Multi-headed deep learning-based estimator for correlated-SIRV Pareto type II distributed clutter

This paper deals with the problem of estimating the parameters of heavy-tailed sea clutter in high-resolution radar, when the clutter is modeled by the correlated Pareto type II distribution. Existing estimators based on the maximum likelihood (ML) approach, integer-order moments (IOM) approach, fractional-order moments (FOM), and log-moments (log-MoM) have shown to be sensitive to changes in data correlation. In this work, we resort to a deep learning (DL) approach based on a multi-headed architecture to overcome this problem. Offline training of the artificial neural networks (ANN) is carried out by using several combinations of the clutter parameters, with different correlation degrees. To assess the performance of the proposed estimator, we resort to Monte Carlo simulation, and we observed that it has superior performance over existing approaches in terms of estimation mean square error (MSE) and robustness to changes of the clutter correlation coefficient

Ship target recognition

Includes bibliographical references.In this report the classification of ship targets using a low resolution radar system is investigated. The thesis can be divided into two major parts. The first part summarizes research into the applications of neural networks to the low resolution non-cooperative ship target recognition problem. Three very different neural architectures are investigated and compared, namely; the Feedforward Network with Back-propagation, Kohonen's Supervised Learning Vector Quantization Network, and Simpson's Fuzzy Min-Max neural network. In all cases, pre-processing in the form of the Fourier-Modified Discrete Mellin Transform is used as a means of extracting feature vectors which are insensitive to the aspect angle of the radar. Classification tests are based on both simulated and real data. Classification accuracies of up to 93 are reported. The second part is of a purely investigative nature, and summarizes a body of research aimed at exploring new ground. The crux of this work is centered on the proposal to use synthetic range profiling in order to achieve a much higher range resolution (and hence better classification accuracies). Included in this work is a comprehensive investigation into the use of super-resolution and noise reducing eigendecomposition techniques. Algorithms investigated include the Principal Eigenvector Method, the Total Least Squares Method, and the MUSIC method. A final proposal for future research and development concerns the use of time domain averaging to improve the classification performance of the radar system. The use of an iterative correlation algorithm is investigated

Radar Technology

In this book “Radar Technology”, the chapters are divided into four main topic areas: Topic area 1: “Radar Systems” consists of chapters which treat whole radar systems, environment and target functional chain. Topic area 2: “Radar Applications” shows various applications of radar systems, including meteorological radars, ground penetrating radars and glaciology. Topic area 3: “Radar Functional Chain and Signal Processing” describes several aspects of the radar signal processing. From parameter extraction, target detection over tracking and classification technologies. Topic area 4: “Radar Subsystems and Components” consists of design technology of radar subsystem components like antenna design or waveform design

An introduction to radar Automatic Target Recognition (ATR) technology in ground-based radar systems

This paper presents a brief examination of Automatic Target Recognition (ATR) technology within ground-based radar systems. It offers a lucid comprehension of the ATR concept, delves into its historical milestones, and categorizes ATR methods according to different scattering regions. By incorporating ATR solutions into radar systems, this study demonstrates the expansion of radar detection ranges and the enhancement of tracking capabilities, leading to superior situational awareness. Drawing insights from the Russo-Ukrainian War, the paper highlights three pressing radar applications that urgently necessitate ATR technology: detecting stealth aircraft, countering small drones, and implementing anti-jamming measures. Anticipating the next wave of radar ATR research, the study predicts a surge in cognitive radar and machine learning (ML)-driven algorithms. These emerging methodologies aspire to confront challenges associated with system adaptation, real-time recognition, and environmental adaptability. Ultimately, ATR stands poised to revolutionize conventional radar systems, ushering in an era of 4D sensing capabilities

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)

Nonlinear processing of non-Gaussian stochastic and chaotic deterministic time series

It is often assumed that interference or noise signals are Gaussian stochastic processes. Gaussian noise models are appealing as they usually result in noise suppression algorithms that are simple: i.e. linear and closed form. However, such linear techniques may be sub-optimal when the noise process is either a non-Gaussian stochastic process or a chaotic deterministic process. In the event of encountering such noise processes, improvements in noise suppression, relative to the performance of linear methods, may be achievable using nonlinear signal processing techniques. The application of interest for this thesis is maritime surveillance radar, where the main source of interference, termed sea clutter, is widely accepted to be a non-Gaussian stochastic process at high resolutions and/or at low grazing angles. However, evidence has been presented during the last decade which suggests that sea clutter may be better modelled as a chaotic deterministic process. While the debate over which model is more suitable continues, this thesis investigates whether nonlinear processing techniques can be used to improve the performance of maritime surveillance radar, relative to the performance achievable using linear techniques. Linear and nonlinear prediction of chaotic signals, sea clutter data sets, and stochastic surrogate clutter data sets is carried out. Volterra series filter networks and radial basis function networks are used to implement nonlinear predictors. A novel structure for a forward-backward nonlinear predictor, using a radial basis function network, is presented. Prediction results provide evidence to support the view that sea clutter is better modelled as a stochastic process, rather than as a chaotic process. The clutter data sets are shown to have linear predictor functions. Linear and nonlinear predictors are used as the basis of target detection algorithms. The performance of these predictor-detectors, against backgrounds of sea clutter data and against a background of chaotic noise data is evaluated. The detection results show that linear predictor-detectors perform as well as, or better than, nonlinear predictor-detectors against the non-Gaussian clutter backgrounds considered in this thesis, whilst the reverse is true for a background of chaotic noise. An existing, nonlinear inverse, noise cancellation technique, referred to as Broomhead’s filtering technique in this thesis, is re-investigated using a sine wave corrupted by broadband chaotic noise. It is demonstrated that significant improvements can be obtained using this nonlinear inverse technique, relative to results obtained using linear alternatives, despite recent work which suggested otherwise. A novel bandstop filtering approach is applied to Broomhead’s filtering method, which allows the technique to be applied to the cancellation of signals with a band of interest greater than that of a sine wave. This modified Broomhead filtering technique is shown to cancel broadband chaotic noise from a narrowband Gaussian signal better than alternative linear methods. The modified Broomhead filtering technique is shown to only perform as well as, o

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