Radio tomographic imaging with drones

Abstract

Radio tomographic imaging is a method of reconstructing two-dimensional images of an environment based on radio frequency received signal strength measurements. Many implementations exist for wireless sensor networks. In this thesis the feasibility of applying some known radio tomographic imaging techniques in a drone based, mobile context is evaluated. Both shadowing and variance based imaging methods are examined. The objective is to see if imaging of objects and individuals inside buildings can be achieved with a mobile and rapidly deployable system.

For the purpose of the research a mobile measurement platform was created using a drone, software defined radios, global navigation satellite system receivers, single board computers and other components. A robust, channel sounding based method was chosen to make the measurement system operable even in environments with high path loss such as buildings with concrete walls and other highly attenuating structures. The system includes one moving part, the radio receiver, and one stationary part, the radio transmitter. The system can be extended to multiple transmitters.

Several field experiments were conducted in three different environments: a open parking lot, a radar dome and a wooden barn. In these experiments for each scenario three to four sequential measurements with varying the transmitter position and moving the receiver either by flying drone or carrying it by person. Images of the environments were created using radio tomographic imaging formulations. In some of the images features of the environment are clearly seen across different measurements. Detecting individuals inside buildings is ambiguous, but apparently possible in some scenarios. In conclusion, the methods and experiments have produced some success, but further investigations would be needed in improving the performance. Multipath fading is a probable cause for difficulties in reconstructing clear images.

Radiotomografinen kuvantaminen on menetelmä, jolla kaksiulotteisia kuvia muodostetaan ympäristöstä radiotaajuuksilla vastaanotetun tehon mittauksiin perustuen. Monia toteutuksia on olemassa langattomilae anturiverkoilla. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan joidenkin radiotomografisten kuvantamismenetelmien soveltuvuutta drooniin pohjautuvassa liikkuvassa kontekstissa. Sekä varjostukseen, että varianssiin pohjautuvia kuvantamismenetelmiä tarkastellaan. Tavoitteena on selvittää voiko esineitä ja ihmisiä rakennusten sisällä kuvantaa liikkuvalla ja nopeasti sijoitettavalla järjestelmällä.

Tätä tutkimusta varten tehtiin liikkuva mittausjärjestelmä droonilla, ohjelmistoradioilla, satelliittipaikannusvastaanottimilla, yhden piirilevyn tietokoneilla ja muilla komponenteilla. Robusti kanavamittaukseen perustuva menetelmä valittiin, jotta mittausjärjestelmä olisi käyttökelpoinen myös korkean etenemishäviön ympäristöissä kuten rakennuksissa betoniseinillä ja muilla voimakkaasti vaimentavilla rakenteilla. Järjestelmä sisältää yhden liikkuvan osan, radiovastaanottimen, ja yhden liikkumattoman osan, radiolähettimen. Järjestelmän voi laajentaa useammalle lähettimelle.

Useita kenttäkokeita tehtiin kolmessa eri ympäristössä: avoin pysäköintialue, tutkapallo ja puinen lato. Näissä kokeissa jokaisessa skenaariossa kolmesta neljään peräkkäistä mittausta tehtiin vaihtamalla lähettimen paikkaa ja liikuttamalla vastaanotinta joko droonilla lentämällä tai kantamalla. Kuvia ympäristöistä tehtiin radiotomografisilla kuvantamismenetelmillä. Joissain kuvissa ympäristön piirteet näkyvät selvästi useissa mittauksissa. Ihmisyksilöiden tunnistaminen rakennusten sisältä on tulkinnanvaraista, mutta nähtävästi mahdollista joissain skenaarioissa. Yhteenvetona menetelmät ja kokeet ovat olleet jokseenkin menestyksekkäitä, mutta jatkotutkimuksia tarvitaan suorituskyvyn parantamiseksi. Monitie-etenemisestä johtuva häipyminen on todennäköinen syy vaikeuksiin muodostaa selviä kuvia.