NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS
Subject and Purpose. The subject of research is the flicker noise present in informative signals of search-and-rescue radars, specifically its properties and the effect it may have on algorithms for detecting and identifying manifestations of human breath and heartbeat processes during rescue operat...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1402 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Radio physics and radio astronomy |
Репозитарії
Radio physics and radio astronomy| id |
oai:ri.kharkov.ua:article-1402 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
|
| spellingShingle |
Sytnik, O. V. NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| topic_facet |
|
| format |
Article |
| author |
Sytnik, O. V. |
| author_facet |
Sytnik, O. V. |
| author_sort |
Sytnik, O. V. |
| title |
NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| title_short |
NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| title_full |
NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| title_fullStr |
NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| title_full_unstemmed |
NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS |
| title_sort |
noise property of breathing and heartbeat informative signals |
| title_alt |
ВЛАСТИВОСТІ ШУМІВ У ІНФОРМАЦІЙНИХ СИГНАЛАХ ДИХАННЯ ТА СЕРЦЕБИТТЯ |
| description |
Subject and Purpose. The subject of research is the flicker noise present in informative signals of search-and-rescue radars, specifically its properties and the effect it may have on algorithms for detecting and identifying manifestations of human breath and heartbeat processes during rescue operations. The work has been aimed at creating a suitable description of flicker noise for developing optimal algorithms of digital signal processing for quick detection and identification of informative signals during rescue missions.Methods and Methodology. The low-frequency fl icker noise has been modeled within the polynomial equations technique, proceeding from an analysis of real data on noise components in the output signals from a coherent search-and-rescue radar. A comparative analysis is done for a variety of approximating functions suggested for representing the low frequency portion of the spectrum observed.Results. For the low-frequency range wherein spectral components of the informative signal owing to respiration and heartbeat of humans are concentrated, an adequate model of the fluctuating interference is the flicker noise model built on the basis of polynomial equations. The problem of optimized model representation of the noise in digital signal processing algorithms has been analyzed for the case of a coherent search-and-rescue radar. A model of the fluctuating process has been suggested, based on a polynomial approximation for the spectral function in the low-frequency range of the signals observed at the radar output.Conclusion. Spectral characteristics of both interference and informative signals have been investigated. A structural diagram has been proposed for a high sensitivity, coherent search-and-rescue radar implementing a signal storage algorithm based on the polynomial model of the fl uctuating process. Th e advantages and disadvantages of the radar are discussed, with examples given of real signal implementations and of noise spectrograms. Methods of effective estimation of Doppler signal phases are presented. The paper suggests an analysis of basic requirements as to parameters and performance characteristics of the rescue radar.Keywords: polynomial model, flicker noise, algorithm, probe signals, low-frequency noise, Doppler-shifted signal, coherent search-and-rescue radar, opaque obstacles.Manuscript submitted 23.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(4): 284-288REFERENCES1. Sytnik, O.V., 2007. Identification of Slow-Moving Targets Out-side Optically Opaque Obstacles. Telecommunications and Radio Engineering, 66(18), pp. 1677—1683.DOI:https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v66.i18.602. Sytnik, O.V., 2015. Adaptive Radar Techniques for Human Breathing Detection J. Mechatron., 3(4), pp. 1—6. DOI:https://doi.org/10.1166/jom.2015.11143. Murao, K., Kohda, T., 1984. Intermittency with 1/f Power Spectrum in One-Dimensional Discrete Dynamical Systems. In: Proc. Int. Symp. on Noise and Clutter Rejection in Radars and Image Sensors, Tokyo, Japan, 22—24 Oct. 1984, pp. 94–99. DOI:https://doi.org/10.1109/ISEMC2.1984.75681094. Coram, G.J., McAndrew, C.C., Gullapalli, K.K. and Kundert, K.S., 2020. Flicker Noise Formulations in Compact Models. IEEE Trans. Comput. Aided Des. Integr. Circuits Syst., 39(10), pp. 2812—2821. DOI:https://doi.org/10.1109/TCAD.2020.29664445. Allan, D.W., Shoaf, J.H., and Halford, D., 1974. Statistics of Time and Frequency Data Analysis. NBS Monograph 140. Washington D.C., pp. 151—204.6. Levanon, N., Mozeson, E., 2004. Radar Signal. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. DOI:https://doi.org/10.1002/04716630857. Nguyen, T.V., Liqiong, T., Veysel, D., Syed, F.H., Nguyen, D.M., and Subhas, M., 2019. Review-Microwave Radar Sensing Systems for Search and Rescue Purposes. Sensors, 19(13), p. 28—79. DOI:https://doi.org/10.3390/s191328798. Zhang, J., Du, Y., and Yan, He, 2020. Code Design for Moving Target-Detecting Radar in Nonhomogeneous Signal-Dependent Clutter. Math.l Probl. Eng., id. 7609547. DOI:https://doi.org/10.1155/2020/76095479. Sytnik, O.V., 2014. Quasi-Optimal Receiver with Non-Coherent Discriminators for Rescuer Radar. J. Commun. Eng. Netw., 2(2), pp. 55—62. DOI:https://doi.org/10.18005/JCEN020200110. Taylor, J.D., 2012. Ultrawideband Radar. Applications and Design. Boca Raton, FL: CRC Press. DOI:https://doi.org/10.1201/b12356-211. Mishali, M., Yonina, C., 2009. Blind Multiband Signal Reconstruction: Compressed Sensing for Analog Signals. IEEE Trans. Signal Process., 57(3), pp. 993—1009. DOI:https://doi.org/10.1109/TSP.2009.2012791 |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2023 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1402 |
| work_keys_str_mv |
AT sytnikov noisepropertyofbreathingandheartbeatinformativesignals AT sytnikov vlastivostíšumívuínformacíjnihsignalahdihannâtasercebittâ |
| first_indexed |
2024-05-26T06:28:52Z |
| last_indexed |
2024-05-26T06:28:52Z |
| _version_ |
1802895109956567040 |
| spelling |
oai:ri.kharkov.ua:article-14022023-06-20T16:57:50Z NOISE PROPERTY OF BREATHING AND HEARTBEAT INFORMATIVE SIGNALS ВЛАСТИВОСТІ ШУМІВ У ІНФОРМАЦІЙНИХ СИГНАЛАХ ДИХАННЯ ТА СЕРЦЕБИТТЯ Sytnik, O. V. Subject and Purpose. The subject of research is the flicker noise present in informative signals of search-and-rescue radars, specifically its properties and the effect it may have on algorithms for detecting and identifying manifestations of human breath and heartbeat processes during rescue operations. The work has been aimed at creating a suitable description of flicker noise for developing optimal algorithms of digital signal processing for quick detection and identification of informative signals during rescue missions.Methods and Methodology. The low-frequency fl icker noise has been modeled within the polynomial equations technique, proceeding from an analysis of real data on noise components in the output signals from a coherent search-and-rescue radar. A comparative analysis is done for a variety of approximating functions suggested for representing the low frequency portion of the spectrum observed.Results. For the low-frequency range wherein spectral components of the informative signal owing to respiration and heartbeat of humans are concentrated, an adequate model of the fluctuating interference is the flicker noise model built on the basis of polynomial equations. The problem of optimized model representation of the noise in digital signal processing algorithms has been analyzed for the case of a coherent search-and-rescue radar. A model of the fluctuating process has been suggested, based on a polynomial approximation for the spectral function in the low-frequency range of the signals observed at the radar output.Conclusion. Spectral characteristics of both interference and informative signals have been investigated. A structural diagram has been proposed for a high sensitivity, coherent search-and-rescue radar implementing a signal storage algorithm based on the polynomial model of the fl uctuating process. Th e advantages and disadvantages of the radar are discussed, with examples given of real signal implementations and of noise spectrograms. Methods of effective estimation of Doppler signal phases are presented. The paper suggests an analysis of basic requirements as to parameters and performance characteristics of the rescue radar.Keywords: polynomial model, flicker noise, algorithm, probe signals, low-frequency noise, Doppler-shifted signal, coherent search-and-rescue radar, opaque obstacles.Manuscript submitted 23.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(4): 284-288REFERENCES1. Sytnik, O.V., 2007. Identification of Slow-Moving Targets Out-side Optically Opaque Obstacles. Telecommunications and Radio Engineering, 66(18), pp. 1677—1683.DOI:https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v66.i18.602. Sytnik, O.V., 2015. Adaptive Radar Techniques for Human Breathing Detection J. Mechatron., 3(4), pp. 1—6. DOI:https://doi.org/10.1166/jom.2015.11143. Murao, K., Kohda, T., 1984. Intermittency with 1/f Power Spectrum in One-Dimensional Discrete Dynamical Systems. In: Proc. Int. Symp. on Noise and Clutter Rejection in Radars and Image Sensors, Tokyo, Japan, 22—24 Oct. 1984, pp. 94–99. DOI:https://doi.org/10.1109/ISEMC2.1984.75681094. Coram, G.J., McAndrew, C.C., Gullapalli, K.K. and Kundert, K.S., 2020. Flicker Noise Formulations in Compact Models. IEEE Trans. Comput. Aided Des. Integr. Circuits Syst., 39(10), pp. 2812—2821. DOI:https://doi.org/10.1109/TCAD.2020.29664445. Allan, D.W., Shoaf, J.H., and Halford, D., 1974. Statistics of Time and Frequency Data Analysis. NBS Monograph 140. Washington D.C., pp. 151—204.6. Levanon, N., Mozeson, E., 2004. Radar Signal. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. DOI:https://doi.org/10.1002/04716630857. Nguyen, T.V., Liqiong, T., Veysel, D., Syed, F.H., Nguyen, D.M., and Subhas, M., 2019. Review-Microwave Radar Sensing Systems for Search and Rescue Purposes. Sensors, 19(13), p. 28—79. DOI:https://doi.org/10.3390/s191328798. Zhang, J., Du, Y., and Yan, He, 2020. Code Design for Moving Target-Detecting Radar in Nonhomogeneous Signal-Dependent Clutter. Math.l Probl. Eng., id. 7609547. DOI:https://doi.org/10.1155/2020/76095479. Sytnik, O.V., 2014. Quasi-Optimal Receiver with Non-Coherent Discriminators for Rescuer Radar. J. Commun. Eng. Netw., 2(2), pp. 55—62. DOI:https://doi.org/10.18005/JCEN020200110. Taylor, J.D., 2012. Ultrawideband Radar. Applications and Design. Boca Raton, FL: CRC Press. DOI:https://doi.org/10.1201/b12356-211. Mishali, M., Yonina, C., 2009. Blind Multiband Signal Reconstruction: Compressed Sensing for Analog Signals. IEEE Trans. Signal Process., 57(3), pp. 993—1009. DOI:https://doi.org/10.1109/TSP.2009.2012791 Предмет і мета роботи. Предметом дослідження є флікер-шум у спостережуваних сигналах, їх властивості та вплив на алгоритми виявлення й ідентифікації процесів дихання і серцебиття при обробці сигналів радара для рятувальників. Метою роботи є створення адекватного опису флікер-шуму для побудови оптимальних алгоритмів цифрового оброблення сигналів і швидкого виявлення та ідентифікації ознак інформаційних процесів при використанні доплерівського радара у рятувальних роботах.Методи та методологія. Для реалізації моделі низькочастотного флікер-шуму застосовано метод поліноміальних рівнянь. Методологія базується на аналізі експериментальних даних, що отримані з виходу когерентного радара для рятувальників, та порівнянні різних функцій для апроксимації спектрів низьких частот спостережуваного сигналу.Результати. Показано, що в низькочастотній смузі, де зосереджені спектральні складові інформаційного сигналу, який генерується диханням і серцебиттям, адекватною моделлю флуктуаційної інтерференції є модель флікер-шуму, що побудована на основі поліноміальних рівнянь. Досліджено проблему оптимального опису моделі шуму в алгоритмах цифрового оброблення сигналів у когерентній РЛС рятувальника. Побудовано модель флуктуаційного процесу на основі поліноміальної апроксимації спектральної функції в низькочастотному діапазоні спектра спостережуваних реалізацій процесу на виході радіолокатора.Висновок. Досліджено спектральні характеристики завад та інформаційного сигналу. Запропоновано структуру високочутливого когерентного радара для рятувальників, алгоритм накопичення сигналу якого використовує поліноміальнумодель флуктуаційного процесу. Обговорюються переваги та недоліки радара, наводяться реальні реалізації сигналів та спектрограми шумів. Розроблено методику ефективної оцінки фази доплерівського сигналу. Проведено аналіз основних вимог до параметрів і характеристик РЛС для рятувальників.Ключові слова: поліноміальна модель шуму, флікер-шум, алгоритм, зондувальні сигнали, низькочастотний шум, доплерівський сигнал, когерентний радар для рятувальників, непрозорі перешкодиСтаття надійшла до редакції 23.05.2022Radio phys. radio astron. 2022, 27(4): 284-288БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК1. Sytnik, O.V., 2007. Identification of Slow-Moving Targets Out-side Optically Opaque Obstacles. Telecommunications and Radio Engineering, 66(18), pp. 1677—1683.DOI:https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v66.i18.602. Sytnik, O.V., 2015. Adaptive Radar Techniques for Human Breathing Detection J. Mechatron., 3(4), pp. 1—6. DOI:https://doi.org/10.1166/jom.2015.11143. Murao, K., Kohda, T., 1984. Intermittency with 1/f Power Spectrum in One-Dimensional Discrete Dynamical Systems. In: Proc. Int. Symp. on Noise and Clutter Rejection in Radars and Image Sensors, Tokyo, Japan, 22—24 Oct. 1984, pp. 94–99. DOI:https://doi.org/10.1109/ISEMC2.1984.75681094. Coram, G.J., McAndrew, C.C., Gullapalli, K.K. and Kundert, K.S., 2020. Flicker Noise Formulations in Compact Models. IEEE Trans. Comput. Aided Des. Integr. Circuits Syst., 39(10), pp. 2812—2821. DOI:https://doi.org/10.1109/TCAD.2020.29664445. Allan, D.W., Shoaf, J.H., and Halford, D., 1974. Statistics of Time and Frequency Data Analysis. NBS Monograph 140. Washington D.C., pp. 151—204.6. Levanon, N., Mozeson, E., 2004. Radar Signal. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. DOI:https://doi.org/10.1002/04716630857. Nguyen, T.V., Liqiong, T., Veysel, D., Syed, F.H., Nguyen, D.M., and Subhas, M., 2019. Review-Microwave Radar Sensing Systems for Search and Rescue Purposes. Sensors, 19(13), p. 28—79. DOI:https://doi.org/10.3390/s191328798. Zhang, J., Du, Y., and Yan, He, 2020. Code Design for Moving Target-Detecting Radar in Nonhomogeneous Signal-Dependent Clutter. Math.l Probl. Eng., id. 7609547. DOI:https://doi.org/10.1155/2020/76095479. Sytnik, O.V., 2014. Quasi-Optimal Receiver with Non-Coherent Discriminators for Rescuer Radar. J. Commun. Eng. Netw., 2(2), pp. 55—62. DOI:https://doi.org/10.18005/JCEN020200110. Taylor, J.D., 2012. Ultrawideband Radar. Applications and Design. Boca Raton, FL: CRC Press. DOI:https://doi.org/10.1201/b12356-211. Mishali, M., Yonina, C., 2009. Blind Multiband Signal Reconstruction: Compressed Sensing for Analog Signals. IEEE Trans. Signal Process., 57(3), pp. 993—1009. DOI:https://doi.org/10.1109/TSP.2009.2012791 Видавничий дім «Академперіодика» 2023-06-15 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1402 10.15407/rpra27.04.284 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 27, No 4 (2022); 284 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 27, No 4 (2022); 284 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 27, No 4 (2022); 284 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra27.04 en http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1402/pdf Copyright (c) 2022 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |