Position Detection of Human Vital Signal using a Phased Array Antenna : 위상 배열 안테나를 이용하여 구획별 탐색이 가능한 인간 생체신호 탐지 시스템

국문 초록 (Abstract)

(초 록)
최근 생체 신호를 측정하기 위한 여러 가지 방법이 연구되고 있다. 직접 접촉 방식의 측정은 측정 단이 신체에 직접 접촉 상태를 유지해야 하므로, 번거로움이 따른다. 레이더는 무선 주파수를 전송하는 전기 시스템으로, 측정 대상에 전자기파를 방사하여 반사된 주파수를 분석하므로 직접 신체에 접촉하지 않고 인간의 생체 신호를 측정할 수 있다. 무선 방식으로 측정하
는 시스템은 잡음에 민감한 특성을 갖기 때문에, 원하는 신호를 파악하기가 쉽지 않다. 이에 본 논문에서는 작은 크기로 위상을 조절할 수 있는 LHTL을 기반으로 한 위상 변위기를 적용한 위상 배열 안테나를 이용한 레이더 시스템을 제안하였다. 위상 배열 안테나를 이용한 레이더 시스템은 전기적 제어를 통하여 원하는 방향에 빔을 방사할 수 있으므로 구획별 신호 탐색에 용이하며, 높은 이득을 가지므로 낮은 세기의 신호도 탐지가 가능하다. 또한 레이더 시스템에서 측정한 신호의 분석 시에는, 잡음이 존재하는 환경에서 생체 신호를 명확하게 판별하기 위해 소프트웨어 처리를 적용하여 신호의 변환 과정에서 발생하는 DC 신호와 잡음 제거를 수행하고, 적분의 도입으로 측정 시간에 따라 생체신호의 존재 여부를 결정하는 알고리듬을 적용하였다. 이로 인해 잡음이 포함될 수 있는 일반적인 환경에서의 신호 측정의 정확도 및 신뢰도 향상에 크게 이점을 갖고 종전의 분석기법보다 빠른 결과의 판단을 가능하게 하였다.
상기한 위상 배열 안테나를 이용하여 측정 구역을 나눌 수 있다. 이러한 시스템의 특성을 이용하여 0° 및 ±20°의 방향에서의 실험의 결과, 신호가 존재할 때와 존재하지 않을 때의 신호 분석의 결과 수치의 차이가 최소 5.74배 이상이었다. 실험 과정에서 사용된 알고리즘을 적용할 경우, 알고리즘을 적용하지 않았을 때보다 더 높은 정확도를 가지고 존재 유무를 판별할
수 있었고, 이러한 결과는 알고리즘의 도입의 신뢰성을 더 높게 평가할 수 있게 만들었다. 제안된 시스템은 원하는 구획 내에서 안정적으로 작은 크기의 신호를 탐지하는데 성공하였다.
본 시스템에서 적용된 DC-offset을 제거하기 위한 선형 회귀 분석, 잡음을 제거하는 사비츠키-골레이 필터링과 더불어 신호의 유무 판별을 처리하기 위해 적용되는 적분을 포함하는 알고리듬은 필요에 따라 다양한 주기의 신호 측정이 가능하므로, 이로 인해 호흡 신호, 심장 박동 등의 생체 신호뿐만 아니라 주기의 특성을 아는 여러 가지 작은 신호를 검출하는 데에 효과적인 적용이 가능하다. 이러한 특성으로 인해, 제안된 시스템은 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 본 논문에서 제안된 시스템은 생체 신호의 탐지뿐만 아니라 작은 신호의 검출, 분석이 필요한 군사, 탐지, 보안, 보건 등의 영역에서 사용 가능할 것으로 생각된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Theory related to the proposed RADAR System 3
• 2.1 Overview of the Proposed System 3
• 2.2 Phased Array Antenna Theory 5
• 2.2.1 Single Patch Antenna 5
• 2.2.2 Array Antenna Theory 7
• 2.2.3 Left-handed Transmission Line based Phase Shifter 11
• 2.2.4 Phased Array Antenna 16
• 2.2.5 Transmitter and Receiver of the System 17
• 3. Implementation of the Proposed System 20
• 3.1 Fabricated Phased Array Antenna 20
• 3.1.1 Single Patch Antenna 20
• 3.1.2 4 X 4 Array Patch Antenna 21
• 3.1.3 Phase Shifter 24
• 3.1.4 Array Antenna Characteristics 26
• 3.2 Fabricated Transmitter and Receiver 28
• 4. Software Algorithm used to enhance signal verification 32
• 4.1 Algorithm configuration 32
• 4.2 Eliminate DC-Offset with Curve-Fitting 32
• 4.3 Noise attenuation by application of Savitzky-Golay filter 34
• 4.4 Quantification of Signal through Integration 36
• 4.5 Practical Algorithm Application Case 36
• 5. The Experimental results of the whole RADAR system 38
• 5.1 Experiment Conditions 38
• 5.2 Experiment Result 39
• 6. Conclusion & Future work 42
• Reference 43
• Abstract 44