Space time adaptive processing (STAP) in multi input multi output (MIMO) radar

Abstract

Radar elektromanyetik dalgaları kullanarak, uçaklar, gemiler, uzay araçlar, arabalar,insanlar, hava oluşumları, ve arazi gibi nesneleri tespit eden, konumunu ve hızınıbelirleyen bir sistemdir. Radar belirli bir alana elektromanyetik dalgalar iletir venesnelerden yansıyan yankı sinyalini alır. yansıyan dalgaya sinyal işleme algoritmalarıuygulayarak, yansıtan nesneleri tespit edilebilir. Bundan başka, nesne hızını vekonumunu da tahmin edilebilir. Başlangıçta radar sadece askeri amaçla geliştirildi, vehala en yaygın kullanıcı ve radar teknoloji geliştiricisi askeri birimlerdir. Askeriuygulamalara gözetim, navigasyon ve silah rehberliği dahildir. Ancak, radar artıkmeteorolojik yağış tespiti, okyanus yüzey dalgalarını ölçme, hava trafik kontrolü,trafik hızın polisi tespiti ve araç veya gemi çarpışmaları önleyen uygulamalar gibi dahageniş bir yelpazeye sahiptir.Bu tezin asıl katkısı çoklu giriş çoklu çıkış (MIMO) radarlarda yansıyan yayılmışdoppler yığılmayı hafifletmek için uzay-zaman adaptif işleminin (STAP)genelleştirilmesidir. Çok girişli çok çıkışlı (MIMO) radar, birden fazla alıcı ve vericiantenlerden oluşan ve her iletim elemanları üzerinde bağımsız dalga formları iletebilenbir radar sistemidir. Birçok geleneksel çoklu anten radar kavramları, fazlı-dizi, sentetikaçıklıklı radar (SAR), polarimetri ve enterferometre gibi, MIMO radarın özel birtasarım şekli gibi gözüksede, Bağımsız dalga iletebilen çok antenli radar sistemininbelirgin avantajı, serbestlik derecesi sayısının artışından kaynaklanan algılama veparametre tahmin görevlerinde çözünürlük ve performansın Geliştirilmesidir.MIMO radar, solma azaltma, çözünürlük geliştirme, ve parazit bastırma gibigörevlerde önemli potansiyellere sahiptir. Bütün bu potansiyelerden faydalanarakhedef tespiti, parametre kestirimi, hedef izleme ve tanıma performansında önemliölçüde geliştirilmeye neden olabilir. MIMO radar teknolojisi hızla birçokaraştırmacının büyük ilgisini çekmiştir. MIMO radarın birçok avantajı, hedefbilgilerinin çeşitlilik artışı, mükemmel parazit ret yeteneği, parametre tanımlamagelişmesi ve gönderme beampattern tasarımı için esneklik sağlamak gibi birçok farklıaraştırmacılar tarafından tespit edilmiştir. MIMO radar tarafından tanıtılan serbestlikdereceleri çok farklı yönlerde radar sistemlerinin performansını artırır. Ancak, aynızamanda bazı sorunlar oluşturur. Bu alınan sinyaller boyutlarının sayısını artırır.Sonuç olarak, bu alıcının karmaşıklığını artırır. Ayrıca, MIMO radar vericisiantenlerinden birbirinden tutarsız bir dalga biçimi iletir. Buda genellikte işlemkazancı,faz dizili radar ile karşılaştırıldığında azaltır. Birden fazla keyfi dalga şekilleride radar sisteminin menzil ve Doppler çözünürlüğü etkiler.MIMO radarın umut verici bir uygulaması uçuşan MIMO radar platformları kullanarakyavaş hareket hedeflerin belirlenmesidir. Bu yapılandırmada MIMO kullanmanınavantajı, daha az antenler ile daha büyük bir sanal dizi sentezleme yeteneğidir. Buyüksek uzaysal çözünürlüğü hemde zemin yığılma ile hedeflerden gelen yansımalarındaha iyi ayrılmasını sağlar. başlangıçta Tek giriş, Çoklu-çıkış (SIMO) radar içingeliştirilmiş uzay-zaman adaptif işleme (STAP) yöntemleri, alınan sinyallerin doğruişlendikten sonra MIMO radar sistemleri için geçerlidir. STAP algoritmasınınperformansı kritik esas noktası kovaryans matrisinin yapısıdır; Bu nedenle, MIMOSTAP yöntemleri dağınıklık istatistiklerinin teorik ve deneysel çalışmalarından büyükölçüde yararlanacaktır.Özel ilgi konusu, dağınıklığın iletim ve alıcı dizilereden çok yönlü yayılmalara maruzkalmasıdır. Zemin ya da okyanus yüzeyinden yansiyan çoklu ionosferik saçılmalarıile, en önemli ufuk ötesi (OTH) çoklü dağınıklılık radar verileri elde edilebilir budaönemli yayılmış Doppler frekansı ve dalga sayılarına neden olur. Bu durumda,geleneksel tek-giriş çoklu çıkış (SIMO) STAP doppler yayılım mainlobunu belirlihedefi bastırmadan azaltamıyor.Hafif bir değişiklik yaparak başlangıçta tek giriş çoklu çıkış (SIMO) radar (faz diziliradar) da geliştirilen STAP yöntemleri MIMO radar da bile kullanılabilir. Ancak,MIMO radar da, jammer-ve-clutter altuzayın rütbesi, çok büyük olur. Özelliklejammer alt uzay. Bu STAP algoritmasının karmaşıklığı ve yakınsamasını etkiler.Genişletilmiş MIMO-STAP avantaj ve dezavantajları tekrar ele aldıktan sonra yaniörnek matris dönüşümü (SMI) ve eigencanceller (EC), hızlı yaklaştırılır güç iterasyon(FAPI) algoritmaları, Biz yakınsama ve karmaşıklığı sorunlarını çözmek için biralternatif aralığı özyinelemeli algoritması olarak hızlı ve istikrarlı YAST algoritmasınıönermişiz.YAST algoritması özelliği, düşük hesaplama maliyet (lineer eyer veri korelasyonmatrisi son zamanlarda adlandırılan shift-değişmezlik özelliğini tatmin ediyorsa) veküçük alt uzay izleme uzantısı idi. Ancak, YAST algoritmasının orijinal uygulanmasısayısal stabilite probleminden rahatsızdı. (Alt uzay ağırlık matrisi yavaşçaorthonormalite kaybeder). Biz bu nedenle bu tezde istikrarlığı kurulmuş, teorik olarakve sayısal simülasyonlar ile test edilmiş, yeni bir YAST uygulaması kullandık. Bualgoritma, bir alt uzay izci için istenen tüm özellikleri birleştiriyor: oldukça yüksekyakınsama hızı, düşük kararlı hal hatası, lineer karmaşıklığı ve alt uzay ağırlık matrisiortonormallik ile ilgili sayısal stabiliti.Bu çalışmanın katkısı dört bölümden özetlenebilir. İlk olarak biz radar da hedefalgılama va menzil belirleme temel değerlendirmesini sunucaz. Multistatik RadarSistemleri incelenir ve okuyuculara MIMO Radar ve Phased Array Radar sistemlerinikarşılaştırmak için Phased Array Radar anlatılacak. İkincisi, biz tamamen tutarlıMIMO radar konseptini ve onun SIMO veya faz dizi radarı ile farkını, Sinyal modelive tutarlı MIMO radar sistemlerin, yüksek çözünürlük ve parametre tanımlanabilir gibiözellikleri sunucaz. Üçüncü bölümde ise kısaca MIMO radar uzay-zaman uyarlamalıişlemi (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 yapılansimülasyonların sonuçları tanıtılacak ve simülasyonlar farklı MIMO radaryapılandırmaların performansını sunmak için yapılmaktadır.

Radar is a system that uses electromagnetic waves to detect, locate and measure thespeed of reflecting objects such as aircraft, ships, spacecraft, vehicles, people, weatherformations, and terrain. It transmits the electromagnetic waves into space and receivesthe echo signal reflected from objects. By applying signal processing algorithms onthe reflected waveform, the reflecting objects can be detected. Furthermore, thelocation and the speed of the objects can also be estimated. Early radar developmentwas mostly driven by military and military is still the dominant user and developer ofradar technology. Military applications include surveillance, navigation, and weaponguidance. However, radar now has a broader range of applications includingmeteorological detection of precipitation, measuring ocean surface waves, air trafficcontrol, police detection of speeding traffic, sports radar speed guns, and preventingcar 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 dopplerclutter returns in radar. Multi input multi output (MIMO) radar is a radar system withmultiple receive and transmit antennas, that can transmit independent waveforms oneach transmit elements. Although many traditional multi-antenna radar concepts suchas phased- array, receive beamforming, synthetic aperture radar (SAR), polarimetryand interferometry can be seen as special cases of MIMO radar, the distinct advantageof a multi-antenna radar system with independent transmit waveforms is the increasednumber of degrees of freedom leading to improved resolution and performance indetection and parameter estimation tasks.MIMO radar possesses significant potentials for fading mitigation, resolutionenhancement, and interference and jamming suppression. Fully exploiting thesepotentials can result in significantly improved target detection, parameter estimation,target tracking and recognition performance. The MIMO radar technology has rapidlydrawn considerable attention from many researchers. Several advantages of MIMOradar have been discovered by many different researchers such as increased diversityof the target information, excellent interference rejection capability, improvedparameter identifiability, and enhanced flexibility for transmit beampattern design.The degrees of freedom introduced by MIMO radar improves the performance of theradar systems in many different aspects. However, it also generates some issues. Itincreases the number of dimensions of the received signals. Consequently, thisincreases the complexity of the receiver. Furthermore, the MIMO radar transmits anincoherent waveform on each of the transmitting antennas. This in general reduces theprocessing gain compared to the phased array radar. The multiple arbitrary waveformsalso affects the range and Doppler resolution of the radar system.A promising application of MIMO radar is the identification of slowly moving targetsusing airborne MIMO radar platforms. The advantage of using MIMO in thisconfiguration is its ability to synthesize a larger virtual array with relatively fewerantennas. This allows higher spatial resolution and better separation of returns fromground clutter and targets. The space-time adaptive processing (STAP) methodsoriginally developed for Single-input, Multiple-output (SIMO) radar are applicable toMIMO radar systems after proper pre-processing of the received signals. Theperformance of STAP algorithm critically hinges on the structure of the cluttercovariance matrix; therefore, MIMO STAP methods will benefit greatly fromtheoretical and empirical study of the clutter statistics.Of particular interest is clutter subject to multipath propagation between transmit andreceive arrays. Significant of multipath clutter can occure in over-the-horizon (OTH)radar data when ground or ocean surface returns undergo multiple ionosphericscattering that couse considerable doppler frequency and wavenumber spreads. In suchsituation, conventional single-input multi-output (SIMO) STAP cannot mitigatedoppler spread mainlobe clutter without suppressing the target in conjunction.With a slight modification, STAP methods developed originally for the single-inputmultiple-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 becomesvery large, especially the jammer subspace. It affects both the complexity and theconvergence 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 approximatedpower iteration (FAPI) algorithms, we propose fast and stable YAST algorithm therange recursive algorithm as an alternative to resolve the convergence and complexityproblems.The novelty in the YAST algorithm was the lower computational cost (linear if thedata correlation matrix satisfies a so-called shift-invariance property), and theextension to minor subspace tracking. However, the original implementation of theYAST algorithm suffered from a numerical stability problem (the subspace weightingmatrix slowly loses its orthonormality). We thus used in this thesis a newimplementation of YAST, whose stability is established theoretically and tested vianumerical simulations. This algorithm combines all the desired properties for asubspace tracker: remarkably high convergence rate, lowest steady state error, linearcomplexity, and numerical stability regarding the orthonormality of the subspaceweighting matrix.The contribution of this work can be summarized in four parts. First, we present thebasic review of the detection and ranging in radar system. Multistatic Radar Systemsare examined, and Phased Array Radars are covered to give the reader the opportunityto compare those systems with MIMO Radar. Second, we fully explain the concept ofcoherent MIMO radar and its difference with SIMO or phased array radar, signalmodel and improvements that coherent MIMO radar systems offer like high resolutionand parameter identifiability. In the third part we briefly explain space-time adaptiveprocessing (STAP) in MIMO radar. Then we discuss about different algorithms ofSTAP in MIMO radar as if sample matrix inversion (SMI), eigencanceller (EC), fastapproximated power iteration (FAPI) and fast and stable YAST. Ultimately results ofthe simulations which have been performed in this thesis study are introduced andsimulations are performed to present STAP performance of different MIMO radarconfigurations.