Шевгунов Тимофей Яковлевич

Алгоритм обнаружения неподвижного человека на основе циклических признаков сигналов дыхания

2025 · ARTICLE · ru

Постановка проблемы. Бесконтактное выявление признаков жизненной активности человека является актуальным направлением исследований, формирующим научный задел для решения задачи достоверного обнаружения человека и предварительной оценки его физического состояния. Своевременность обнаружения остающихся неподвижными в течение длительного времени людей является критичной в тех случаях, когда необходимо принятие решений о проведении или отказе от проведения активных спасательных мероприятий в тех случаях, когда существует возможность того, что после природных или техногенных катастроф живые люди, неподвижные или зафиксированные внешними объектами, остаются заблокированными в полостях, образованных из обвалившихся и поврежденных панелей, использованных при возведении зданий и сооружений. Проведённый анализ признаков жизненной активности человека показал, что наибольшей мощностью обладает сигнал, порождаемый процессом дыхания, при котором происходят квазипериодические перемещения грудной стенки в силу ритмического изменения объёма лёгких. Было показано, что такой процесс в принятом радилокационном отклике проявляется в виде случайного сигнала, для описания свойств которого может быть использована модель циклостационарного случайного процесса. Такое представление является предпосылкой для разработки алгоритма идентификации сигнала дыхания во вторичном радиолокационном сигнале на основе выявления характерных циклических частот в оценках спектральных корреляционных функций. Цель. Целью работы является разработка алгоритма обнаружения признаков жизненной активности неподвижного человека в форме алгоритма цифровой обработки вторичных радиолокационных сигналов, основанного на оценивании параметров циклостационарных моделей представления сигналов дыхания. Результаты. В статье представлена блок-схема разработанного алгоритма обработки вторичных радиолокационных сигналов для выявления характерных циклических частот специфичных для сигналов дыхания неподвижного человека. Основная процедура алгоритма состоит в последовательной обработке сигналов, содержащихся в строках дальности радиолокационного кадра, и включает себя предварительную обработку для удаления низкочастотного смещения и высокочастотного шума, формирование оценки спектральной корреляционной функции и вычисление псевдомощности на её основе, отбор циклических частот, превышающих переменный порог. Работа алгоритма продемонстрирована на экспериментальных данных, полученных с использованием радиолокационной системы, излучающей сигналы со ступенчатой частотной модуляцией. Практическая значимость. Предложенный алгоритм обнаружения признаков дыхания человека во вторичных сигналах, обрабатываемых радиолокационной системой, может быть использован при разработке новых и модернизации существующих технических решений, таких как комплексы бесконтактного мониторинга здоровья и безопасности объектов, узкоспециализированные решения, предназначенные для обнаружения выживших в завалах или для помощи людям с ограниченными возможностями.

Comparative analysis of the characteristics of promising apsk modulation schemes in wireless telecommunications

2025 · ARTICLE · en

Растущие требования на использование высокоскоростных и энергоэффективных каналов передачи данных большой ёмкости в современных и перспективных телекоммуникационных сетях привели к возрастающему интересу к вопросам формирования и применения сигналов с новыми созвездиями. Сформулированы требования к форме сигнальных созвездий в связи с появлением новых технологий беспроводных телекоммуникаций. Выбраны перспективные варианты модуляционных схем APSK с круговыми сигнальными созвездиями, которые включают сигналы с нерегулярной hexagonal quadrature amplitude modulation (IHQAM), сигналы с circular θ-quadrature amplitude modulation (CTQAM), а также сигналы стандартов Digital Video Broadcast System (DVB) S2X и MIL-STD-188-110. Для сравнения эффективности APSK сигналов использовались три показателя: коэффициент качества созвездия (CFM), отношение пиковой к средней мощности (PAPR) и вероятность символьной ошибки (SEP). По выбранным метрикам получены аналитические выражения показателей качества изучаемых сигналов и проведен их численный расчет. Сформулированы рекомендации о целесообразности использования исследуемых сигналов с круговыми созвездиями в современных и перспективных беспроводных телекоммуникационных сетях. Чтобы показать правильность предложенных аналитических выражений, приведены некоторые результаты точного компьютерного моделирования.

The Development of a Respiration Signal Detecting Algorithm Exploiting Cyclostationary Properties

2025 · CHAPTER · en

The paper presents an algorithm for processing secondary radar signals that is based on identification of the characteristic cyclic frequencies specific to the breathing signals of a motionless human. The main procedure of the algorithm consists in sequential processing of signals contained in the range lines of a radar frame. It includes pre-processing to remove low-frequency offset and high-frequency noise, generating an estimate of the spectral correlation function and calculating pseudo-power based on it, and selecting cyclic frequencies exceeding a variable threshold. The operation of the algorithm is demonstrated using experimental data obtained using a radar system emitting signals with step frequency modulation. The proposed algorithm can be used in the development of new and modernization of existing technical solutions, such as radar systems for non-contact monitoring of the health conditions, highly specialized radars detecting survivors in rubble or electronic aids for people with disabilities.

Метод оценки частно-временной плотности вероятности цифрового сигнала с использованием линейной интерполяции

2024 · ARTICLE · ru

В работе представлена разработка нового инструмента частно-временного (fraction-of-time) подхода, в рамках которого случайный процесс описывается с использованием функциональных моделей, синтезируемых по его единственной наблюдаемой реализации, без необходимости построения абстрактных вероятностных моделей в условиях отсутствия достоверной априорной информации о проявлении процессом свойства эргодичности. На основе полученной ранее аналитической формулы, выражающей частно-временную плотность непрерывного сигнала в явной форме, был предложен метод оценки частно-временной плотности цифрового сигнала. В качестве аппроксимирующей модели, используемой для восстановления сигнала непрерывного времени из отсчётов цифрового, была выбрана кусочно-непрерывная линейная функция. Применение интерполяции моделью первого порядка позволило разработать быстродействующий алгоритм цифровой обработки сигналов, формирующий аналитическое выражение для оценки частно-временной плотности наблюдаемого сигнала. Показано, что синтезируемое выражение будет состоять из двух частей – регулярной, представленной суммой прямоугольных импульсов, и сингулярной, представленной суммой дельта-функций Дирака. В качестве демонстрации работы разработанного алгоритма оценивания представлены результаты моделирования для трёх случаев, включающих периодический сигнал, стационарный случайный процесс с известной корреляционной функцией и циклостационарный процесс второго порядка. Для наиболее сложного случая циклостационарного процесса предложенный алгоритм продемонстрировал выигрыш в оценке плотности вероятности по сравнению с известным методом ядерной оценки плотности вероятности при выборе гауссовской функции сглаживания. В качестве ожидаемого направления практического применения разработанных в рамках проведенного исследования метода и алгоритма на его основе рассматривается повышение качества решения задач анализа данных, для которых точность оценок плотности вероятности имеет существенное значение, например, задач обнаружения случайных сигналов с неизвестными параметрами.

On Non-Symmetric Forms of Time-Varying Autocorrelation Function in the Analysis of Cyclostationary Processes

2024 · CHAPTER · en

The paper is aimed at investigating the difference between different forms of time-varying autocorrelation function (TVACF) used for the quantitative expression of the second-order statistical properties exhibiting by non-stationary random processes. The generalized form of TVACF is proposed where the position of the current time moment can be set by means of additional parameter. The relation between the generalized form of TVACF and its symmetric form is derived for the components of the corresponding cyclic autocorrelation function (CACF). Some invariant has been highlighted which does not depend on the form chosen for the process modelling or estimation. Some symmetry properties held by CACF are discussed. A pulse-amplitude modulated process is considered as a modelled process which sets up an illustrative example which helps to show the visual difference between the correlation diagrams depicting three forms of TVACF used most frequently in the research sources on cyclostationary analysis.

Equivalent Exchange Method for Decision-Making in Case of Alternatives with Incomparable Attributes

2023 · ARTICLE · en

The paper is focused on searching for novel methods aimed at improving the performance and usability of a common decision-making process where a panel of experts are assisted by specialized software systems. An equivalent exchange method (EEM) is considered in the paper as a potential candidate for a versatile method applicable in expert decision-making process for solving problems in various subject domains. The method is formally described in the paper in the form of an iterative algorithm where each iteration leads to the reduce in the number of alternatives under consideration until it converges to the preferable one. The key feature of EEM consists in the fact that the original comparison between multiple alternatives described by many attributes measured in different units is replaced by the sequence of simple exchanges between pairs of alternatives where only two attributes are engaged at once. The numerical example illustrating the full run of the algorithm is thoroughly described, so the actions performed in the steps of the algorithm are explained. The case of the successful implementation of EEM as the module of Expert Decision Support System is also presented.

Cyclic Detectors in the Fraction-of-Time Probability Framework

2023 · ARTICLE · en

The signal detection problem for cyclostationary signals is addressed within the fraction-of-time probability framework, where statistical functions are constructed starting from a single time series, without introducing the concept of stochastic process. Single-cycle detectors and quadratic-form detectors based on measurements of the Fourier coefficients of the almost-periodically time-variant cumulative distribution and probability density functions are proposed. The adopted fraction-of-time approach provides both methodological and implementation advantages for the proposed detectors. For single-cycle detectors, the decision statistic is a function of the received signal and the threshold is derived using side data under the null hypothesis. For quadratic-form detectors, the decision statistic can be expressed as a function of the received signal without using side data, at the cost of some performance degradation. The threshold can be derived analytically. Performance analysis is carried out using Monte Carlo simulations in severe noise and interference environments, where the proposed detectors provide better performance with respect to the analogous detectors based on second- and higher-order cyclic statistic measurements.

Development of the Phaseless Calibration Algorithm for a Digital Antenna Array

2023 · ARTICLE · en

In this paper, we will discuss a calibration algorithm for a digital antenna array that diagnoses its real performance. It can be applied at such stages of the antenna system life cycle as design, tuning, and especially maintenance. A calibration implementation using a scalar method for a multi-beam digital antenna array is proposed and investigated. On-the-fly calibration ensures a continuous improvement in beam pointing accuracy by reducing internal errors in the receiving (transmitting) channels. The purpose of the study is to experimentally examine the capabilities of digital beamforming to increase the angle-of-arrival estimation accuracy. A simulation model of the receiving antenna was created in an anechoic chamber with a planar antenna positioner. The possibility of precise estimation of the direction of arrival using the digital beamforming with electronic scanning was demonstrated. The proposed simulation model made it possible to observe the convergence of the antenna array calibration process using the proposed method for various errors in the signal paths, as well as different signal-to-noise ratios. It has been proven that even under adverse conditions early in the calibration algorithm, the phase error detection converges with high accuracy, and its value decreases uniformly even to the fractions of an angular degree.

Алгоритм оценки спектральной корреляционной функции с использованием двумерного быстрого преобразования Фурье

2023 · ARTICLE · ru

Предложен алгоритм оценивания спектральной корреляционной функции (СКФ) циклостационарных случайных процессов (ЦССП) по их реализациям конечной длительности. Описаны основные шаги алгоритма и формализованы основные операции, выполняемые на каждом из них. Представленные результаты оценивания СКФ при наличии коррелированного стационарного шума, перекрывающего анализируемый ЦССП в частотной области, подтверждают эффективность работы алгоритма в условиях низкого отношения сигнал-шум. Проведена оценка количества требуемых вычислительных операций и необходимого объема памяти ЭВМ для хранения промежуточных результатов.

Ranking Requirements Using MoSCoW Methodology in Practice

2022 · CHAPTER · en