بخشی از مقاله
چکیده -
درسالهای اخیر تمایل رو به رشدی نسبت به رادارهای موج پیوسته مدوله شده فرکانس - FMCW - بوجود آمده است. این رادارها چندین خصوصیت دارند که در رادارهای پالس رایج یا انواع دیگر آن دیده نمیشود، مزیت اصلی این رادارها، عملکرد عالی آنها در استخراج مشخصههای حرکتی اهداف در محدودههای نزدیک است.
در این تحقیق با استفاده از مدولاسیون خطی در فرکانس سیگنال ارسالی این نوع رادارها، سیگنال دریافتی از سطح قفسه سینه فرد را به منظور استخراج ضربان قلب و تنفس بدست آورده و با اثبات ماهیت ایستان دورهای، با استفاده از الگوریتم Cyclostationary طیف آن را تخمین زدهایم. علاوه بر این با ارایه نتایج مقایسهای مربوط به روشهای تخمین طیف مانند روش پریودوگرام، ولش، AR و MUSIC که برای سیگنالهای ایستان دارای کارآیی هستند، اثبات نمودهایم که علی رغم کارآیی الگوریتم معرفی شده، نتایج این روشها برای تخمین طیف سیگنال راداری برگشتی از سطح قفسه سینه مناسب نیستند.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر رادارهای موج پیوسته مدوله شده فرکانس 1 - FMCW - که قابلیت اندازهگیری سرعت و فاصله بطور همزمان را دارند، مورد توجه بیشتری قرار گرفتهاند . استخراج علایم حیاتی فرد بدون تماس فیزیکی با فرد حادثه دیده از مهمترین دلایل گسترش اینگونه رادارها بوده است. طبیعی است که با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی، عملکرد رادارهای زنده یاب بهبود یافت، تا جایی که امروزه در حوزههایی همچون تشخیص و درمانهای پزشکی، مسایل مربوط به امنیت شهری، جستجو برای افراد زیر آوار مانده و حتی نظارت بر شرایط فضانوردان از این رادارها استفاده میشود
در این بین، مسائل مربوط به زندهیابی از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. استفاده از رادارهای زندهیاب برای نجات افراد زیر آوار مانده نقش بسزایی در کاهش تلفات انسانی دارد، به ویژه اگر میزان تخریب زیاد باشد، با بکارگیری اینگونه رادارها، آوار برداری میتواند هدفمند باشد و به نجات جان انسانهای بیشتری کمک شود. در سالهای 2013 و 2015 میلادی و در جریان استفاده ناسا از راداری تحت عنوان رادار زندهیاب که برای یافتن افراد زیر آوار مانده استفاده شد، دوباره توجهها به استفاده از این رادارها جلب گردید
در کاربرد های مربوط به زنده یابی تغییرات مکانی بسیار اندک است، پس طبیعی است که بازه فرکانسی موج میلیمتری از اهمیت بیشتری برخوردار میشود
بخش آشکارسازی یا تشخیص طیف یکی از مهمترین بخشهای لازم جهت پردازش سیگنال است که دقت و سرعت عمل آن تاثیر مستقیم بر روی استفاده هرچه بهتر از منابع طیفی دارد. در یک تعریف کلی آشکارسازی طیفی را میتوان وارسی کردن پیوسته طیف فرکانسی برای یافتن باندهای خالی تعریف کرد.
تشخیص طیف را میتوان به دو دسته تشخیص طیف بر روی باند باریک2 و تشخیص طیف بر روی باند وسیع3 تقسیم نمود. در تشخیص طیف باند باریک، محدوده طیفی مورد بررسی، حوزه کوچکی از باند فرکانسی است. در مقابل، در تشخیص طیف باند وسیع، عملیات تشخیص بر روی محدوده وسیعی از فرکانسها انجام شده و به این ترتیب احتمال پیدا کردن طیفهای بدون استفاده و لذا ظرفیت عملکرد سیستم افزایش مییابد. با این وجود به دلیل حضور چندین فرکانس حامل در سیستمهای مبتنی بر تشخیص طیف باند وسیع، این سیستمها دارای ساختار پیچیدهتری نسبت به سیستمهای باند باریک میباشند.
تشخیص طیف بر پایه خصوصیات ایستان دورهای،4 تشخیص طیف مبتنی بر فشردهسازی سیگنال - به کمک مبدلهای مناسب آنالوگ به دیجیتال - و محاسبه تابع خودهمبستگی آن و تشخیص طیف مبتنی بر روش چندگانه مثالهایی از تشخیص طیف باند وسیع میباشند.
آشکارسازهای مبتنی بر رفتار ایستان دورهای سیگنالها دارای دقت عملکرد بسیار خوب حتی در سیگنال به نویزهای بسیار پایین میباشند.
در واقع مزیت اصلی الگوریتمهای آشکارسازی براساس ویژگی ایستان دورهای، توانایی تفاوت قائل شدن بین سیگنال کاربر اولیه از نویز و تداخل است. علاوه بر این چون ویژگی ایستان دورهای با تغییر نسبت سیگنال به نویز 5 تغییر نمیکند، به همین دلیل در شرایطی که نسبت سیگنال به نویز پایین است نیز رفتار آن مناسب است. با این حال در بسیاری از مقالات منتشر شده، عملکرد مطلوب این آشکارسازها در گرو آگاهی از فرکانسهای دورهای6 سیگنالها بوده و زمان پردازش آنها طولانی است.
هدف این مقاله ارایه یک الگوریتم پردازشی مبتنی بر ساختار ایستان دورهای سیگنال راداری برگشتی از سطح قفسه سینه است. به این ترتیب که با اثبات ساختار ایستان دورهای به جای فرض ساختار غیرایستان محض برای سیگنال راداری برگشتی از سطح قفسه سینه، میتوان از خواص آماری مخفی آن استفاده کرد و علایم حیاتی نهفته در سیگنال قلب و تنفس که باعث مدوله شدن فرکانس سیگنال میشوند را استخراج نمود. الگوریتم استفاده شده در این پایان نامه، الگوریتم بهینه سازی طبقهبندی سیگنال چندگانه دورهای است که مبتنی بر خواص ایستان دورهای سیگنالهای ایستان دورهای میباشد.
-2 انواع سیگنالهای آماری و روشهای تخمین طیف
برای ورود به بحث تخمین طیف ابتدا باید با فرآیندهای ایستان و غیر ایستان آشنا شویم.
1؛-2 فرآیندهای ایستان و غیر ایستان
فرآیندهای ایستان فرآیندهایی هستند که آمارگان آنها با گذر زمان تغییر نمیکند و به عبارت دیگر خصوصیات آماری آنها به زمان وابسته نیستند. تابع چگالی احتمال فرآیندهای ایستان طبق معادله زیر به زمان وابسته نیست:
در معنای وسیعتر با در نظر گرفتن آمارگان مرتبه اول که همان تابع امید ریاضی - میانگین - است و تابع خود همبستگی که آمارگان مرتبه دوم است، بر طبق معادلههای زیر داریم:
به این معنا که حتی در تابع خود همبستگی - آمارگان مرتبه دوم - سیگنال به زمان وابسته نیست و تنها به اختلاف زمان t − s وابسته است که خود این زمان برابر است با . t − s = τ
2؛-2 اثبات ماهیت ایستان دورهای سیگنال برگشتی راداری از سطح قفسه سینه سیگنال برگشتی راداری از سطح قفسه سینه به ظاهر غیر ایستان است، چون معادله آن بصورت زیر است:
اما با بررسی دقیقتر روی طیف آن متوجه میشویم که آمارگان متناوب مخفی در این طیف وجود دارد که اگر از تبدیلات غیر خطی درجه دوم به بالا - ما در اینجا از تابع خود همبستگی دورهای که درجه دوم است استفاده کردهایم - استفاده کنیم، میتوانیم این آمارگان متناوب مخفی را استخراج کنیم.
توان از تابع خود همبستگی دورهای برای نشان دادن همبستگی سیگنال یا شیفت یافتههای فرکانسی آن استفاده میشود. با استفاده از این ویژگی منحصر به فرد این سیگنالها میتوان نویز را از سیگنال کاربر اولیه متمایز نمود .[8] این روش میتواند برای انواع مختلف فرستندهها و کاربرهای اولیه بکار رود و در جاهایی که هیچگونه اطلاعاتی از سیگنال اولیه، نوع و مدولاسیون آن در دسترس نباشد، میتواند بسیار مفید واقع شود.
با توجه به این که معمولاً سیگنال مخابراتی را قبل از مدوله کردن، ایستان فرض میکنیم، سیگنالهای مخابراتی به دلیل مدولاسیون انجام شده، کدگذاری، استفاده از سیگنال پایلوت و ...
با فرض ایستان دورهای بودن مطابق هستند. به همین جهت در ادامه به معرفی مفاهیم مرتبط با ایستان دورهای پرداخته میشود و پس از آن روش آشکارسازی بر اساس این فرض معرفی می-شود.
فرآیند تصادفی x - t - را ایستان دورهای - به مفهوم وسیع و از مرتبه - 2 میگوییم اگر تابع میانگین - امید ریاضی - و خودهمبستگی آن متناوب باشد
3؛-2 الگوریتم ایستان دورهای استفاده شده برای تخمین طیف
آشکارسازی براساس ویژگی ایستان دورهای، یکی از روشهای بسیار کارآمد آشکارسازی خواص منطوی در سیگنال است.
