygulanabilir. Hızlı Fourier Dönüşümü en eski yöntemlerden olmakla birlikte, teorisi tamamlanmış ve iyi bilinen bir yöntemdir. Fakat, Hızlı Fourier Dönüşümü sinyalin yerel analizinde başarısız olup daha çok global bir yaklaşım sergiler. Ayrıca bu yöntemin başarılı olması için sinyalin linear ve durağan olması gerekmektedir. Günümüzde, Dalgacık ve Hilbert Huang Dönüşümü data analizinde sıklıkla çalışılan yöntemlerdendir. Dalgacık Dönüşümü bölgesel anlamda sinyal lokalizasyonu sağlamakla beraber, durağan olmayan işaretler içinde kullanılabilir. Tıpkı Hızlı Fourier Dönüşümü gibi bu teknikte linear olmayan işaretler üzerine uygulanamaz. Hilbert Huang Dönüşümü ise hem linear olmayan hem de durağan olmayan veriler üzerinde etkilidir. Ayrıca sinyal analizi lokal ve adaptif bir şekilde gerçekleşir. Hilbert Huang Dönüşümü iki temel işlemden oluşmaktadır, Hilbert Spektrum Analizi ve Deneysel Mod Ayrışması. Deneysel Mod Ayrışması ile sinyal iç mod fonksiyonlarına ayrıştırılır. Sinyalin harmoniklerine ayrıştırılması Deneysel Mod Ayrışması ile sağlanmış olunur. Daha sonra istenilen bilgiyi taşıyan iç mod fonksiyonu belirlenerek frekans ve zaman düzleminde incelemeler yapılır. Bu çalışmada kargaşa bastırma teknikleri olarak Çerçeve Çıkarımı, Tekil Değer Ayrışımı ve Temel Bileşen Analizi engel etkisini minimize etmede kullanılmıştır. Nefes tespiti için ise sinyal işleme algoritması olarak Hilbert Huang Dönüşümü ve Hızlı Fourier Dönüşümü uygulanmış ve frekans düzleminde yere nüfuz eden radar ile elde edilmiş dataların incelenmesi yapılmıştır.