Design and implementation of an electromagnetic target classification method using high frequency resolution techniques and time-frequency representations

Abstract

Bu çalışmada temel amaç hedeflerden saçılan geniş bantlı radar sinyallerinin işlenmesiyle, hızlı ve yeteri kadar açı ve polarizasyondan bağımsız bir hedef sınıflandırma yönteminin geliştirilmesidir. Aynı zamanda mümkün olduğunca geliştirilen yöntemin düşük karar verme süresine ve yüksek gürültü seviyelerinde bile başarılı doğruluk oranlarına sahip olması hedeflenmektedir. Önerilen yöntemlerde sınıflandırılması planlanan belli sayıda hedefin rezonans bölgesinde olduğu öngörülmektedir. Çalışmada her hedef için önceden seçilmiş ve makul sayıda farklı referans açı/polarizasyon durumuna ait zaman saçılım sinyallerinin elde edildiği varsayılmaktadır. Yöntemin öznitelik çıkarma kısmında herbir hedefin öznitelik vektörlerinin çıkarılması için ESPRIT, MUSIC ya da Min-Norm gibi yüksek çözünürlük teknikleri kullanılmıştır. Bu aşamada her referans sinyali için bir vektör elde edilir. Bu durum test aşamasında karar verme süresinin ciddi oranda artışına neden olacaktır. Bu yüzden öznitelik çıkarımının ikinci aşamasında bu vektörlere boyut azaltma tekniği ya da çoklu sinyaller için yüksek çözünürlük tekniği uygulanarak herbir hedefe ait öznitelik vektör sayısının bire indirilmesi amaçlanmaktadır. Bunun gerçekleştirilmesi yöntem için depolanan verinin azalmasına ve karar verme süresinin düşmesine yardımcı olur. Test aşamasında ise, bir test hedefinin herhangi bir açı/polarizasyon durumuna ait saçılım sinyali, aynı yüksek çözünürlük tekniği ile işlenecek ve bir test vektörü oluşturulmuştur. Sınıflandırma işi test vektörü ile öznitelik vektörleri arasındaki en yüksek ilinti katsayısına göre gerçekleştrilir. Bu yüksek gürültü şartlarında bile mümkün olduğunca açı ve polarizasyondan bağımsız hızlı bir radar hedef sınıflandırma yöntemi gerçekleştirmeyi sağlamaktadır. Önerilen çalışmada vektörler esas olarak ESPRIT ve temel bileşenler analizi (TBA) gibi sinyal işleme teknikleri yardımıyla oluşturulmuştur ve literatürdeki benzer çalışmalar daha iyi performans elde edilmiştir.Çalışmanın ikinci aşaması ise hedeflerin boyutlarının dalgaboyuna yakın olduğu rezonans saçılım bölgesindeki hedeflerin sınıflandırılması amacıyla literatürde ve bu çalışmada önerilen Wigner dağılımı tabanlı radar hedef sınıflandırma yöntemlerin performanslarının kıyaslanmasını içermektedir. Önerilen yöntemlerde hedeflerden saçılan sinyallerin teorisinde kritik olan optimum geç-zaman aralıkları, sinyallerin Wigner enerji haritaları kullanılarak tespit edilmiştir. Daha sonra, seçilen bu geç-zaman aralıklarında, her hedef için farklı referans açılarına ait sinyallerin Wigner dağılımları ve boyut azaltma tekniği olarak temel bileşen analizi kullanılarak hedeflerin öznitelik vektörleri elde edilmiştir. Bu vektörler test aşamasında sınıflandırma amacıyla kullanılmıştır. Önerilen yöntemler literatürdeki benzer yöntemlere göre hedeflerin bulunduğu pozisyondan bağımsız olma ve kutupların sayı ve değerlerinin yüksek hassasiyet ile bulunmasına ihtiyaç olmama gibi önemli sayılabilecek özelliklere sahiptirler. Çalışmada geometrik olarak basit fakat saçılım mekanizması olarak karmaşık hedefler olan kayıpsız yalıtkan küreler ile testler yapılmış ve özellikle hedeflere özgü optimum geç-zaman aralıklarına sahip yöntemin daha başarılı olduğu bulunmuştur.

In this thesis, it is aimed to develop a fast and sufficient target classification method, which is independent from aspect angle and polarization. By processing the scattered radar signals, a method having low decision time and high accuracy rates even at high noise levels, are expected. In thesis, it is assumed that a certain number of targets to be classified are in resonance scattering region. Besides, it is assumed that predetermined and moderate number of reference signals corresponding to different angle/polarization cases is available for each target. In the first part of the suggested method, by using high resolution techniques such as ESPRIT, Min-Norm, MUSIC, some feature vectors are obtained in real frequency domain. However, the proposed method requires the vectors as the number of reference signals for each target and here the problem is that a serious increament of decision time. For this reason, in the second stage of suggested method, it is aimed to decrease the number of feature vectors to one by applying dimension reduction technique or high resolution techniques for multiple signals to these vectors. In this way, decision speed can be faster and system memory may be used more sufficiently. In the test stage, the scattered signal concerning to any angle/polarization case of a target is processed with the same high resolution technique and a test vector is formed. Finally, classification beetween test vector and feature vectors is done by the help of highest correlation coefficients. Thus, a radar target classification method independent from angle and polarization as possible under high noise situations is constituted.In the suggested project, after some comparisons and trials signal processing methods are chosen for best effort as ESPRIT and principal component analysis (PCA).In second stage of study, for the given method, essential optimum late-time intervals of the scattered signals are determined by using time-frequency representations. The time instants, independent from targets positions, are applied which are belong to maximum and mean power values in time-frequency distributions. Then, the feature vectors are formed for each target by using the given time-frequency distributions over these selected late-time regions at several different reference aspects and they are eventually used for the classification in test stage. In this thesis, two different strategies are created as `target-specific` and `signal-specific` late-time intervals. The lossless dielectric spheres are used for the simulations. The performances of designed strategies as well as other similar methods in the literature are compared for various well-known time-frequency representations.