A simulation of the single scan accuracy of a two-dimensional pulsed surveillance radar

Bibliography: leaves 194-198.The following dissertation considers the single-scan two-dimensional positional accuracy of a pulsed surveillance radar. The theoretical aspects to the positional accuracy are considered and a generalized analytical approach is presented. Practical position estimators are often complex, and theoretical predictions of their performance generally yield unfriendly mathematical equations. In order to evaluate the performance of these estimators, a simulation method is described based on replicating the received video signal. The accuracy of such a simulation is determined largely by the accuracy of the models applied, and these are considered in detail. Different azimuth estimation techniques are described, and their performances are evaluated with the aid of the signal simulation. The best azimuth accuracy performance is obtained with the class of analogue processing estimators, but they are found to be more susceptible to interference than their binary processing counterparts. The class of binary processing estimators offer easily implemented techniques which are relatively insensitive to radar cross-section scintillation characteristics. A hybrid estimator, using both analogue and binary processing, is also evaluated and found to give an improved accuracy performance over the binary processing method while still maintaining the relative insensitivity to radar cross-section fluctuation

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)

Processing techniques for improved radar detection in spiky clutter

The problem of improved radar detection of targets embedded in spiky clutter is addressed. Two main areas where improvements may be possible are investigated, namely improved clutter suppression by doppler filtering, and improved Constant False Alarm Rate (CFAR) processing. The clutter suppression performance of several doppler processors is quantified under a wide range of conditions. It is shown that in spatially homogeneous clutter ideal optimal (Hsiao) filters offer 2 to 3 dB higher improvement factor than conventional techniques. Adaptive Hsiao filters are evaluated under conditions of spatially heterogeneous clutter, and it is shown that practical losses due to filter adaptivity and spectral heterogeneity will outweigh the superior performance of ideal Hsiao filters in homogeneous clutter. It is concluded that improved doppler filtering offers little scope for improving detection performance in spiky clutter, and that more significant benefits are to be gained through improved CFAR processing. The performance of three current generation CFAR processors is evaluated in spatially uncorrelated K-distributed clutter to quantify detection losses. It is shown that losses of in excess of 10 dB can be expected in spiky clutter. Reducing the loss by exploitation of any spatial correlation of the underlying clutter power is investigated. To this end a mathematically rigorous model for spatially correlated K-distributed clutter is derived. An improved CFAR processor based on optimal weighting of reference cells is formulated and evaluated. It is shown that in highly correlated clutter CFAR loss can be reduced by 2 to 5 dB compared to Cell Averaging CFAR processors. An alternative "RDT-CFAR" processor is formulated to eliminate reliance on spatial correlation, and this is shown to reduce CFAR loss by more than 10 dB in spectrally homogeneous spiky clutter. However, an increase in false alarm rate in clutter without constant spectrum is demonstrated. The RDT-CFAR processor has been modified to eliminate dependence on surrounding range bins. The resulting "δ-CFAR" processor reduces CFAR loss by more than 10 dB in even moderately spiky clutter. It is also immune to extraneous targets and clutter edges, and its false alarm performance is insensitive to clutter spikiness

Radar-based Application of Pedestrian and Cyclist Micro-Doppler Signatures for Automotive Safety Systems

Die sensorbasierte Erfassung des Nahfeldes im Kontext des hochautomatisierten Fahrens erfährt einen spürbaren Trend bei der Integration von Radarsensorik. Fortschritte in der Mikroelektronik erlauben den Einsatz von hochauflösenden Radarsensoren, die durch effiziente Verfahren sowohl im Winkel als auch in der Entfernung und im Doppler die Messgenauigkeit kontinuierlich ansteigen lassen. Dadurch ergeben sich neuartige Möglichkeiten bei der Bestimmung der geometrischen und kinematischen Beschaffenheit ausgedehnter Ziele im Fahrzeugumfeld, die zur gezielten Entwicklung von automotiven Sicherheitssystemen herangezogen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit werden ungeschützte Verkehrsteilnehmer wie Fußgänger und Radfahrer mittels eines hochauflösenden Automotive-Radars analysiert. Dabei steht die Erscheinung des Mikro-Doppler-Effekts, hervorgerufen durch das hohe Maß an kinematischen Freiheitsgraden der Objekte, im Vordergrund der Betrachtung. Die durch den Mikro-Doppler-Effekt entstehenden charakteristischen Radar-Signaturen erlauben eine detailliertere Perzeption der Objekte und können in direkten Zusammenhang zu ihren aktuellen Bewegungszuständen gesetzt werden. Es werden neuartige Methoden vorgestellt, die die geometrischen und kinematischen Ausdehnungen der Objekte berücksichtigen und echtzeitfähige Ansätze zur Klassifikation und Verhaltensindikation realisieren. Wird ein ausgedehntes Ziel (z.B. Radfahrer) von einem Radarsensor detektiert, können aus dessen Mikro-Doppler-Signatur wesentliche Eigenschaften bezüglich seines Bewegungszustandes innerhalb eines Messzyklus erfasst werden. Die Geschwindigkeitsverteilungen der sich drehenden Räder erlauben eine adaptive Eingrenzung der Tretbewegung, deren Verhalten essentielle Merkmale im Hinblick auf eine vorausschauende Unfallprädiktion aufweist. Ferner unterliegen ausgedehnte Radarziele einer Orientierungsabhängigkeit, die deren geometrischen und kinematischen Profile direkt beeinflusst. Dies kann sich sowohl negativ auf die Klassifikations-Performance als auch auf die Verwertbarkeit von Parametern auswirken, die eine Absichtsbekundung des Radarziels konstituieren. Am Beispiel des Radfahrers wird hierzu ein Verfahren vorgestellt, das die orientierungsabhängigen Parameter in Entfernung und Doppler normalisiert und die gemessenen Mehrdeutigkeiten kompensiert. Ferner wird in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt, die auf Grundlage des Mikro- Doppler-Profils eines Fußgängers dessen Beinbewegungen über die Zeit schätzt (Tracking) und wertvolle Objektinformationen hinsichtlich seines Bewegungsverhaltens offenbart. Dazu wird ein Bewegungsmodell entwickelt, das die nichtlineare Fortbewegung des Beins approximiert und dessen hohes Maß an biomechanischer Variabilität abbildet. Durch die Einbeziehung einer wahrscheinlichkeitsbasierten Datenassoziation werden die Radar-Detektionen ihren jeweils hervorrufenden Quellen (linkes und rechtes Bein) zugeordnet und eine Trennung der Gliedmaßen realisiert. Im Gegensatz zu bisherigen Tracking-Verfahren weist die vorgestellte Methodik eine Steigerung in der Genauigkeit der Objektinformationen auf und stellt damit einen entscheidenden Vorteil für zukünftige Fahrerassistenzsysteme dar, um deutlich schneller auf kritische Verkehrssituationen reagieren zu können.:1 Introduction 1 1.1 Automotive environmental perception 2 1.2 Contributions of this work 4 1.3 Thesis overview 6 2 Automotive radar 9 2.1 Physical fundamentals 9 2.1.1 Radar cross section 9 2.1.2 Radar equation 10 2.1.3 Micro-Doppler effect 11 2.2 Radar measurement model 15 2.2.1 FMCW radar 15 2.2.2 Chirp sequence modulation 17 2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22 2.3 Signal processing 25 2.3.1 Target properties 26 2.3.2 Target extraction 28 Power detection 28 Clustering 30 2.3.3 Real radar data example 31 2.4 Conclusion 33 3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35 3.1 Physical fundamentals 35 3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35 3.1.2 Orientation dependence 36 3.2 Cyclist feature extraction 38 3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38 Ellipticity constraints 38 Ellipse fitting algorithm 39 3.2.2 Experimental results 42 3.3 Normalization of the orientation dependence 44 3.3.1 Geometric correction 44 3.3.2 Kinematic correction 45 3.3.3 Experimental results 45 3.4 Conclusion 47 3.5 Discussion and outlook 47 4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49 4.1 Pedestrian detection 49 4.1.1 Human kinematics 49 4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51 4.1.3 Experimental results 52 Radially moving pedestrian 52 Crossing pedestrian 54 4.2 Pedestrian feature extraction 57 4.2.1 Frequency-based limb separation 58 4.2.2 Extraction of body parts 60 4.2.3 Experimental results 62 4.3 Pedestrian tracking 64 4.3.1 Probabilistic state estimation 65 4.3.2 Gaussian filters 67 4.3.3 The Kalman filter 67 4.3.4 The extended Kalman filter 69 4.3.5 Multiple-object tracking 71 4.3.6 Data association 74 4.3.7 Joint probabilistic data association 80 4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84 4.4.1 Kinematic modeling 84 4.4.2 Tracking motion model 87 4.4.3 4-D radar point cloud 91 4.4.4 Tracking implementation 92 4.4.5 Experimental results 96 Longitudinal trajectory 96 Crossing trajectory with sudden turn 98 4.5 Conclusion 102 4.6 Discussion and outlook 103 5 Summary and outlook 105 5.1 Developed algorithms 105 5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105 5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105 5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106 5.2 Outlook 106 Bibliography 109 List of Acronyms 119 List of Figures 124 List of Tables 125 Appendix 127 A Derivation of the rotation matrix 2.26 127 B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129 C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131 Curriculum Vitae 135Sensor-based detection of the near field in the context of highly automated driving is experiencing a noticeable trend in the integration of radar sensor technology. Advances in microelectronics allow the use of high-resolution radar sensors that continuously increase measurement accuracy through efficient processes in angle as well as distance and Doppler. This opens up novel possibilities in determining the geometric and kinematic nature of extended targets in the vehicle environment, which can be used for the specific development of automotive safety systems. In this work, vulnerable road users such as pedestrians and cyclists are analyzed using a high-resolution automotive radar. The focus is on the appearance of the micro-Doppler effect, caused by the objects’ high kinematic degree of freedom. The characteristic radar signatures produced by the micro-Doppler effect allow a clearer perception of the objects and can be directly related to their current state of motion. Novel methods are presented that consider the geometric and kinematic extents of the objects and realize real-time approaches to classification and behavioral indication. When a radar sensor detects an extended target (e.g., bicyclist), its motion state’s fundamental properties can be captured from its micro-Doppler signature within a measurement cycle. The spinning wheels’ velocity distributions allow an adaptive containment of the pedaling motion, whose behavior exhibits essential characteristics concerning predictive accident prediction. Furthermore, extended radar targets are subject to orientation dependence, directly affecting their geometric and kinematic profiles. This can negatively affect both the classification performance and the usability of parameters constituting the radar target’s intention statement. For this purpose, using the cyclist as an example, a method is presented that normalizes the orientation-dependent parameters in range and Doppler and compensates for the measured ambiguities. Furthermore, this paper presents a methodology that estimates a pedestrian’s leg motion over time (tracking) based on the pedestrian’s micro-Doppler profile and reveals valuable object information regarding his motion behavior. To this end, a motion model is developed that approximates the leg’s nonlinear locomotion and represents its high degree of biomechanical variability. By incorporating likelihood-based data association, radar detections are assigned to their respective evoking sources (left and right leg), and limb separation is realized. In contrast to previous tracking methods, the presented methodology shows an increase in the object information’s accuracy. It thus represents a decisive advantage for future driver assistance systems in order to be able to react significantly faster to critical traffic situations.:1 Introduction 1 1.1 Automotive environmental perception 2 1.2 Contributions of this work 4 1.3 Thesis overview 6 2 Automotive radar 9 2.1 Physical fundamentals 9 2.1.1 Radar cross section 9 2.1.2 Radar equation 10 2.1.3 Micro-Doppler effect 11 2.2 Radar measurement model 15 2.2.1 FMCW radar 15 2.2.2 Chirp sequence modulation 17 2.2.3 Direction-of-arrival estimation 22 2.3 Signal processing 25 2.3.1 Target properties 26 2.3.2 Target extraction 28 Power detection 28 Clustering 30 2.3.3 Real radar data example 31 2.4 Conclusion 33 3 Micro-Doppler applications of a cyclist 35 3.1 Physical fundamentals 35 3.1.1 Micro-Doppler signatures of a cyclist 35 3.1.2 Orientation dependence 36 3.2 Cyclist feature extraction 38 3.2.1 Adaptive pedaling extraction 38 Ellipticity constraints 38 Ellipse fitting algorithm 39 3.2.2 Experimental results 42 3.3 Normalization of the orientation dependence 44 3.3.1 Geometric correction 44 3.3.2 Kinematic correction 45 3.3.3 Experimental results 45 3.4 Conclusion 47 3.5 Discussion and outlook 47 4 Micro-Doppler applications of a pedestrian 49 4.1 Pedestrian detection 49 4.1.1 Human kinematics 49 4.1.2 Micro-Doppler signatures of a pedestrian 51 4.1.3 Experimental results 52 Radially moving pedestrian 52 Crossing pedestrian 54 4.2 Pedestrian feature extraction 57 4.2.1 Frequency-based limb separation 58 4.2.2 Extraction of body parts 60 4.2.3 Experimental results 62 4.3 Pedestrian tracking 64 4.3.1 Probabilistic state estimation 65 4.3.2 Gaussian filters 67 4.3.3 The Kalman filter 67 4.3.4 The extended Kalman filter 69 4.3.5 Multiple-object tracking 71 4.3.6 Data association 74 4.3.7 Joint probabilistic data association 80 4.4 Kinematic-based pedestrian tracking 84 4.4.1 Kinematic modeling 84 4.4.2 Tracking motion model 87 4.4.3 4-D radar point cloud 91 4.4.4 Tracking implementation 92 4.4.5 Experimental results 96 Longitudinal trajectory 96 Crossing trajectory with sudden turn 98 4.5 Conclusion 102 4.6 Discussion and outlook 103 5 Summary and outlook 105 5.1 Developed algorithms 105 5.1.1 Adaptive pedaling extraction 105 5.1.2 Normalization of the orientation dependence 105 5.1.3 Model-based pedestrian tracking 106 5.2 Outlook 106 Bibliography 109 List of Acronyms 119 List of Figures 124 List of Tables 125 Appendix 127 A Derivation of the rotation matrix 2.26 127 B Derivation of the mixed radar signal 2.52 129 C Calculation of the marginal association probabilities 4.51 131 Curriculum Vitae 13

Integrated perception, modeling, and control paradigm for bistatic sonar tracking by autonomous underwater vehicles

Thesis (Sc. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 357-364).In this thesis, a fully autonomous and persistent bistatic anti-submarine warfare (ASW) surveillance solution is developed using the autonomous underwater vehicles (AUVs). The passive receivers are carried by these AUVs, and are physically separated from the cooperative active sources. These sources are assumed to be transmitting both the frequency-modulated (FM) and continuous wave (CW) sonar pulse signals. The thesis then focuses on providing novel methods for the AUVs/receivers to enhance the bistatic sonar tracking performance. Firstly, the surveillance procedure, called the Automated Perception, is developed to automatically abstract the sensed acoustical data from the passive receiver to the track report that represents the situation awareness. The procedure is executed sequentially by two algorithms: (i) the Sonar Signal Processing algorithm - built with a new dual-waveform fusion of the FM and CW signals to achieve reliable stream of contacts for improved tracking; and (ii) the Target Tracking algorithm - implemented by exploiting information and environmental adaptations to optimize tracking performance. Next, a vehicular control strategy, called the Perception-Driven Control, is devised to move the AUV in reaction to the track report provided by the Automated Perception. The thesis develops a new non-myopic and adaptive control for the vehicle. This is achieved by exploiting the predictive information and environmental rewards to optimize the future tracking performance. The formulation eventually leads to a new information-theoretic and environmental-based control. The main challenge of the surveillance solution then rests upon formulating a model that allows tracking performance to be enhanced via adaptive processing in the Automated Perception, and adaptive mobility by the Perception-Driven Control. A Unified Model is formulated in this thesis that amalgamates two models: (i) the Information-Theoretic Model - developed to define the manner at which the FM and CW acoustical, the navigational, and the environmental measurement uncertainties are propagated to the bistatic measurement uncertainties in the contacts; and (ii) the Environmental-Acoustic Model - built to predict the signal-to-noise power ratios (SNRs) of the FM and CW contacts. Explicit relationships are derived in this thesis using information theory to amalgamate these two models. Finally, an Integrated System is developed onboard each AUV that brings together all the above technologies to enhance the bistatic sonar tracking performance. The system is formulated as a closed-loop control system. This formulation provides a new Integrated Perception, Modeling, and Control Paradigm for an autonomous bistatic ASW surveillance solution using AUVs. The system is validated using the simulated data, and the real data collected from the Generic Littoral Interoperable Network Technology (GLINT) 2009 and 2010 experiments. The experiments were conducted jointly with the NATO Undersea Research Centre (NURC).by Raymond Hon Kit Lum.Sc.D