Tez No |
İndirme |
Tez Künye |
Durumu |
447096
|
|
Space time adaptive processing (STAP) in multi input multi output (MIMO) radar / Çok girişli çok çıkışlı (ÇGÇÇ) radar larda uzay zaman adaptif işleme
Yazar:MEYSAM BEHNAM KHAJEHPASHA
Danışman: DOÇ. DR. MESUT KARTAL
Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Bilişim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Konu:Sivil Havacılık = Civil Aviation
Dizin:
|
Onaylandı
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
107 s.
|
|
Radar elektromanyetik dalgaları kullanarak, uçaklar, gemiler, uzay araçlar, arabalar,
insanlar, hava oluşumları, ve arazi gibi nesneleri tespit eden, konumunu ve hızını
belirleyen bir sistemdir. Radar belirli bir alana elektromanyetik dalgalar iletir ve
nesnelerden yansıyan yankı sinyalini alır. yansıyan dalgaya sinyal işleme algoritmaları
uygulayarak, yansıtan nesneleri tespit edilebilir. Bundan başka, nesne hızını ve
konumunu da tahmin edilebilir. Başlangıçta radar sadece askeri amaçla geliştirildi, ve
hala en yaygın kullanıcı ve radar teknoloji geliştiricisi askeri birimlerdir. Askeri
uygulamalara gözetim, navigasyon ve silah rehberliği dahildir. Ancak, radar artık
meteorolojik yağış tespiti, okyanus yüzey dalgalarını ölçme, hava trafik kontrolü,
trafik hızın polisi tespiti ve araç veya gemi çarpışmaları önleyen uygulamalar gibi daha
geniş bir yelpazeye sahiptir.
Bu tezin asıl katkısı çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) radarlarda yansıyan yayılmış
doppler yığılmayı hafifletmek için uzay-zaman adaptif işleminin (STAP)
genelleştirilmesidir. Çok girişli çok çıkışlı (MIMO) radar, birden fazla alıcı ve verici
antenlerden oluşan ve her iletim elemanları üzerinde bağımsız dalga formları iletebilen
bir radar sistemidir. Birçok geleneksel çoklu anten radar kavramları, fazlı-dizi, sentetik
açıklıklı radar (SAR), polarimetri ve enterferometre gibi, MIMO radarın özel bir
tasarım şekli gibi gözüksede, Bağımsız dalga iletebilen çok antenli radar sisteminin
belirgin avantajı, serbestlik derecesi sayısının artışından kaynaklanan algılama ve
parametre tahmin görevlerinde çözünürlük ve performansın Geliştirilmesidir.
MIMO radar, solma azaltma, çözünürlük geliştirme, ve parazit bastırma gibi
görevlerde önemli potansiyellere sahiptir. Bütün bu potansiyelerden faydalanarak
hedef tespiti, parametre kestirimi, hedef izleme ve tanıma performansında önemli
ölçüde geliştirilmeye neden olabilir. MIMO radar teknolojisi hızla birçok
araştırmacının büyük ilgisini çekmiştir. MIMO radarın birçok avantajı, hedef
bilgilerinin çeşitlilik artışı, mükemmel parazit ret yeteneği, parametre tanımlama
gelişmesi ve gönderme beampattern tasarımı için esneklik sağlamak gibi birçok farklı
araştırmacılar tarafından tespit edilmiştir. MIMO radar tarafından tanıtılan serbestlik
dereceleri çok farklı yönlerde radar sistemlerinin performansını artırır. Ancak, aynı
zamanda bazı sorunlar oluşturur. Bu alınan sinyaller boyutlarının sayısını artırır.
Sonuç olarak, bu alıcının karmaşıklığını artırır. Ayrıca, MIMO radar vericisi
antenlerinden birbirinden tutarsız bir dalga biçimi iletir. Buda genellikte işlem
kazancı,faz dizili radar ile karşılaştırıldığında azaltır. Birden fazla keyfi dalga şekilleri
de radar sisteminin menzil ve Doppler çözünürlüğü etkiler.
MIMO radarın umut verici bir uygulaması uçuşan MIMO radar platformları kullanarak
yavaş hareket hedeflerin belirlenmesidir. Bu yapılandırmada MIMO kullanmanın
avantajı, daha az antenler ile daha büyük bir sanal dizi sentezleme yeteneğidir. Bu
yüksek uzaysal çözünürlüğü hemde zemin yığılma ile hedeflerden gelen yansımaların
daha iyi ayrılmasını sağlar. başlangıçta Tek giriş, Çoklu-çıkış (SIMO) radar için
geliştirilmiş uzay-zaman adaptif işleme (STAP) yöntemleri, alınan sinyallerin doğru
işlendikten sonra MIMO radar sistemleri için geçerlidir. STAP algoritmasının
performansı kritik esas noktası kovaryans matrisinin yapısıdır; Bu nedenle, MIMO
STAP yöntemleri dağınıklık istatistiklerinin teorik ve deneysel çalışmalarından büyük
ölçüde yararlanacaktır.
Özel ilgi konusu, dağınıklığın iletim ve alıcı dizilereden çok yönlü yayılmalara maruz
kalmasıdır. Zemin ya da okyanus yüzeyinden yansiyan çoklu ionosferik saçılmaları
ile, en önemli ufuk ötesi (OTH) çoklü dağınıklılık radar verileri elde edilebilir buda
önemli yayılmış Doppler frekansı ve dalga sayılarına neden olur. Bu durumda,
geleneksel tek-giriş çoklu çıkış (SIMO) STAP doppler yayılım mainlobunu belirli
hedefi bastırmadan azaltamıyor.
Hafif bir değişiklik yaparak başlangıçta tek giriş çoklu çıkış (SIMO) radar (faz dizili
radar) da geliştirilen STAP yöntemleri MIMO radar da bile kullanılabilir. Ancak,
MIMO radar da, jammer-ve-clutter altuzayın rütbesi, çok büyük olur. Özellikle
jammer alt uzay. Bu STAP algoritmasının karmaşıklığı ve yakınsamasını etkiler.
Genişletilmiş MIMO-STAP avantaj ve dezavantajları tekrar ele aldıktan sonra yani
örnek matris dönüşümü (SMI) ve eigencanceller (EC), hızlı yaklaştırılır güç iterasyon
(FAPI) algoritmaları, Biz yakınsama ve karmaşıklığı sorunlarını çözmek için bir
alternatif aralığı özyinelemeli algoritması olarak hızlı ve istikrarlı YAST algoritmasını
önermişiz.
YAST algoritması özelliği, düşük hesaplama maliyet (lineer eyer veri korelasyon
matrisi son zamanlarda adlandırılan shift-değişmezlik özelliğini tatmin ediyorsa) ve
küçük alt uzay izleme uzantısı idi. Ancak, YAST algoritmasının orijinal uygulanması
sayısal stabilite probleminden rahatsızdı. (Alt uzay ağırlık matrisi yavaşça
orthonormalite kaybeder). Biz bu nedenle bu tezde istikrarlığı kurulmuş, teorik olarak
ve sayısal simülasyonlar ile test edilmiş, yeni bir YAST uygulaması kullandık. Bu
algoritma, bir alt uzay izci için istenen tüm özellikleri birleştiriyor: oldukça yüksek
yakınsama hızı, düşük kararlı hal hatası, lineer karmaşıklığı ve alt uzay ağırlık matrisi
ortonormallik ile ilgili sayısal stabiliti.
Bu çalışmanın katkısı dört bölümden özetlenebilir. İlk olarak biz radar da hedef
algılama va menzil belirleme temel değerlendirmesini sunucaz. Multistatik Radar
Sistemleri incelenir ve okuyuculara MIMO Radar ve Phased Array Radar sistemlerini
karşılaştırmak için Phased Array Radar anlatılacak. İkincisi, biz tamamen tutarlı
MIMO radar konseptini ve onun SIMO veya faz dizi radarı ile farkını, Sinyal modeli
ve tutarlı MIMO radar sistemlerin, yüksek çözünürlük ve parametre tanımlanabilir gibi
özellikleri sunucaz. Üçüncü bölümde ise kısaca MIMO radar uzay-zaman uyarlamalı
işlemi (STAP) açıklanacak. Sonra biz MMO radar larda farklı STAP algoritmalarını,
örnek matris dönüşümü (SMI), eigencanceller (EC), hızlı yaklaştırılır güç iterasyon
(FAPI) ve hızlı ve istikrarlı YAST, tartışıcaz. En sonda Bu tez çalışmasında yapılan
simülasyonların sonuçları tanıtılacak ve simülasyonlar farklı MIMO radar
yapılandırmaların performansını sunmak için yapılmaktadır.
|
|
Radar is a system that uses electromagnetic waves to detect, locate and measure the
speed of reflecting objects such as aircraft, ships, spacecraft, vehicles, people, weather
formations, and terrain. It transmits the electromagnetic waves into space and receives
the echo signal reflected from objects. By applying signal processing algorithms on
the reflected waveform, the reflecting objects can be detected. Furthermore, the
location and the speed of the objects can also be estimated. Early radar development
was mostly driven by military and military is still the dominant user and developer of
radar technology. Military applications include surveillance, navigation, and weapon
guidance. However, radar now has a broader range of applications including
meteorological detection of precipitation, measuring ocean surface waves, air traffic
control, police detection of speeding traffic, sports radar speed guns, and preventing
car or ship collisions.
The original contribution of this thesis is a multiple-input multiple-output (MIMO)
generalization of space-time adaptive processing (STAP) to mitigate spread doppler
clutter returns in radar. Multi input multi output (MIMO) radar is a radar system with
multiple receive and transmit antennas, that can transmit independent waveforms on
each transmit elements. Although many traditional multi-antenna radar concepts such
as phased- array, receive beamforming, synthetic aperture radar (SAR), polarimetry
and interferometry can be seen as special cases of MIMO radar, the distinct advantage
of a multi-antenna radar system with independent transmit waveforms is the increased
number of degrees of freedom leading to improved resolution and performance in
detection and parameter estimation tasks.
MIMO radar possesses significant potentials for fading mitigation, resolution
enhancement, and interference and jamming suppression. Fully exploiting these
potentials can result in significantly improved target detection, parameter estimation,
target tracking and recognition performance. The MIMO radar technology has rapidly
drawn considerable attention from many researchers. Several advantages of MIMO
radar have been discovered by many different researchers such as increased diversity
of the target information, excellent interference rejection capability, improved
parameter identifiability, and enhanced flexibility for transmit beampattern design.
The degrees of freedom introduced by MIMO radar improves the performance of the
radar systems in many different aspects. However, it also generates some issues. It
increases the number of dimensions of the received signals. Consequently, this
increases the complexity of the receiver. Furthermore, the MIMO radar transmits an
incoherent waveform on each of the transmitting antennas. This in general reduces the
processing gain compared to the phased array radar. The multiple arbitrary waveforms
also affects the range and Doppler resolution of the radar system.
A promising application of MIMO radar is the identification of slowly moving targets
using airborne MIMO radar platforms. The advantage of using MIMO in this
configuration is its ability to synthesize a larger virtual array with relatively fewer
antennas. This allows higher spatial resolution and better separation of returns from
ground clutter and targets. The space-time adaptive processing (STAP) methods
originally developed for Single-input, Multiple-output (SIMO) radar are applicable to
MIMO radar systems after proper pre-processing of the received signals. The
performance of STAP algorithm critically hinges on the structure of the clutter
covariance matrix; therefore, MIMO STAP methods will benefit greatly from
theoretical and empirical study of the clutter statistics.
Of particular interest is clutter subject to multipath propagation between transmit and
receive arrays. Significant of multipath clutter can occure in over-the-horizon (OTH)
radar data when ground or ocean surface returns undergo multiple ionospheric
scattering that couse considerable doppler frequency and wavenumber spreads. In such
situation, conventional single-input multi-output (SIMO) STAP cannot mitigate
doppler spread mainlobe clutter without suppressing the target in conjunction.
With a slight modification, STAP methods developed originally for the single-input
multiple-output (SIMO) radar (phased array radar) can also be used in MIMO radar.
However, in the MIMO radar, the rank of the jammer-and-clutter subspace becomes
very large, especially the jammer subspace. It affects both the complexity and the
convergence of the STAP algorithm.
After reconsidering the advantages and drawbacks of the extended MIMO-STAP,
namely the sample matrix inversion (SMI) and eigencanceller (EC), fast approximated
power iteration (FAPI) algorithms, we propose fast and stable YAST algorithm the
range recursive algorithm as an alternative to resolve the convergence and complexity
problems.
The novelty in the YAST algorithm was the lower computational cost (linear if the
data correlation matrix satisfies a so-called shift-invariance property), and the
extension to minor subspace tracking. However, the original implementation of the
YAST algorithm suffered from a numerical stability problem (the subspace weighting
matrix slowly loses its orthonormality). We thus used in this thesis a new
implementation of YAST, whose stability is established theoretically and tested via
numerical simulations. This algorithm combines all the desired properties for a
subspace tracker: remarkably high convergence rate, lowest steady state error, linear
complexity, and numerical stability regarding the orthonormality of the subspace
weighting matrix.
The contribution of this work can be summarized in four parts. First, we present the
basic review of the detection and ranging in radar system. Multistatic Radar Systems
are examined, and Phased Array Radars are covered to give the reader the opportunity
to compare those systems with MIMO Radar. Second, we fully explain the concept of
coherent MIMO radar and its difference with SIMO or phased array radar, signal
model and improvements that coherent MIMO radar systems offer like high resolution
and parameter identifiability. In the third part we briefly explain space-time adaptive
processing (STAP) in MIMO radar. Then we discuss about different algorithms of
STAP in MIMO radar as if sample matrix inversion (SMI), eigencanceller (EC), fast
approximated power iteration (FAPI) and fast and stable YAST. Ultimately results of
the simulations which have been performed in this thesis study are introduced and
simulations are performed to present STAP performance of different MIMO radar
configurations. |