Biologically Inspired Sensing and MIMO Radar Array Processing

The contributions of this dissertation are in the fields of biologically inspired sensing and multi-input multi-output: MIMO) radar array processing. In our research on biologically inspired sensing, we focus on the mechanically coupled ears of the female Ormia ochracea. Despite the small distance between its ears, the Ormia has a remarkable localization ability. We statistically analyze the localization accuracy of the Ormia\u27s coupled ears, and illustrate the improvement in the localization performance due to the mechanical coupling. Inspired by the Ormia\u27s ears, we analytically design coupled small-sized antenna arrays with high localization accuracy and radiation performance. Such arrays are essential for sensing systems in military and civil applications, which are confined to small spaces. We quantitatively demonstrate the improvement in the antenna array\u27s radiation and localization performance due to the biologically inspired coupling. On MIMO radar, we first propose a statistical target detection method in the presence of realistic clutter. We use a compound-Gaussian distribution to model the heavy tailed characteristics of sea and foliage clutter. We show that MIMO radars are useful to discriminate a target from clutter using the spatial diversity of the illuminated area, and hence MIMO radar outperforms conventional phased-array radar in terms of target-detection capability. Next, we develop a robust target detector for MIMO radar in the presence of a phase synchronization mismatch between transmitter and receiver pairs. Such mismatch often occurs due to imperfect knowledge of the locations as well as local oscillator characteristics of the antennas, but this fact has been ignored by most researchers. Considering such errors, we demonstrate the degradation in detection performance. Finally, we analyze the sensitivity of MIMO radar target detection to changes in the cross-correlation levels: CCLs) of the received signals. Prior research about MIMO radar assumes orthogonality among the received signals for all delay and Doppler pairs. However, due to the use of antennas which are widely separated in space, it is impossible to maintain this orthogonality in practice. We develop a target-detection method considering the non-orthogonality of the received data. In contrast to the common assumption, we observe that the effect of non-orthogonality is significant on detection performance

Single data set detection for multistatic doppler radar

The aim of this thesis is to develop and analyse single data set (SDS) detection algorithms that can utilise the advantages of widely-spaced (statistical) multiple-input multiple-output (MIMO) radar to increase their accuracy and performance. The algorithms make use of the observations obtained from multiple space-time adaptive processing (STAP) receivers and focus on covariance estimation and inversion to perform target detection. One of the main interferers for a Doppler radar has always been the radar’s own signal being reflected off the surroundings. The reflections of the transmitted waveforms from the ground and other stationary or slowly-moving objects in the background generate observations that can potentially raise false alarms. This creates the problem of searching for a target in both additive white Gaussian noise (AWGN) and highly-correlated (coloured) interference. Traditional STAP deals with the problem by using target-free training data to study this environment and build its characteristic covariance matrix. The data usually comes from range gates neighbouring the cell under test (CUT). In non-homogeneous or non-stationary environments, however, this training data may not reflect the statistics of the CUT accurately, which justifies the need to develop SDS methods for radar detection. The maximum likelihood estimation detector (MLED) and the generalised maximum likelihood estimation detector (GMLED) are two reduced-rank STAP algorithms that eliminate the need for training data when mapping the statistics of the background interference. The work in this thesis is largely based on these two algorithms. The first work derives the optimal maximum likelihood (ML) solution to the target detection problem when the MLED and GMLED are used in a multistatic radar scenario. This application assumes that the spatio-temporal Doppler frequencies produces in the individual bistatic STAP pairs of the MIMO system are ideally synchronised. Therefore the focus is on providing the multistatic outcome to the target detection problem. It is shown that the derived MIMO detectors possess the desirable constant false alarm rate (CFAR) property. Gaussian approximations to the statistics of the multistatic MLED and GMLED are derived in order to provide a more in-depth analysis of the algorithms. The viability of the theoretical models and their approximations are tested against a numerical simulation of the systems. The second work focuses on the synchronisation of the spatio-temporal Doppler frequency data from the individual bistatic STAP pairs in the multistatic MLED scenario. It expands the idea to a form that could be implemented in a practical radar scenario. To reduce the information shared between the bistatic STAP channels, a data compression method is proposed that extracts the significant contributions of the MLED likelihood function before transmission. To perform the inter-channel synchronisation, the Doppler frequency data is projected into the space of potential target velocities where the multistatic likelihood is formed. Based on the expected structure of the velocity likelihood in the presence of a target, a modification to the multistatic MLED is proposed. It is demonstrated through numerical simulations that the proposed modified algorithm performs better than the basic multistatic MLED while having the benefit of reducing the data exchange in the MIMO radar system

Diffusive MIMO Molecular Communications: Channel Estimation, Equalization and Detection

In diffusion-based communication, as for molecular systems, the achievable data rate is low due to the stochastic nature of diffusion which exhibits a severe inter-symbol-interference (ISI). Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) multiplexing improves the data rate at the expense of an inter-link interference (ILI). This paper investigates training-based channel estimation schemes for diffusive MIMO (D-MIMO) systems and corresponding equalization methods. Maximum likelihood and least-squares estimators of mean channel are derived, and the training sequence is designed to minimize the mean square error (MSE). Numerical validations in terms of MSE are compared with Cramer-Rao bound derived herein. Equalization is based on decision feedback equalizer (DFE) structure as this is effective in mitigating diffusive ISI/ILI. Zero-forcing, minimum MSE and least-squares criteria have been paired to DFE, and their performances are evaluated in terms of bit error probability. Since D-MIMO systems are severely affected by the ILI because of short transmitters inter-distance, D-MIMO time interleaving is exploited as countermeasure to mitigate the ILI with remarkable performance improvements. The feasibility of a block-type communication including training and data equalization is explored for D-MIMO, and system-level performances are numerically derived.Comment: Accepted paper at IEEE transaction on Communicatio

Automatic detection of signals by using artificial intelligence techniques

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2013Premio a la Mejor Tesis Doctoral en Seguridad y Defensa por el Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación (COIT) y la Asociación Española de Ingenieros de Telecomunicación (AEIT) en 2013La detección automática de señales (blancos) en interferencia aditiva (clutter más ruido) es un problema no resuelto hoy en día. Muchos y diversos esquemas de detección son propuestos constantemente en revistas especializadas sobre temas de investigación radar y de procesado de señal. Esos esquemas son adaptados normalmente a la casuística del problema, es decir, a los blancos y al tipo de clutter presentes en esos experimentos. Es por ello que la tesis presentada a continuación busca proponer un esquema de detección que trabaje con altas prestaciones en distintos entornos. En esta tesis se pretende resolver dos tipos de problemas: uno centrado en la detección de blancos radar de tipo Swerling 0 en presencia de clutter sintético modelado con una distribución Weibull y ruido blanco Gaussiano; y otro centrado en la detección de barcos en movimiento a partir de imágenes radar provenientes de un radar marino comercial. Se ha comprobado que los datos reales están estadísticamente relacionados con los datos sintéticos simulados, lo cual permitirá proponer un único esquema de detección que trabaje en ambos casos. Teniendo en cuenta los problemas de detección planteados, se asumen varias premisas. Las imágenes radar generadas en entornos simulados tienen en cuenta una correlación temporal entre celdas consecutivas de la imagen y una distribución espacial constante de los parámetros estadísticos del clutter dentro de una misma imagen, pero variable de una imagen a otra. Dentro de este entorno simulado, se asumen distintos tamaños y formas de blanco. Estos entornos han sido simulados mediante el uso de los parámetros estadísticos del clutter descritos en la literatura. Comparando dichos entornos, se observa una gran disparidad en sus parámetros estadísticos, haciendo más difícil aún si cabe la tarea de proponer un detector radar que trabaje correctamente y con altas prestaciones en distintos entornos radar. Para resolver los problemas de detección planteados, se han considerado detectores radar utilizados habitualmente en la literatura. Así, se ha seleccionado como detector de referencia para el caso de trabajar con datos procedente de un radar coherente el detector de blanco conocido a priori (TSKAP: target sequence known a priori). Detectores basados en técnicas CFAR (constant false alarm rate) han sido elegidos para el caso de trabajar con datos procedentes de un radar incoherente. Por otro lado, se ha estudiado el uso de técnicas de inteligencia artificial (IA) para crear detectores que resuelvan los dos problemas de detección planteados. De las posibles técnicas de IA existentes en la literatura, se han elegido dos tipos de redes neuronales artificiales (RNAs): el perceptron multicapa (MLP: Multilayer perceptron) y las RNAs basadas en funciones de base radial (RBFNs: Radial basis function networks). Mediante este tipo de técnicas, se proponen nuevas estrategias de detección para los casos coherente e incoherente. Aparte de la contribución en el uso de técnicas de IA en temas de detección radar, se presenta otra contribución importante: el uso de nuevos modos de selección de celdas de una imagen para la mejora de las prestaciones del detector radar propuesto. Estos modos están basados en esquemas de selección con retardo (en una o dos dimensiones), dentro de los cuales se pueden elegir más celdas para poder realizar una mejor estimación de los parámetros del clutter que rodea al blanco. Además, el uso de estos modos de selección en dos dimensiones en detectores CFAR también puede ser considerado contribución ya que antes no se habían presentado resultados para los modos aquí propuestos. Los experimentos desarrollados consideran entornos simulados de mar, mar helado y tierra para el diseño y test de los detectores coherentes tomados como referencia y los basados en IA. En estos experimentos, se estudió la influencia de los siguientes parámetros durante el diseño de los detectores bajo estudio: las propiedades del clutter presente en las imágenes de los conjuntos de diseño (para entrenar RNAs y establecer el umbral de detección); los modos de selección; el número de celdas seleccionadas; así como el número de neuronas ocultas en las RNAs. A partir de estos estudios, se obtienen los valores de dichos parámetros, de tal forma que se obtienen altas prestaciones, mientras que se mantiene un coste computacional moderado en el detector propuesto. Una vez diseñados los detectores, éstos se testean utilizando un conjunto de datos de test no utilizado previamente. Este conjunto de test está compuesto por imágenes radar con distintas propiedades estadísticas para simular lo que ocurre en entornos reales. Las prestaciones observadas para este conjunto son ligeramente inferiores a los obtenidas en la etapa de diseño. Además, se observa que las prestaciones del detector para las distintas imágenes radar del con- junto, es decir, para distintos condiciones de clutter, presentan pequeñas variaciones. Esto nos indica un alto grado de robustez en los detectores cuando las condiciones de clutter cambian con el tiempo. Teniendo en cuenta estas pequeñas variaciones de las prestaciones del detector, podemos inferir que las mismas prestaciones presentadas aquí se pueden obtener cuando el detector diseñado procese nuevas imágenes radar en el futuro. Por otro lado, se han realizado estudios similares para el caso de detectores incoherentes en entornos simulados de mar, mar helado y tierra. De estos estudios, destacamos las diferencias que existen entre los resultados obtenidos por los detectores coherentes e incoherentes en entornos simulados de clutter de mar. La primera diferencia que se observa es que las prestaciones del detector incoherente son ligeramente menores que las obtenidas por el coherente, aspecto que era de esperar porque sólo considera la información de amplitud. La segunda diferencia observada es la alta reducción de coste computacional que se obtiene, siendo esto debido a que en estos detectores se utiliza menos información a la entrada. Los resultados obtenidos para los entornos simulados de mar helado y tierra no han sido incorporados en la memoria de la tesis porque tanto las prestaciones como el coste computacional obtenidos son similares a los obtenidos para el caso de entornos marinos. Finalmente, se han diseñado y testeado detectores incoherentes para trabajar con imágenes provenientes de un radar marino comercial situado en la plataforma de investigación alemana FINO-1, la cual se encuentra localizada en el mar del Norte (Alemania). Antes de proceder con el diseño de estos detectores, se comprobó que las medidas de clutter contenidas en las imágenes radar seguían una distribución Weibull, tal y como se asumió en el entorno simulado de mar. Acto seguido a esta comprobación, se procedió con el ajuste de los parámetros de cada uno de los detectores bajo estudio (CFAR y basados en técnicas de IA) para obtener las mejores prestaciones posibles, así como un coste computacional moderado. Una vez diseñados los detectores, se procedió a testearlos, llegando a las mismas conclusiones a las que se llegó para el caso sintético: alta robustez frente a cambios en las condiciones de diseño y baja pérdida de prestaciones cuando se procesan nuevas imágenes radar. También se muestra cual es el coste computacional de la configuración seleccionada en los casos de detectores incoherentes basados en MLPs y RBFNs, así como la velocidad de computo necesaria para poder procesar imágenes radar en tiempo real. A partir de estos resultados, se llega a la conclusión final de que como las unidades de procesado disponibles en el mercado permiten trabajar a las velocidades que necesita el sistema, el procesado en tiempo real está garantizado. A partir del análisis de las prestaciones obtenidas para los distintos casos de estudio abordados en la tesis, se llega a la siguiente conclusión general: los detectores basados en técnicas de IA mejoran las prestaciones obtenidas por los detectores de referencia seleccionados de la literatura en todos los casos de estudio presentados. Ésta conclusión se obtiene para radares que trabajan a distintas frecuencias, con distintas resoluciones y con receptores diferentes (coherentes e incoherentes). Además, esta conclusión también es independiente del entorno radar bajo estudio (mar, mar helado y tierra)

Automatic detection of signals by using artificial intelligence techniques

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2013Premio a la Mejor Tesis Doctoral en Seguridad y Defensa por el Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación (COIT) y la Asociación Española de Ingenieros de Telecomunicación (AEIT) en 2013La detección automática de señales (blancos) en interferencia aditiva (clutter más ruido) es un problema no resuelto hoy en día. Muchos y diversos esquemas de detección son propuestos constantemente en revistas especializadas sobre temas de investigación radar y de procesado de señal. Esos esquemas son adaptados normalmente a la casuística del problema, es decir, a los blancos y al tipo de clutter presentes en esos experimentos. Es por ello que la tesis presentada a continuación busca proponer un esquema de detección que trabaje con altas prestaciones en distintos entornos. En esta tesis se pretende resolver dos tipos de problemas: uno centrado en la detección de blancos radar de tipo Swerling 0 en presencia de clutter sintético modelado con una distribución Weibull y ruido blanco Gaussiano; y otro centrado en la detección de barcos en movimiento a partir de imágenes radar provenientes de un radar marino comercial. Se ha comprobado que los datos reales están estadísticamente relacionados con los datos sintéticos simulados, lo cual permitirá proponer un único esquema de detección que trabaje en ambos casos. Teniendo en cuenta los problemas de detección planteados, se asumen varias premisas. Las imágenes radar generadas en entornos simulados tienen en cuenta una correlación temporal entre celdas consecutivas de la imagen y una distribución espacial constante de los parámetros estadísticos del clutter dentro de una misma imagen, pero variable de una imagen a otra. Dentro de este entorno simulado, se asumen distintos tamaños y formas de blanco. Estos entornos han sido simulados mediante el uso de los parámetros estadísticos del clutter descritos en la literatura. Comparando dichos entornos, se observa una gran disparidad en sus parámetros estadísticos, haciendo más difícil aún si cabe la tarea de proponer un detector radar que trabaje correctamente y con altas prestaciones en distintos entornos radar. Para resolver los problemas de detección planteados, se han considerado detectores radar utilizados habitualmente en la literatura. Así, se ha seleccionado como detector de referencia para el caso de trabajar con datos procedente de un radar coherente el detector de blanco conocido a priori (TSKAP: target sequence known a priori). Detectores basados en técnicas CFAR (constant false alarm rate) han sido elegidos para el caso de trabajar con datos procedentes de un radar incoherente. Por otro lado, se ha estudiado el uso de técnicas de inteligencia artificial (IA) para crear detectores que resuelvan los dos problemas de detección planteados. De las posibles técnicas de IA existentes en la literatura, se han elegido dos tipos de redes neuronales artificiales (RNAs): el perceptron multicapa (MLP: Multilayer perceptron) y las RNAs basadas en funciones de base radial (RBFNs: Radial basis function networks). Mediante este tipo de técnicas, se proponen nuevas estrategias de detección para los casos coherente e incoherente. Aparte de la contribución en el uso de técnicas de IA en temas de detección radar, se presenta otra contribución importante: el uso de nuevos modos de selección de celdas de una imagen para la mejora de las prestaciones del detector radar propuesto. Estos modos están basados en esquemas de selección con retardo (en una o dos dimensiones), dentro de los cuales se pueden elegir más celdas para poder realizar una mejor estimación de los parámetros del clutter que rodea al blanco. Además, el uso de estos modos de selección en dos dimensiones en detectores CFAR también puede ser considerado contribución ya que antes no se habían presentado resultados para los modos aquí propuestos. Los experimentos desarrollados consideran entornos simulados de mar, mar helado y tierra para el diseño y test de los detectores coherentes tomados como referencia y los basados en IA. En estos experimentos, se estudió la influencia de los siguientes parámetros durante el diseño de los detectores bajo estudio: las propiedades del clutter presente en las imágenes de los conjuntos de diseño (para entrenar RNAs y establecer el umbral de detección); los modos de selección; el número de celdas seleccionadas; así como el número de neuronas ocultas en las RNAs. A partir de estos estudios, se obtienen los valores de dichos parámetros, de tal forma que se obtienen altas prestaciones, mientras que se mantiene un coste computacional moderado en el detector propuesto. Una vez diseñados los detectores, éstos se testean utilizando un conjunto de datos de test no utilizado previamente. Este conjunto de test está compuesto por imágenes radar con distintas propiedades estadísticas para simular lo que ocurre en entornos reales. Las prestaciones observadas para este conjunto son ligeramente inferiores a los obtenidas en la etapa de diseño. Además, se observa que las prestaciones del detector para las distintas imágenes radar del con- junto, es decir, para distintos condiciones de clutter, presentan pequeñas variaciones. Esto nos indica un alto grado de robustez en los detectores cuando las condiciones de clutter cambian con el tiempo. Teniendo en cuenta estas pequeñas variaciones de las prestaciones del detector, podemos inferir que las mismas prestaciones presentadas aquí se pueden obtener cuando el detector diseñado procese nuevas imágenes radar en el futuro. Por otro lado, se han realizado estudios similares para el caso de detectores incoherentes en entornos simulados de mar, mar helado y tierra. De estos estudios, destacamos las diferencias que existen entre los resultados obtenidos por los detectores coherentes e incoherentes en entornos simulados de clutter de mar. La primera diferencia que se observa es que las prestaciones del detector incoherente son ligeramente menores que las obtenidas por el coherente, aspecto que era de esperar porque sólo considera la información de amplitud. La segunda diferencia observada es la alta reducción de coste computacional que se obtiene, siendo esto debido a que en estos detectores se utiliza menos información a la entrada. Los resultados obtenidos para los entornos simulados de mar helado y tierra no han sido incorporados en la memoria de la tesis porque tanto las prestaciones como el coste computacional obtenidos son similares a los obtenidos para el caso de entornos marinos. Finalmente, se han diseñado y testeado detectores incoherentes para trabajar con imágenes provenientes de un radar marino comercial situado en la plataforma de investigación alemana FINO-1, la cual se encuentra localizada en el mar del Norte (Alemania). Antes de proceder con el diseño de estos detectores, se comprobó que las medidas de clutter contenidas en las imágenes radar seguían una distribución Weibull, tal y como se asumió en el entorno simulado de mar. Acto seguido a esta comprobación, se procedió con el ajuste de los parámetros de cada uno de los detectores bajo estudio (CFAR y basados en técnicas de IA) para obtener las mejores prestaciones posibles, así como un coste computacional moderado. Una vez diseñados los detectores, se procedió a testearlos, llegando a las mismas conclusiones a las que se llegó para el caso sintético: alta robustez frente a cambios en las condiciones de diseño y baja pérdida de prestaciones cuando se procesan nuevas imágenes radar. También se muestra cual es el coste computacional de la configuración seleccionada en los casos de detectores incoherentes basados en MLPs y RBFNs, así como la velocidad de computo necesaria para poder procesar imágenes radar en tiempo real. A partir de estos resultados, se llega a la conclusión final de que como las unidades de procesado disponibles en el mercado permiten trabajar a las velocidades que necesita el sistema, el procesado en tiempo real está garantizado. A partir del análisis de las prestaciones obtenidas para los distintos casos de estudio abordados en la tesis, se llega a la siguiente conclusión general: los detectores basados en técnicas de IA mejoran las prestaciones obtenidas por los detectores de referencia seleccionados de la literatura en todos los casos de estudio presentados. Ésta conclusión se obtiene para radares que trabajan a distintas frecuencias, con distintas resoluciones y con receptores diferentes (coherentes e incoherentes). Además, esta conclusión también es independiente del entorno radar bajo estudio (mar, mar helado y tierra)

Target Detection Architecture for Resource Constrained Wireless Sensor Networks within Internet of Things

Wireless sensor networks (WSN) within Internet of Things (IoT) have the potential to address the growing detection and classi�cation requirements among many surveillance applications. RF sensing techniques are the next generation technologies which o�er distinct advantages over traditional passive means of sensing such as acoustic and seismic which are used for surveillance and target detection applications of WSN. RF sensing based WSN within IoT detect the presence of designated targets by transmitting RF signals into the sensing environment and observing the re ected echoes. In this thesis, an RF sensing based target detection architecture for surveillance applications of WSN has been proposed to detect the presence of stationary targets within the sensing environment. With multiple sensing nodes operating simultaneously within the sensing region, diversity among the sensing nodes in the choice of transmit waveforms is required. Existing multiple access techniques to accommodate multiple sensing nodes within the sensing environment are not suitable for RF sensing based WSN. In this thesis, a diversity in the choice of the transmit waveforms has been proposed and transmit waveforms which are suitable for RF sensing based WSN have been discussed. A criterion have been de�ned to quantify the ease of detecting the signal and energy e�ciency of the signal based on which ease of detection index and energy e�ciency index respectively have been generated. The waveform selection criterion proposed in this thesis takes the WSN sensing conditions into account and identi�es the optimum transmit waveform within the available choices of transmit waveforms based on their respective ease of detection and energy e�ciency indexes. A target detector analyses the received RF signals to make a decision regarding the existence or absence of targets within the sensing region. Existing target detectors which are discussed in the context of WSN do not take the factors such as interference and nature of the sensing environment into account. Depending on the nature of the sensing environment, in this thesis the sensing environments are classi�ed as homogeneous and heterogeneous sensing environments. Within homogeneous sensing environments the presence of interference from the neighbouring sensing nodes is assumed. A target detector has been proposed for WSN within homogeneous sensing environments which can reliably detect the presence of targets. Within heterogeneous sensing environments the presence of clutter and interfering waveforms is assumed. A target detector has been proposed for WSN within heterogeneous sensing environments to detect targets in the presence of clutter and interfering waveforms. A clutter estimation technique has been proposed to assist the proposed target detector to achieve increased target detection reliability in the presence of clutter. A combination of compressive and two-step target detection architectures has been proposed to reduce the transmission costs. Finally, a 2-stage target detection architecture has been proposed to reduce the computational complexity of the proposed target detection architecture

Adaptive Illumination Patterns for Radar Applications

The fundamental goal of Fully Adaptive Radar (FAR) involves full exploitation of the joint, synergistic adaptivity of the radar\u27s transmitter and receiver. Little work has been done to exploit the joint space time Degrees-of-Freedom (DOF) available via an Active Electronically Steered Array (AESA) during the radar\u27s transmit illumination cycle. This research introduces Adaptive Illumination Patterns (AIP) as a means for exploiting this previously untapped transmit DOF. This research investigates ways to mitigate clutter interference effects by adapting the illumination pattern on transmit. Two types of illumination pattern adaptivity were explored, termed Space Time Illumination Patterns (STIP) and Scene Adaptive Illumination Patterns (SAIP). Using clairvoyant knowledge, STIP demonstrates the ability to remove sidelobe clutter at user specified Doppler frequencies, resulting in optimum receiver performance using a non-adaptive receive processor. Using available database knowledge, SAIP demonstrated the ability to reduce training data heterogeneity in dense target environments, thereby greatly improving the minimum discernable velocity achieved through STAP processing