Searching for victims trapped in collapsed buildings using radar: antenna design, system implementation and signal processing
Abstract: In den letzten Jahrzehnten waren Erdbeben die tödlichsten Naturkatastrophen, und die meisten Todesopfer bei Erdbeben sind auf den Einsturz von Gebäuden zurückzuführen. Die schnelle Suche nach verschütteten lebenden Opfern ist die Grundvoraussetzung für ihre Rettung. Zurzeit sind Rettungshunde am erfolgreichsten bei der Suche nach Opfern. Hunde können jedoch nicht zwischen lebenden und kürzlich verstorbenen Opfern unterscheiden, und sie selbst sind leicht erschöpft und verletzt. Ein bodendurchdringendes Doppler-Radar kann elektromagnetische Wellen aussenden, die Trümmerschichten durchdringen und die schwachen Atemsignale von lebenden Opfern direkt detektieren, was es zu einer vielversprechenden Alternativtechnik macht. Ein solches Radar ist als Bioradar bekannt. Allerdings sind die Messbedingungen für Bioradar wesentlich komplexer als bei anderen Bodenradaranwendungen. Obwohl Bioradar bereits erforscht und entwickelt wurde, gibt es noch viele technologische Herausforderungen, die überwunden werden müssen, um die Mobilität und die Erkennungssicherheit von Bioradar zu verbessern.
Die Forschung in dieser Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf drei Themen:
1. Miniaturisierung der Radarantenne zur Erhöhung der Systemmobilität.
Als Sensor des Radarsystems muss die Antenne mit Frequenzen senden, die geeignet sind, die Schichten der Baumaterialien zu durchdringen. Für eine Information, in welcher Tiefe das Opfer liegt, und um interferierende Signale aus der Umgebung zu eliminieren, müssen die Radarsignale eine große Bandbreite abdecken. Um die Mobilität des Systems zu gewährleisten, sollte das Design klein und leicht sein. In dieser Forschungsarbeit konzentrieren wir uns auf die Optimierung eines elektrisch kleinen Planarantennendesigns, dessen Strahlungscharakteristik von vielen physikalischen und geometrischen Parametern der Antenne mitbestimmt werden. Unter Verwendung einer kommerziellen keramischen Patch-Antenne als Grundlage des Entwurfs haben wir ihre Resonanzfrequenz durch Verkleinerung des Metallpatches auf unser gewünschtes Frequenzband geändert und drei Techniken zur Erhöhung der Bandbreite untersucht: Abstimmung der wichtigsten geometrischen Parameter, Hinzufügen von Einschnitten an den Kanten und Hinzufügen von parasitären Strahlern. Das Design wurde durch kurze Zyklen von Simulation, Herstellung und Messung optimiert. Die entworfene Antenne hat eine kontinuierliche Bandbreite von mehr als 40 MHz um die Mittenfrequenz von 1,3 GHz. Die von uns verwendeten Techniken können auch für den Entwurf planarer Antennen für andere Anwendungen eingesetzt werden, daher haben wir das Entwurfsverfahren als Leitfaden für den Entwurf planarer Antennen zusammengefasst.
2. Entwicklung eines kleinen und kostengünstigen Bioradars mit verbesserter Auflösung von Atmungssignalen.
Durch eine systematische Untersuchung und einen Vergleich verschiedener Radarwellenformen kamen wir zu dem Schluss, dass Radargeräte, die im Frequenzbereich messen, für Rettungsradaranwendungen besser geeignet sind als Radargeräte, die auf Messungen im Zeitbereich basieren.
Allerdings ist die effektive Abtastrate eines konventionellen Stepped-Frequency Continuous Wave (SFCW) Radars, eines CW Radars, das schrittweise die Messfrequenz durchstimmt, aufgrund der vielen zeitaufwändigen Frequenzeinstellungen in der Regel gering.
Wir haben den Einsatz einer neuartigen Wellenform, einer sogenannten frequency-comb continous wave (FCCW), vorgeschlagen. Ein FCCW Radar sendet einen kontinuierlichen Frequenzkamm aus und arbeitet daher inhärent breitbandig. Ein Bioradar, das eine FCCW-Wellenform verwendet, kann einfach mit einem sogenannten Software defined Radio (SDR) implementiert werden. Wir haben mathematisch nachgewiesen, dass das Messsignal eines mit SDR implementierten FCCW Radars keine Sprünge zwischen den Frames aufweist und die Bandbreite maximal ausnutzt, wenn zwei mathematische Anforderungen erfüllt sind.
Wir haben ein FCCW Radar auf Basis eines kommerzielles SDR zum Senden und Empfangen von FCCW-Wellen aufgebaut und einen Algorithmus zur Signalverarbeitung entwickelt, um die Eignung dieses Verfahrens zur Detektion von Verschütteten zu bewerten. Wir haben mehrere Messungen mit dem Prototypsystem durchgeführt. Die Ergebnisse der Signalverarbeitung zeigen, dass das entwickelte Bioradar lebende Personen durch verschiedene nichtmetallische Baumaterialien hindurch erkennen kann. Das neue Bioradar kann sehr klein und kostengünstig hergestellt werden, so dass es sich für das Absetzen in unzugänglichen Bereichen eignet.
3. Extraktion und Auswahl signifikanter Signalverarbeitungsmerkmale zur Verbesserung der Klassifizierung von Bioradarmessungen.
Die Messbedingungen eines Bioradars sind äußerst komplex. Das wesentliche Ziel von Bioradarmessungen ist es, die Anwesenheit eines lebenden Opfers festzustellen. Neben der Atemfrequenz können viele aus dem Echosignal abgeleitete Variablen eine Bioradar-Messung beschreiben. Wir haben zum ersten Mal eine Merkmal-basierte Auswertung der Signale eines Bioradars vorgeschlagen. Zu diesem Zweck haben wir zunächst Bioradarmessungen unter Laborbedingungen durchgeführt und aus dem zugrundeliegenden, realen Versuchsaufbau mehrere virtuelle Variationen konstruiert, um die Vielfalt des Datensatzes zu erhöhen. Anschließend haben wir vier physikalische und fünf statistische quantitative Merkmale extrahiert, um die Messungen zu beschreiben. Danach haben wir zwei mathematische Methoden angewendet, um die vier wichtigsten Merkmale für eine erfolgreiche Klassifizierung auszuwählen. Wir haben ein Klassifizierungsmodell auf einer Support-Vector-Machine mit dem optimalen Merkmalssatz trainiert und die Auswirkungen verschiedener Faktoren, wie z.B. unterschiedliche Personen, Körperpositionen, leichte Zufallsbewegungen und Signalstärken auf die Erkennung untersucht. Wir haben gezeigt, dass die ausgewählten Merkmale analytisch aussagekräftig sind und bei unterschiedlichen Messbedingungen signifikant bleiben
Abstract: Over the past few decades, earthquakes have been the deadliest natural disasters, and most casualties in earthquakes are caused by building collapse. Quickly search of trapped alive victims is the prerequest for rescuing them. By far the most successful in finding victims are rescue dogs. However, dogs cannot differentiate between living victims and lately deceased victims, and they themselves are easily exhausted and injured. A ground-penetrating Doppler radar can emit electromagnetic waves that penetrate layers of gravel and directly detect the weak breathing signals of alive victims, making it a promising alternative technique, such a radar is known as bioradar. However, the masurement conditions of bioradar are much more complex than other ground-penetrating radar applications. Although bioradar has been researched and developed, there are still many technological challenges that need to be overcome to improve the mobility and detection reliability of bioradar.
The research of this thesis mainly focuses on three topics:
1. Miniaturization of the radar antenna to increase system mobility.
As the sensor of the radar system, the antenna has to radiate at frequencies that are suitable for penetrating layer of building materials. The radar signal must cover a wide bandwidth to provide information about the victim's depth and to eliminate interfering signals from the surrounding environment. For system mobility, the design should be small in size and light in weight. In this research, we focus on the optimization of an electrically small planar antenna design, whose radiation characteristics are jointly affected by many physical and geometric parameters of the antenna. Using a commercial ceramic patch antenna as the basis of the design, we have changed its resonant frequency to our desired band by reducing the metal patch size and investigated three techniques to increase the bandwidth: tuning the key geometric paramters, adding cuts on the edges, and adding parasitic radiators. The design was optimized through short cycles of simulation, fabrication, and measurement. The designed antenna has more than 40 MHz continuous -3 dB bandwidth around the 1.3 GHz center frequency. The techniques we used can be applied to design planar antennas for other applications, therefore we summarized the design procedure as a planar antenna design guideline.
2. Development of a small-sized and low-cost bioradar with improved resolution of respiratory signals.
Through a systematic investigation and comparison of different radar waveforms, we concluded that radars based on discrete spectrum measurement are more suitable for rescue radar applications than time-of-flight based radars. However, the effective scan rate of a conventional discrete-spectrum-measurement based stepped-frequency continuous wave (SFCW) radar, a CW radar that gradually tunes the measurement frequency, is usually low due to the time-consuming frequency hopping process. We have proposed the use of a novel waveform, a so-called frequency-comb continuous wave (FCCW). An FCCW radar emits a continuous frequency comb and is therefore inherently wideband. Bioradar using the FCCW waveform can be easily implemented using a software-defined radio (SDR). We have mathematically proven that the measurement signal of a software-defined FCCW radar has no jumping discontinuities between frames and utilizes the bandwidth to its maximum if two mathematical requirements are met.
We have built an FCCW radar based on a commercial SDR for transmitting and receiving FCCW waves and developed an algorithm for signal processing to evaluate the suitability of this method for the detection of buried victims. We carried out multiple measurements using the prototype system, and the signal processing results show that the developed bioradar can detect living persons through different non-metallic building materials. The new bioradar can be manufactured very small and inexpensively, making it suitable for dropping into inaccessible areas.
3. Extraction and selection of significant signal processing features to improve the bioradar measurement classification.
The measuring conditions of bioradar are extremely complex. The ultimate goal of bioradar measurements is to determine the presence of a living victim. In addition to the breathing frequency, many variables derived from the echo signal can describe a bioradar measurement. We have presented, for the first time, a feature-based assessment of bioradar signals. To this end, we first conducted bioradar measurements under laboratory conditions and derived multiple virtual scenes from the real one to increase the diversity of the dataset. We then extracted four physical and five statistical quantitative features to describe the measurements, and subsequently applied two mathematical methods to select the four most significant features for success classification. We trained a support vector machine classification model with the optimal feature set and investigated the impact of various factors, such as different individuals, body positions, slight random movements and signal strengths, on detection. We showed that the selected features are analytical meaningful and will remain significant for different measuring conditions
- Standort
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Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
- Umfang
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Online-Ressource
- Sprache
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Englisch
- Anmerkungen
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Universität Freiburg, Dissertation, 2025
- Klassifikation
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Elektrotechnik, Elektronik
- Schlagwort
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Radarsensor
Radar
Antennengruppe
Frequenzmodulation
Ultraweitband
Dauerstrichradar
- Ereignis
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Veröffentlichung
- (wo)
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Freiburg
- (wer)
-
Universität
- (wann)
-
2025
- Urheber
- Beteiligte Personen und Organisationen
- DOI
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10.6094/UNIFR/263016
- URN
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urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2630165
- Rechteinformation
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Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
- Letzte Aktualisierung
-
15.08.2025, 07:31 MESZ
Datenpartner
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Beteiligte
Entstanden
- 2025