Duvar arkasındaki sabit ve hareketli hedeflerin tespit edilmesi için ultra geniş bantlı radar tasarımı, prototipinin gerçeklenmesi ve radar görüntülerinin elde edilmesi
Design of ultra wide band radar for detecting stationary and moving targets through the wall, implementation of prototype and obtaining radar images
Yazar: BETÜL YILMAZ
Danışman: PROF. DR. CANER ÖZDEMİR
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, duvar arkasındaki sabit ve hareketli hedeflerin yerini tespit etmeye ve radar görüntülerini elde etmeye yönelik 3 adet algoritma sunulmuştur. Algoritmalar, problem geometrisi ile birlikte formülasyon detayları ile birlikte verilmiştir. Yöntemlerin doğruluğu ilk olarak varsayımsal bir hedefin simüle edilmesi ile incelenmiştir. Sonrasında algoritmalar, Ultra Geniş Bant (UWB) alıcı-verici sistemi ile tuğla duvarın arkasında gerçekleştirilen bir ölçümle elde edilen gerçek veriler ile test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, algoritmaların duvarın arkasındaki hareketli ve sabit bir hedefin doğru konumlarını ve radar görüntülerini başarıyla tespit ettiğini göstermektedir. Tez çalışmasının bir başka çalışması duvar arkasındaki hedefleri algılayan ve görüntüleyen özgün bir radar sensörü tasarımı ve prototipinin gerçeklenmesidir. Radar sensörü, Vivaldi anten elemanlarının doğrusal bir dizisinden, bir radyo frekansı (RF) anahtarından, bir mikro denetleyici biriminden ve bir RF alıcı vericisinden oluşmuştur. Yanca uzayındaki çözünürlüğü iyileştirmek için bu uzayda yapay açıklıklı radar (YAR) konfigürasyonunda sensörler olarak toplam sekiz anten elemanı kullanılmıştır. Vivaldi anten elemanlarının tasarım aşamaları ve 8'li doğrusal anten dizisi yapısı ayrıntıları ile sunulmuştur. Tasarımdan sonra, radar sensörünün prototipi için tüm aşamalar ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Duvar arkası radar (DAR) görüntüleme deneyleri, hareketsiz ve hareketli hedefler için geliştirilen radar sensörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Radar görüntüleri elde edilirken, ham görüntülerin sinyal / gürültü oranını (SGO) artırmak için geriye izdüşüm algoritması (GİA) emplemente edilmiştir. Oluşturulan radar görüntüleri, radar sensörünün duvarın arkasındaki hareketsiz ve hareketli hedefleri başarıyla tespit edebildiğini ve görüntüleyebildiğini göstermiştir. Ayrıca, göçük altında hareketsiz duran bir hedefin yaşamsal verilerinin tespit edilmesi amacına yönelik deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, duvar arkasında hareketsiz duran bir kişinin solunum ve kalp atışlarının tespit edilmesine yönelik deneysel çalışmalar yapılarak başarılı sonuçlar elde edilerek sunulmuştur.

Abstract:
In this thesis, three new and effective algorithms to localize and obtain radar images of a stationary and moving target behind the wall are introduced. The problem geometry together with the formulation details of the algorithms are given. Accuracies of the methods are first surveyed by simulating hypothetical targets. Then, the algorithms are tested with real data gathered from a measurement that are accomplished behind the brick wall with an ultra wide band (UWB) transceiver system. Through the wall radar (TWR) imaging results show that algorithms successfully detect the exact locations of moving and stationary targets behind the wall and corresponding radar images are constructed. After, a novel radar sensor that is designed and prototyped to detect and image stationary or moving objects/targets through the wall is presented. This radar sensor is composed of a linear array of Vivaldi antenna elements, a radio frequency (RF) switch, a microcontroller unit, and an RF transceiver. For the linear array, a total of eight antenna elements are used as sensors in synthetic aperture radar (SAR) configuration in the cross-range direction to improve the resolution along this dimension. Design steps of Vivaldi antenna elements and the entire linear array are presented. The prototyping procedure and the details of the radar sensor are given. TWR imaging experiments are performed for stationary and moving targets using the assembled sensor. During the image formation, a back-projection focusing algorithm is implemented and applied to increase the signal-to-noise ratio of the raw images. The constructed radar images demonstrated that our radar sensor could successfully detect and image both stationary and moving targets behind the wall. In addition, some experiments are performed for detecting life symptoms of a stationary target under the collapsed structure.  For this goal, the heartbeat and breathing behaviours of a stationary human behind the wall are gathered and presented with good fidelity.