Non-Contact Detection of Simulated Vital Signs with Frequency Modulated Continuous Wave Radar

Abstract

The recent use of radars in indoor applications has made them a part of live. The probability of seeing radars anywhere in living area (house, car, street) has increased considerably. In parallel with this increase, radar applications that make life easier have emerged. In particular, the ability of radars to detect the presence of an object without contact has enabled them to find their place in medical applications. Non-contact detection of vital signs with radars is among the remarkable studies recently. Since there is no contact situation (probe, etc.) for the patient in this determination, it provides freedom of movement and also facilitates the work for those who will perform the surveillance. The simple structure of the Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMCW), its low cost, its ability to detect range and its less susceptibility to noise compared to pulse radars make it one step ahead of other radars. In addition, the disadvantage of continuous wave radars (CW) that cannot detect more than one target is eliminated by FMCW radar. FMCW can distinguish multiple targets from each other, depending on the radar range resolution. In this study, chest wall motion due to respiration and heartbeat was simulated and detected by FMCW radar. An algorithm has been presented to make the detection. First of all, the range of the targets is determined and then the vital signs are calculated. By using multiple stationary targets, targets at 5 and 8 meters are detected with 0% and 1.56% error rates, respectively. Respiration and heart rates present at these targets are determined with an error rate of 2.29% for both targets, respectively. The preliminary results show that the FMCW radar has high success in detecting range and the existence of vital signs originating from displacement. It is anticipated that in the future, applications carried out with contact measurements will be replaced by radars. 

Keywords

• Frequency Modulated Continuous Wave Radar
• Range detection
• Vital signal detection
• Non-contact measurement
• Simulation

Elektrik Tesislerinde Gerilim Kararlılığının Sağlanması için Kullanılan Yöntemler

Öz

Güç sistemlerinin büyümesi, hatlardaki sıkışıklığın artması nedeniyle güç sistemlerinde kararlılık kritik bir konudur. Kararlılık sorunu genellikle talep edilen reaktif gücün karşılanamamasından ve yükteki artışlardan meydana gelmektedir. Yeni hat kurulum maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle varolan hatların maksimum kapasitede çalıştırılıyor olması da gerilim kararsızlığına sebep olmaktadır. Gerilim kararlılığında bara gerilimlerinin belirlenen güvenli sınır değerlerde kalması esastır. Gerilim değerleri bu sınırlar aralığında kalmadığı taktirde hem tüketici tarafında hem de şebeke tarafında sorunlara yol açmaktadır. Şebekeden gereğinden fazla reaktif güç çekilmesi hatlarda sıkışıklığa neden olmaktadır. Bu nedenle reaktif güç, gücün tüketileceği yere yakın bir yerden sağlanırsa hem iletim hatlarının gereksiz yüklenmesinin önüne geçilmiş olur hem de kayıplar azaltılmış olur. Ayrıca dağıtım trafoları daha fazla yükü besleyebilir. Sisteme reaktif güç desteği sağlayabilmek ve sistemi kararlı hale getirebilmek için literatürde çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Kompanzasyon sistemleri, trafo kademe değiştiricileri, yük atma, FACTS cihazları bunlardan bazılarıdır. Bu çalışma literatürdeki çalışmaların incelemesini içermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Gerilim kararlılığı
• Kompanzasyon
• Reaktif güç talebi

References

1. Ahmet OVA. (2017). Güç Sistemlerinde PV-QV Eğrisi Yöntemi İle Statik Gerilim Kararlılığı Analizi.
2. Baysal, M., Uzunoğlu, M., & Kocatepe, C. (2007). Güç Si̇stem Geri̇li̇m Kararlılığında Yük Modellemeleri̇ni̇n Önemi̇. 12. ELEKTRİK-ELEKTRONİK-BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ ULUSAL KONGRESİ, 321–325.
3. Bozali, B., Öztürk, A., & Tosun, S. (2018). Determination of Connection Locations of FACTS Devices to Improve Power System Stability. Nevşehir Bilim ve Teknoloji Dergisi, December 2018, 123–1. https://doi.org/10.17100/nevbiltek.443223
4. Gökçek, T., & Ateş, Y. (2019). Dağıtık Güç Üretiminin Şebekeye Entegrasyonu ve Olası Etkilerinin İncelenmesi. European Journal of Science and Technology, 15, 216–228. https://doi.org/10.31590/ejosat.521350
5. Ingole, D. A., & Gohokar, P. D. V. N. (2017). Voltage Stability Improvement in Multi-bus System Using Static Synchronous Series Compensator. Energy Procedia, 117, 999–1006. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.05.221
6. Jianjun, Z., Dong, Z., Yang, G., & Zhihong, Y. (2018). Load shedding control strategy for power system based on the system frequency and voltage stability(Apr 2018). China International Conference on Electricity Distribution, CICED, 201804230000057, 1352–1356. https://doi.org/10.1109/CICED.2018.8592262
7. Joseph, A., Smedley, K., & Mehraeen, S. (2020). Secure Power Distribution Against Reactive Power Control Malfunction in DER Units. IEEE Transactions on Power Delivery, July 2020, 8977(c), 1–1. https://doi.org/10.1109/tpwrd.2020.3011376
8. M. Kenan Döşoğlu, Salih Tosun, Ali Öztürk, G. P. (2013). Faz Kaydırıcı Transformatörlerin Statik Gerilim Kararlılığı Üzerindeki Etkilerinin İncelenmesi. Journal of Advanced Technology Sciences, 2(3), 43–52.

9. Masikana, S. B., Sharma, G., Akindeji, K., & David, I. E. (n.d.). Voltage Stability Enhancement Studies for Distribution Network with Installation of FACTS.
10. Memarzadeh, G., & Esmaeili, S. (2018). Voltage and reactive power control in distribution network considering optimal network configuration and voltage security constraints. Scientia Iranica, 0(0), 0–0. https://doi.org/10.24200/sci.2018.20565
11. Muhammed Mustafa ERTAY, Z. A. (2012). Güç si̇stemleriınde facts uygulamaları. 4(2), 40–58.
12. Salih Tosun, A. Ö. (2018). Faz Kaydırıcı Transformatörlerin Dinamik Gerilim Kararlılığına Etkileri. 469–480.
13. T. Yalçınöz H. Altun ve H. Karadal. (2004). Farklı Topolojiye Sahip MLP Yapay Sinir Ağları ile Enerji Sistemlerinde Gerilim Kararlılığı Analizi. The 13thTurkish Symposium on Artificial Intelligence and Artificial Neural Networks, Pp. 547-554, June 10-11 2004, İzmir, Turkey.
14. Tosun, S, Öztürk, A., Yalçın, M., Döşoğlu, K., & Güvenç, U. (2011). Güç Sisteminde SVC ve STATCOM Denetleyici Etkilerinin İncelenmesi. International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Güç, 287–292. http://web.firat.edu.tr/iats/cd/subjects/Electrical%26Electronics/EAE-60.pdf
15. Tosun, Salih. (2011). Güç Si̇stemleri̇nde Geri̇li̇m Kararlılığının Sezgi̇sel Yöntemlerle İncelenmesi̇.
16. Tuttokmağı, Ö., & Kaygusuz, A. (2019). Transient Stability Analysis of Power Systems with Distributed Generation. 2019 International Conference on Artificial Intelligence and Data Processing Symposium, IDAP 2019. https://doi.org/10.1109/IDAP.2019.8875935
17. Yang, J., Li, G., Wu, D., & Suo, Z. (2013). The impact of distributed wind power generation on voltage stability in distribution systems. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, APPEEC. https://doi.org/10.1109/APPEEC.2013.6837205