Radar networks: A review of features and challenges

Networks of multiple radars are typically used for improving the coverage and tracking accuracy. Recently, such networks have facilitated deployment of commercial radars for civilian applications such as healthcare, gesture recognition, home security, and autonomous automobiles. They exploit advanced signal processing techniques together with efficient data fusion methods in order to yield high performance of event detection and tracking. This paper reviews outstanding features of radar networks, their challenges, and their state-of-the-art solutions from the perspective of signal processing. Each discussed subject can be evolved as a hot research topic.Comment: To appear soon in Information Fusio

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten

Collective PV-RCNN: A Novel Fusion Technique using Collective Detections for Enhanced Local LiDAR-Based Perception

Comprehensive perception of the environment is crucial for the safe operation of autonomous vehicles. However, the perception capabilities of autonomous vehicles are limited due to occlusions, limited sensor ranges, or environmental influences. Collective Perception (CP) aims to mitigate these problems by enabling the exchange of information between vehicles. A major challenge in CP is the fusion of the exchanged information. Due to the enormous bandwidth requirement of early fusion approaches and the interchangeability issues of intermediate fusion approaches, only the late fusion of shared detections is practical. Current late fusion approaches neglect valuable information for local detection, this is why we propose a novel fusion method to fuse the detections of cooperative vehicles within the local LiDAR-based detection pipeline. Therefore, we present Collective PV-RCNN (CPV-RCNN), which extends the PV-RCNN++ framework to fuse collective detections. Code is available at https://github.com/ekut-esComment: accepted at IEEE ITSC 202

Fully Decentralized Estimation Using Square-Root Decompositions

Networks consisting of several spatially distributed sensor nodes are useful in many applications. While distributed information processing can be more robust and flexible than centralized filtering, it requires careful consideration of dependencies between local state estimates. This paper proposes an algorithm to keep track of dependencies in decentralized systems where no dedicated fusion center is present. Specifically, it addresses double-counting of measurement information due to intermediate fusion results and correlations due to common process noise and common prior information. To limit the necessary amount of data, this paper introduces a method to partially bound correlations, leading to a more conservative fusion result than the optimal reconstruction while reducing the necessary amount of data. Simulation studies compare the performance and convergence rate of the proposed algorithm to other state-of-the-art methods

Impact analysis of time synchronization error in airborne target tracking using a heterogeneous sensor network

This paper investigates the influence of time synchronization on sensor fusion and target tracking. As a benchmark, we design a target tracking system based on track-to-track fusion architecture. Heterogeneous sensors detect targets and transmit measurements through a communication network, while local tracking and track fusion are performed in the fusion center to integrate measurements from these sensors into a fused track. The time synchronization error is mathematically modeled, and local time is biased from the reference clock during the holdover phase. The influence of the time synchronization error on target tracking system components such as local association, filtering, and track fusion is discussed. The results demonstrate that an increase in the time synchronization error leads to deteriorating association and filtering performance. In addition, the results of the simulation study validate the impact of the time synchronization error on the sensor network.This work was supported by Innovate UK funding (grant number 10012306)

Faculty Scholarship Celebration 2020

Program and bibliography for Western Carolina University's annual Faculty Scholarship Celebration

An Information Fusion Perspective

A fundamental issue concerned the effectiveness of the Bayesian filter is raised.The observation-only (O2) inference is presented for dynamic state estimation.The "probability of filter benefit" is defined and quantitatively analyzed.Convincing simulations demonstrate that many filters can be easily ineffective. The general solution for dynamic state estimation is to model the system as a hidden Markov process and then employ a recursive estimator of the prediction-correction format (of which the best known is the Bayesian filter) to statistically fuse the time-series observations via models. The performance of the estimator greatly depends on the quality of the statistical mode assumed. In contrast, this paper presents a modeling-free solution, referred to as the observation-only (O2) inference, which infers the state directly from the observations. A Monte Carlo sampling approach is correspondingly proposed for unbiased nonlinear O2 inference. With faster computational speed, the performance of the O2 inference has identified a benchmark to assess the effectiveness of conventional recursive estimators where an estimator is defined as effective only when it outperforms on average the O2 inference (if applicable). It has been quantitatively demonstrated, from the perspective of information fusion, that a prior "biased" information (which inevitably accompanies inaccurate modelling) can be counterproductive for a filter, resulting in an ineffective estimator. Classic state space models have shown that a variety of Kalman filters and particle filters can easily be ineffective (inferior to the O2 inference) in certain situations, although this has been omitted somewhat in the literature

Real-time simulator of collaborative and autonomous vehicles

Durant ces dernières décennies, l’apparition des systèmes d’aide à la conduite a essentiellement été favorisée par le développement des différentes technologies ainsi que par celui des outils mathématiques associés. Cela a profondément affecté les systèmes de transport et a donné naissance au domaine des systèmes de transport intelligents (STI). Nous assistons de nos jours au développement du marché des véhicules intelligents dotés de systèmes d’aide à la conduite et de moyens de communication inter-véhiculaire. Les véhicules et les infrastructures intelligents changeront le mode de conduite sur les routes. Ils pourront résoudre une grande partie des problèmes engendrés par le trafic routier comme les accidents, les embouteillages, la pollution, etc. Cependant, le bon fonctionnement et la fiabilité des nouvelles générations des systèmes de transport nécessitent une parfaite maitrise des différents processus de leur conception, en particulier en ce qui concerne les systèmes embarqués. Il est clair que l’identification et la correction des défauts des systèmes embarqués sont deux tâches primordiales à la fois pour la sauvegarde de la vie humaine, à la fois pour la préservation de l’intégrité des véhicules et des infrastructures urbaines. Pour ce faire, la simulation numérique en temps réel est la démarche la plus adéquate pour tester et valider les systèmes de conduite et les véhicules intelligents. Elle présente de nombreux avantages qui la rendent incontournable pour la conception des systèmes embarqués. Par conséquent, dans ce projet, nous présentons une nouvelle plateforme de simulation temps-réel des véhicules intelligents et autonomes en conduite collaborative. Le projet se base sur deux principaux composants. Le premier étant les produits d’OPAL-RT Technologies notamment le logiciel RT-LAB « en : Real Time LABoratory », l’application Orchestra et les machines de simulation dédiées à la simulation en temps réel et aux calculs parallèles, le second composant est Pro-SiVIC pour la simulation de la dynamique des véhicules, du comportement des capteurs embarqués et de l’infrastructure. Cette nouvelle plateforme (Pro-SiVIC/RT-LAB) permettra notamment de tester les systèmes embarqués (capteurs, actionneurs, algorithmes), ainsi que les moyens de communication inter-véhiculaire. Elle permettra aussi d’identifier et de corriger les problèmes et les erreurs logicielles, et enfin de valider les systèmes embarqués avant même le prototypage