CFAR Detectors for DVB-T Passive Radar in non-homogeneous scenarios

CFAR (Constant False Alarm Rate) detectors were designed and evaluated in non-homogeneous DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) passive radar scenarios. The CA-CFAR (Cell-Averaged CFAR) is the most widespread incoherent CFAR technique. CA-CFAR detector is optimal under the assumption of homogeneous interference, but CA-CFAR performance is degraded when this assumption is not fulfilled. As an attempt to design CFAR algorithms in non-homogeneous environment, VI-CFAR (Variability Index-CFAR) was proposed. CA-CFAR and VI-CFAR detectors were designed and evaluated in a simulated and real passive radar scenarios. The real data were acquired by IDEPAR demonstrator, a DVB-T passive radar system. Results confirm the suitability of VICFAR based solutions in passive radar scenarios providing detection probabilities much higher than the detection capabilities associated with CA-CFAR.Ministerio de Economía y CompetitividadUniversidad de Alcal

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)

A comparison of processing approaches for distributed radar sensing

Radar networks received increasing attention in recent years as they can outperform single monostatic or bistatic systems. Further attention is being dedicated to these systems as an application of the MIMO concept, well know in communications for increasing the capacity of the channel and improving the overall quality of the connection. However, it is here shown that radar network can take advantage not only from the angular diversity in observing the target, but also from a variety of ways of processing the received signals. The number of devices comprising the network has also been taken into the analysis. Detection and false alarm are evaluated in noise only and clutter from a theoretical and simulated point of view. Particular attention is dedicated to the statistics behind the processing. Experiments have been performed to evaluate practical applications of the proposed processing approaches and to validate assumptions made in the theoretical analysis. In particular, the radar network used for gathering real data is made up of two transmitters and three receivers. More than two transmitters are well known to generate mutual interference and therefore require additional e�fforts to mitigate the system self-interference. However, this allowed studying aspects of multistatic clutter, such as correlation, which represent a first and novel insight in this topic. Moreover, two approaches for localizing targets have been developed. Whilst the first is a graphic approach, the second is hybrid numerical (partially decentralized, partially centralized) which is clearly shown to improve dramatically the single radar accuracy. Finally the e�ects of exchanging angular with frequency diversity are shown as well in some particular cases. This led to develop the Frequency MIMO and the Frequency Diverse Array, according to the separation of two consecutive frequencies. The latter is a brand new topic in technical literature, which is attracting the interest of the technical community because of its potential to generate range-dependant patterns. Both the latter systems can be used in radar-designing to improve the agility and the effciency of the radar

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

Study of the speckle noise effects over the eigen decomposition of polarimetric SAR data: a review

This paper is focused on considering the effects of speckle noise on the eigen decomposition of the co- herency matrix. Based on a perturbation analysis of the matrix, it is possible to obtain an analytical expression for the mean value of the eigenvalues and the eigenvectors, as well as for the Entropy, the Anisotroopy and the dif- ferent a angles. The analytical expressions are compared against simulated polarimetric SAR data, demonstrating the correctness of the different expressions.Peer ReviewedPostprint (published version

Autonomous agents for multi-function radar resource management

The multifunction radar, aided by advances in electronically steered phased array technology, is capable of supporting numerous, differing and potentially conflicting tasks. However, the full potential of the radar system is only realised through its ability to automatically manage and configure the finite resource it has available. This thesis details the novel application of agent systems to this multifunction radar resource management problem. Agent systems are computational societies where the synergy of local interactions between agents produces emergent, global desirable behaviour. In this thesis the measures and models which can be used to allocate radar resource is explored; this choice of objective function is crucial as it determines which attribute is allocated resource and consequently constitutes a description of the problem to be solved. A variety of task specific and information theoretic measures are derived and compared. It is shown that by utilising as wide a variety of measures and models as possible the radar’s multifunction capability is enhanced. An agent based radar resource manager is developed using the JADE Framework which is used to apply the sequential first price auction and continuous double auctions to the multifunction radar resource management problem. The application of the sequential first price auction leads to the development of the Sequential First Price Auction Resource Management algorithm from which numerous novel conclusions on radar resource management algorithm design are drawn. The application of the continuous double auction leads to the development of the Continuous Double Auction Parameter Selection (CDAPS) algorithm. The CDAPS algorithm improves the current state of the art by producing an improved allocation with low computational burden. The algorithm is shown to give worthwhile improvements in task performance over a conventional rule based approach for the tracking and surveillance functions as well as exhibiting graceful degradation and adaptation to a dynamic environment

Machine learning applied to radar data: classification and semantic instance segmentation of moving road users

Classification and semantic instance segmentation applications are rarely considered for automotive radar sensors. In current implementations, objects have to be tracked over time before some semantic information can be extracted. In this thesis, data from a network of 77 GHz automotive radar sensors is used to construct, train and evaluate machine learning algorithms for the classification of moving road users. The classification step is deliberately performed early in the process chain so that a subsequent tracking algorithm can benefit from this extra information. For this purpose, a large data set with real-world scenarios from about 5 h of driving was recorded and annotated. Given that the point clouds measured by the radar sensors are both sparse and noisy, the proposed methods have to be sensitive to those features that discern the individual classes from each other and at the same time, they have to be robust to outliers and measurement errors. Two groups of applications are considered: classi- fication of clustered data and semantic (instance) segmentation of whole scenes. In the first category, specifically designed density-based clustering algorithms are used to group individual measurements to objects. These objects are then used either as input to a manual feature extraction step or as input to a neural network, which operates directly on the bare input points. Different classifiers are trained and evaluated on these input data. For the algorithms of the second category, the measurements of a whole scene are used as input, so that the clustering step becomes obsolete. A newly designed recurrent neural network for instance segmentation of point clouds is utilized. This approach outperforms all of the other proposed methods and exceeds the baseline score by about ten percentage points. In additional experiments, the performance of human test candidates on the same task is analyzed. This study shows that temporal correlations in the data are of great use for the test candidates, who are nevertheless outrun by the recurrent network

Nonlinear and distributed sensory estimation

Methods to improve performance of sensors with regard to sensor nonlinearity, sensor noise and sensor bandwidths are investigated and new algorithms are developed. The necessity of the proposed research has evolved from the ever-increasing need for greater precision and improved reliability in sensor measurements. After describing the current state of the art of sensor related issues like nonlinearity and bandwidth, research goals are set to create a new trend on the usage of sensors. We begin the investigation with a detailed distortion analysis of nonlinear sensors. A need for efficient distortion compensation procedures is further justified by showing how a slight deviation from the linearity assumption leads to a very severe distortion in time and in frequency domains. It is argued that with a suitable distortion compensation technique the danger of having an infinite bandwidth nonlinear sensory operation, which is dictated by nonlinear distortion, can be avoided. Several distortion compensation techniques are developed and their performance is validated by simulation and experimental results. Like any other model-based technique, modeling errors or model uncertainty affects performance of the proposed scheme, this leads to the innovation of robust signal reconstruction. A treatment for this problem is given and a novel technique, which uses a nominal model instead of an accurate model and produces the results that are robust to model uncertainty, is developed. The means to attain a high operating bandwidth are developed by utilizing several low bandwidth pass-band sensors. It is pointed out that instead of using a single sensor to measure a high bandwidth signal, there are many advantages of using an array of several pass-band sensors. Having shown that employment of sensor arrays is an economic incentive and practical, several multi-sensor fusion schemes are developed to facilitate their implementation. Another aspect of this dissertation is to develop means to deal with outliers in sensor measurements. As fault sensor data detection is an essential element of multi-sensor network implementation, which is used to improve system reliability and robustness, several sensor scheduling configurations are derived to identify and to remove outliers