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)

정확한 목표물 검출을 위한 차량용 FMCW 레이더에서의 간섭 제거 기법

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 2. 김성철.As the number of vehicles on the road is increased, the incidence of traffic accident is gradually increased and the number of death is also increased. Most accidents are due to carelessness of the driver. If the vehicle can actively recognize the dangerous situation and alert the driver to avoid accident, it will be a great help to the driver. Sensor technologies have been developed by many car manufacturers and automobile device companies. There are many sensor used in vehicles, such as camera, LIDAR, radar and ultrasonic wave. Among these sensors, radar sensor is key device for adaptive cruise control (ACC), because it provides superior penetration capability through any type of weather condition, and can be used in the day or night. Meanwhile, camera cannot be used in the night or under rainy condition. LIDAR is still expensive to commercialize. Ultrasonic wave is used in very short range. There are several types of radar sensor, such as pulse doppler radar, stepped frequency pulse doppler (SFPD) radar, frequency modulated continuous wave (FMCW) radar and random noise radar. While pulse doppler radar and random noise radar need high-performance hardware for digital processing and SFPD radar needs additional processing, FMCW radar is widely used for automotive radar due to its easy implementation and high resolution. Linearly modulated chirp signal, such as triangular or trapezoidal signal, is used in FMCW radar. With an increasing number of automotive radar, radar may receive signals from other radars as well as targets. In order to prevent radar malfunction, the effect of the interference should be removed. The techniques to mitigate the interference have been developed, such as pre-FFT processing for directly removing the interference or post-FFT processing for canceling the effect of interference. In this dissertation, the effects of the interference between FMCW radars are analyzed. Narrow band interference, which results in the ghost target peak, is generated between identical radars or similar radars whose chirp slopes are slightly different. Mostly, wide band interference is generated and it increases the noise floor. Hence, we propose methods for removing the wide band interference. The shape of wide band interference is impulse-like signal, because its frequency lies on entire system bandwidth. The interference signals are suppressed in the time domain by using their envelope. This method is verified by simulation results and also measurement data in an anechoic chamber. In spite of suppressing the interference in the time domain, traces of the interference still remain in the mixer signals. For this reason, the desired angles of target are not estimated well. Since desired target signal is sum of sinusoids, the partial portion which the interference was suppressed is restored by using linear prediction. To predict the signal more correctly, the asymmetric window function is proposed and by using this function, forward and backward predicted signals are crossfaded asymmetrically. This method is also verified by simulation results.Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. FMCW RADAR Principles 6 2.1 Introduction 6 2.2 Radar Equation 8 2.3 Mathematical Model for FMCW Radar System 10 2.4 Signal Processing Structure for FMCW Radar System 13 2.5 Waveform Design for FMCW Radar System 15 2.5.1 Stationary Target 15 2.5.2 Moving Target 16 2.5.3 Resolution 18 2.6 Target Peak Detection for FMCW Radar System 20 2.6.1 CA-CFAR 23 2.6.2 OS-CFAR 25 2.7 High-resolution Angle Estimation Algorithm for FMCW Radar System 29 Chapter 3. Analysis of Interference in FMCW radar system 33 3.1 Introduction 33 3.2 Radar Equation with Interference 35 3.3 Mathematical Model for FMCW Radar System with Interference 37 3.4 Type of Interference between FMCW Radars 41 3.4.1 Beat Frequency in Narrow Band 41 3.4.2 Beat Frequency in Wide(entire) Band 44 Chapter 4. The Method for Removing Effects of Interference in FMCW Radar System 48 4.1 Introduction 48 4.2 Interference Suppression Method 50 4.2.1 Clipping Algorithm 50 4.2.2 WEN Algorithm 51 4.2.3 AWEN Algorithm 57 4.2.4 Measurement Result 63 4.3 Signal Restoration Method 67 4.3.1 Linear Prediction 67 4.3.2 Linear Prediction for the Sum of Sinusoids 73 4.3.3 Proposed Algorithm using Linear Prediction 77 4.4 Conclusion 86 Bibliography 87 Abstract in Korean 91Docto

A Linear Subspace Approach to Burst Communication Signal Processing

This dissertation focuses on the topic of burst signal communications in a high interference environment. It derives new signal processing algorithms from a mathematical linear subspace approach instead of the common stationary or cyclostationary approach. The research developed new algorithms that have well-known optimality criteria associated with them. The investigation demonstrated a unique class of multisensor filters having a lower mean square error than all other known filters, a maximum likelihood time difference of arrival estimator that outperformed previously optimal estimators, and a signal presence detector having a selectivity unparalleled in burst interference environments. It was further shown that these improvements resulted in a greater ability to communicate, to locate electronic transmitters, and to mitigate the effects of a growing interference environment

A scalable real-time processing chain for radar exploiting illuminators of opportunity

Includes bibliographical references.This thesis details the design of a processing chain and system software for a commensal radar system, that is, a radar that makes use of illuminators of opportunity to provide the transmitted waveform. The stages of data acquisition from receiver back-end, direct path interference and clutter suppression, range/Doppler processing and target detection are described and targeted to general purpose commercial off-the-shelf computing hardware. A detailed low level design of such a processing chain for commensal radar which includes both processing stages and processing stage interactions has, to date, not been presented in the Literature. Furthermore, a novel deployment configuration for a networked multi-site FM broadcast band commensal radar system is presented in which the reference and surveillance channels are record at separate locations

Synthetic Aperture Radar (SAR) Meets Deep Learning

This reprint focuses on the application of the combination of synthetic aperture radars and depth learning technology. It aims to further promote the development of SAR image intelligent interpretation technology. A synthetic aperture radar (SAR) is an important active microwave imaging sensor, whose all-day and all-weather working capacity give it an important place in the remote sensing community. Since the United States launched the first SAR satellite, SAR has received much attention in the remote sensing community, e.g., in geological exploration, topographic mapping, disaster forecast, and traffic monitoring. It is valuable and meaningful, therefore, to study SAR-based remote sensing applications. In recent years, deep learning represented by convolution neural networks has promoted significant progress in the computer vision community, e.g., in face recognition, the driverless field and Internet of things (IoT). Deep learning can enable computational models with multiple processing layers to learn data representations with multiple-level abstractions. This can greatly improve the performance of various applications. This reprint provides a platform for researchers to handle the above significant challenges and present their innovative and cutting-edge research results when applying deep learning to SAR in various manuscript types, e.g., articles, letters, reviews and technical reports

Shuttle orbiter Ku-band radar/communications system design evaluation

Tasks performed in an examination and critique of a Ku-band radar communications system for the shuttle orbiter are reported. Topics cover: (1) Ku-band high gain antenna/widebeam horn design evaluation; (2) evaluation of the Ku-band SPA and EA-1 LRU software; (3) system test evaluation; (4) critical design review and development test evaluation; (5) Ku-band bent pipe channel performance evaluation; (6) Ku-band LRU interchangeability analysis; and (7) deliverable test equipment evaluation. Where discrepancies were found, modifications and improvements to the Ku-band system and the associated test procedures are suggested

Data Acquisition Applications

Data acquisition systems have numerous applications. This book has a total of 13 chapters and is divided into three sections: Industrial applications, Medical applications and Scientific experiments. The chapters are written by experts from around the world, while the targeted audience for this book includes professionals who are designers or researchers in the field of data acquisition systems. Faculty members and graduate students could also benefit from the book