Advanced

Method for coupling modulatedscattered light from free flyinginsects to harmonics and theirrelative phases

Patricks, Martin LU and Anderberg, Ludvig (2020) PHYM01 20192
Combustion Physics
Department of Physics
Mathematical Statistics
Abstract
Using laser it is possible to measure the backscattered light from insects. The resulting signal can then be analysed in order to potentially determine the species of the insect. Estimating the fundamental wing beat frequency (FWBF) of insects is important in order do this classification of species, which is an area of research that has been explored previously. In this thesis, the relative phase of the FWBF and its overtones are analyzed with the matched phase reassignment (MPR) method. The frequencies are estimated with the matched reassignment (MR) method. The results of the phase estimations are dependent on variables such as the FWBF, noise levels and number of overtones. Furthermore, the results from the frequency estimation affects... (More)
Using laser it is possible to measure the backscattered light from insects. The resulting signal can then be analysed in order to potentially determine the species of the insect. Estimating the fundamental wing beat frequency (FWBF) of insects is important in order do this classification of species, which is an area of research that has been explored previously. In this thesis, the relative phase of the FWBF and its overtones are analyzed with the matched phase reassignment (MPR) method. The frequencies are estimated with the matched reassignment (MR) method. The results of the phase estimations are dependent on variables such as the FWBF, noise levels and number of overtones. Furthermore, the results from the frequency estimation affects the outcome of the phase estimation to a large extent, making the phase estimations vulnerable to wrongly classified frequencies.

In order to obtain real data an test chamber setup was built with the purpose of producing modulated scattered light from free flying insects. The setup used two continuous-wave lasers with the wavelengths 808 nm and 1320 nm. The setup also used a camera to allow a 3D reconstruction of the recorded insects flight path. This setup worked as intended and recorded data was obtained from fruit flies (drosophila melanogaster).

It can be concluded that the phase estimations work well for data with low amounts of noise and for FWBFs. Higher levels of noise corrupt the signal too much for the MPR method to work as intended. The same goes for higher FWBFs where the results are not as good on lower frequencies. This, however, is because of the frequencies being wrongly estimated which in turn leads to incorrect phases. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Insekter är en essentiell komponent i många ekosystem. Rollerna som de har är viktiga, vilka inkluderar spridning av växters frön, pollinering och att vara en källa till näring för andra djur. Dock finns aspekter med insekter som innebär hot för människor. Exempelvis kräver malaria cirka 400 000 människoliv per år, en sjukdom som förs vidare av myggor.

För att kunna bekämpa sjukdomar som malaria är det viktigt att få djupare förståelse och kunskap om dessa djur. Ett led i detta är att på ett korrekt sätt kunna klassificera dem, vilket tidigare har gjorts genom att exempelvis titta på vilken frekvens respektive insektsart slår med sina vingar. Som exempel har de vanliga bananflugorna en vingslagsfrekvens på cirka 200 slag i sekunden,... (More)
Insekter är en essentiell komponent i många ekosystem. Rollerna som de har är viktiga, vilka inkluderar spridning av växters frön, pollinering och att vara en källa till näring för andra djur. Dock finns aspekter med insekter som innebär hot för människor. Exempelvis kräver malaria cirka 400 000 människoliv per år, en sjukdom som förs vidare av myggor.

För att kunna bekämpa sjukdomar som malaria är det viktigt att få djupare förståelse och kunskap om dessa djur. Ett led i detta är att på ett korrekt sätt kunna klassificera dem, vilket tidigare har gjorts genom att exempelvis titta på vilken frekvens respektive insektsart slår med sina vingar. Som exempel har de vanliga bananflugorna en vingslagsfrekvens på cirka 200 slag i sekunden, medan en gulafebernmygga har en vingslagsfrekvens på cirka 900 slag i sekunden. Ett problem med denna metod är att det finns ett väldigt stort antal olika arter av insekter som är intressanta att analysera, vilket i sin tur gör att det är svårt att få en unik vingslagsfrekvens för varje specifik art.

I denna uppsats har de relativa faserna mellan insekters övertoner studerats, med motivering att det möjligen finns artspecifika egenskaper i faserna som kan hjälpa till med klassificering. Detta har gjorts med en nyligen utvecklad metod kallad matched phase reassignment. Denna metod hittar graden av synkronisering mellan två olika signaler och på så sätt skattas faserna för dessa. Algoritmen kan appliceras på enskilda signaler, i detta fall insektsdata, genom att estimera frekvenserna för insekten och sedan skapa surrogatdata med samma frekvens. Dessa två signaler är således helt synkroniserade när faserna överensstämmer, vilket i sin tur ger en fasestimering.

Resultaten visar på att metoden för att estimera faser är känslig för vilken typ av signal det är. I vissa fall fungerar det mycket väl (exempelvis för relativt låg nivå av brus samt en låg vingslagsfrekvens), medan i andra fall sämre. Som tidigare nämnts baseras fasestimeringen på synkroniseringen mellan två signaler. För att två signaler ska kunna vara synkroniserade är det en förutsättning att frekvenserna är samma. Det är alltså mycket viktigt att frekvensskattningen av insekterna blir bra, eftersom denna direkt påverkar skattningen av faser. I denna uppsats användes metoden \textit{matched reassignment} för att skatta frekvenserna hos insekter. Det var tydligt att för högre vingslagsfrekvenser var frekvensskattningen inte lika bra som för lägre, vilket innebär att fasestimeringen påverkas i stor utsträckning.

För att kunna titta på riktig data byggdes en experimentell uppställning. I denna användes olika typer av laser för att spela in data av levande insekter som sedan kunde analyseras. Denna uppställning fungerade mycket väl och kommer att kunna användas i framtiden för samma ändamål. Detta är således ett verktyg som möjliggör kontinuerlig analys av insekter och som kan vara ett steg i att få mer förståelse för dessa djur. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Patricks, Martin LU and Anderberg, Ludvig
supervisor
organization
course
PHYM01 20192
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
frequency estimation, phase estimation, matched phase reassignment, entomologic lidar, modulation spectroscopy, scattered light
language
English
id
9005846
date added to LUP
2020-03-05 11:54:56
date last changed
2020-03-05 11:54:56
@misc{9005846,
  abstract     = {Using laser it is possible to measure the backscattered light from insects. The resulting signal can then be analysed in order to potentially determine the species of the insect. Estimating the fundamental wing beat frequency (FWBF) of insects is important in order do this classification of species, which is an area of research that has been explored previously. In this thesis, the relative phase of the FWBF and its overtones are analyzed with the matched phase reassignment (MPR) method. The frequencies are estimated with the matched reassignment (MR) method. The results of the phase estimations are dependent on variables such as the FWBF, noise levels and number of overtones. Furthermore, the results from the frequency estimation affects the outcome of the phase estimation to a large extent, making the phase estimations vulnerable to wrongly classified frequencies.

In order to obtain real data an test chamber setup was built with the purpose of producing modulated scattered light from free flying insects. The setup used two continuous-wave lasers with the wavelengths 808 nm and 1320 nm. The setup also used a camera to allow a 3D reconstruction of the recorded insects flight path. This setup worked as intended and recorded data was obtained from fruit flies (drosophila melanogaster).

It can be concluded that the phase estimations work well for data with low amounts of noise and for FWBFs. Higher levels of noise corrupt the signal too much for the MPR method to work as intended. The same goes for higher FWBFs where the results are not as good on lower frequencies. This, however, is because of the frequencies being wrongly estimated which in turn leads to incorrect phases.},
  author       = {Patricks, Martin and Anderberg, Ludvig},
  keyword      = {frequency estimation,phase estimation,matched phase reassignment,entomologic lidar,modulation spectroscopy,scattered light},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Method for coupling modulatedscattered light from free flyinginsects to harmonics and theirrelative phases},
  year         = {2020},
}