GAZİ UNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNA

GAZİ UNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
MM 598 SEMİNER DERSİ
Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr. Tuncay KARAÇAY
Tez Öğrencisi : Alper ERMİŞ, 029100441
Tez Konusu : İzinsiz Girişlerin Zemin Titreşimlerinin Ölçümü ve Analizi İle Tespiti ve Çevre Güvenliğinin
Sağlanması
ÇALIŞMANIN AMACI
Bu çalışmada sismik sensörler kullanılarak belirli bir bölge içerisinde gezinen insanların tespit edilmesi
amaçlanmıştır. Birbirlerine belirli mesafelerde bulunan üç adet sismik sensörün uygun açılarla yerleştirilmesi
sonucu elde edilen bilgilerle ölçüm alanındaki yürüyen insan sayısı ve yürüme rotaları belirlenmeye
çalışılacaktır.
KAPSAM
İnsan algılama araştırmaları, sismik sensörlerin kullanılması ile adımlamanın analizi üzerine yoğunlaşmıştır. Bir
insan yürüdüğünde ayaklarının yere darbe şeklinde değmesi sonucu titreşim oluşur. Bu darbeler toprakta
kaynaktan uzaklaşarak yayılan sismik dalgalar şeklinde etki yaratır. Sismik dalgalar, gövde ve yüzey dalgaları
olarak iki kategoride incelenebilir. Yapılan çalışmalar insan hareketi sonucu oluşan dalgaların yüzey dalgaları
olarak iletildiğini göstermektedir (oluşan enerjinin %70 i Rayleigh dalgaları şeklinde geri kalan %30’u dünyanın
merkezine doğru gövde dalgaları şeklinde dağılmaktadır). Sismik dalgaların analizi, benzer pasif tespit
yöntemlerine göre daha zordur (akustik ve kızılötesi sinyal). Ancak gerek maliyet, gerekse tespit etme mesafesi
ve doğruluk oranı olarak sismik sensörler diğer sensörlere göre ön plana çıkmaktadır. Akustik yöntemlerle tespit
edilemeyen ayak sesleri sismik dalgalar sayesinde tespit edilebilmektedir. Akustik sensörlerin insan sesinin
mevcut olmadığı durumlarda tespit doğruluk oranları oldukça düşüktür. Atmosfer ve yüzey şartlarından akustik
ve kızılötesi sensörler daha fazla etkilenmektedir. Kızılötesi sensörlerin tespit etmesi gereken hedefi ile arasında
görüşünü bozacak bir engelin olmaması gerekmektedir. Bu dezavantajı engebeli bölgelerde kullanılmasını ve
doğru sonuçlar almasını zorlaştırmaktadır.
LİTERATÜR
Literatürde hedef tespiti, sınıflandırılması, verilerin toplanması ve analizi konularında kısıtlı çalışmalar
mevcuttur. Ağırlıklı olarak ordu ve sınır güvenliği konularında çalışmalar yapılmıştır. İnsan tanımlaması ve
tespiti ile ilgili U.S. patentleri mevcuttur[1],[2]. Michael S. Richman ve arkadaşları deprem ölçümleri ve su
bulma yöntemlerinden farklı olarak sismik dalgaların hedef tespiti ve yerinin belirlenmesi için
kullanılabileceğini tespit etmişlerdir. Yaklaşımları neticesinde 30 metreden hedef tespitinde bulunabilmişler ve
göreceli olarak hedefin yürüyüş yörüngesini tespit etmişlerdir.[3] Jinhui Lan, Yixin Yin ve arkadaşlarının yaptığı
çalışmada tipik araç hedeflerinin sismik sinyallerden özelliklerini çıkararak elde bulunan bilgilerden hedefin
kimliğini tespit etmeye çalışmışlardır. Gelişmiş algoritmalar kullanarak hata oranını minimuma indirmeyi
amaçlamışlardır[4]. Raju Damarla ve David Ufford yaptıkları çalışmada insan tespiti için bir algoritma
geliştirmişlerdir(Multi-modal multi sensor fusion algortihm). Akustik, sismik, kızılötesi sensörleri ve video
kamera kullanarak hepsinden ayrı datalar almış ve bu sensörlerin performansını ve doğruluk oranlarını
karşılaştırmışlardır[5]. James Lacombe ve arkadaşları ileri harekat üslerindeki personel ve mühimmatların
korunması amacıyla çeşitli testler yapmışlardır. Yürüme sonucu oluşan sismik dataları kullanan bir algoritma
hazırlamış, ve bu algoritma sayesinde %90 doğrulukta çalışan bir alarm sistemi kurmuşlardır[6]. Yuxin Tian ve
Hairong Qi sismik dataların kullanımındaki karışıklıktan ve zemin özelliklerindeki değişimden en az etkilenecek
yeni bir algoritma geliştirmişlerdir (Spectral Statisctic and wavelet coefficents characterization ). Bu algoritma
sayesinde sismik sinyalden frekans ve frekans-zaman analizi yaparak hedef vektörü bilgilerini elde etmiştir.
Uyguladıkları algoritma gerçek zamanlı çalışarak %90 doğru sonuçlar verdiğini tespit etmişlerdir [7]. William E.
Audette ve arkadaşları uyarlamalı gürültü iptali algoritması (ANC) ile geçerli metodları geliştirmiş ve
oluşturdukları test ortamında traktör motoru ve jeneratör gürültülerine rağmen yaklaşık 60 metreden insan
yürüyüşünü tespit edebilmişlerdir.
ÇALIŞMA YÖNTEMİ
Bu çalışmada sismik titreşimleri incelemek için üç adet yüksek
hassasiyet ve düşük frekans aralığı özelliğine sahip piezo-reziztif
ivmeölçer kullanılacaktır. Bu ivmeölçerlerin yerleştirildiği alanda
öncelikli olarak belirlenecek senaryolara göre gezinen insanlar için
titreşim ölçümleri alınacak ve zaman tanım bölgesi, frekans tanım
bölgesi ve zaman/frekans tanım bölgesinde analiz edilecektir. Elde
edilen analiz sonuçlarıyla belirli bir alan içerisinde insanın hem konumu
hem de takip edilmesi için algoritmalar geliştirilecektir.
Kullanılan Ekipmanlar: Çalışmada 3 adet KISTLER 8315A
modelinde ivme ölçer, veri toplama kartı ve elde edilen dataların
işlenmesi için MATLAB programı yüklü bir bilgisayar kullanılacaktır.
SONUÇ
Bu çalışmada sismik titreşim ölçümü ve analizi tabanlı bir sistem geliştirilecektir. Görsel olarak çalışan kamera,
gece görüş, infrared kamera gibi ekipmanların önünde engel olduğu durumda tespit konusunda yetersiz
kalmaktadır. Sismik tip titreşimler ise engellerin altından ilerleyebilmektedir. Bu çalışma ile mesafe olarak kısıtlı
kapasiteye sahip olsa da engel veya engebelerin arkasındaki insan girişimlerini de tespit eden bir sistem
oluşturulacaktır. Bu amaçla ölçüm sonuçlarını toplayan ve analiz eden bir algoritma geliştirilecek, ölçümler
farklı tanım bölgelerinde analiz edilerek tespit ve takip iyileştirilecektir.
KAYNAKLAR
1. James M. Sabatier, Alexander E. Ekimov, Carl K. Frederickson, “Methods for Detecting Humans”, United States
Patent, Patent No: US 7,894,305 B2. (2008)
2. Seung M. Choi, Ji Ho Chang, Jae II Cho, “Human Recognition Apparatus and Human Recognition Method”,
United States Patent Application Publication, Pub. No.: US 2010/0070187 A1. (2009)
3. Michael S. Richman, “Personel Tracking Using Seismic Sensors”, Unattended Ground Sensor Technologies and
Applications III, Edward M. Carapezza, Editor, Proceedings of SPIE Vol.4393 (2001)
4. Jinhui Lan, Yxin Yin, “Recognition of Moving Ground Targets by Measuring and Processing Seismic Signal”,
Science Direct Measurement 37 (2005) 189-199.
5. Raju Damarla and David Ufford, “Personnel Detection Using Ground Sensors”, Unattended Ground, Sea and
Air Sensor Technologies and Applications IX, Edward M. Carapezza, Editor, Proceedings of SPIE Vol.6562,
656205 (2007)
6. James Lacombe, “Seismic Detection Algortihm and Sensor Deployment Recommendations for Perimer
Security”, Unattended Ground, Sea and Air Sensor Technologies and Applications VIII, Edward M. Carapezza,
Editor, Proceedings of SPIE Vol.6231, 623109 (2006)
7. William E. Audette, “Improved Intruder Detection Using Seismic Sensors and Adaptive Noise Cancellation”,
Army Research Laboratory and The National Center for Physical Acoustics (2009).