Maritime Moving Target Detection, Tracking and Geocoding Using Range-Compressed Airborne Radar Data

Eine regelmäßige und großflächige überwachung des Schiffsverkehrs gewinnt zunehmend an Bedeutung, vor allem auch um maritime Gefahrenlagen und illegale Aktivitäten rechtzeitig zu erkennen. Heutzutage werden dafür überwiegend das automatische Identifikationssystem (AIS) und stationäre Radarstationen an den Küsten eingesetzt. Luft- und weltraumgestützte Radarsensoren, die unabhängig vom Wetter und Tageslicht Daten liefern, können die vorgenannten Systeme sehr gut ergänzen. So können sie beispielsweise Schiffe detektieren, die nicht mit AIS-Transpondern ausgestattet sind oder die sich außerhalb der Reichweite der stationären AIS- und Radarstationen befinden. Luftgestützte Radarsensoren ermöglichen eine quasi-kontinuierliche Beobachtung von räumlich begrenzten Gebieten. Im Gegensatz dazu bieten weltraumgestützte Radare eine große räumliche Abdeckung, haben aber den Nachteil einer geringeren temporalen Abdeckung. In dieser Dissertation wird ein umfassendes Konzept für die Verarbeitung von Radardaten für die Schiffsverkehr-überwachung mit luftgestützten Radarsensoren vorgestellt. Die Hauptkomponenten dieses Konzepts sind die Detektion, das Tracking, die Geokodierung, die Bildgebung und die Fusion mit AIS-Daten. Im Rahmen der Dissertation wurden neuartige Algorithmen für die ersten drei Komponenten entwickelt. Die Algorithmen sind so aufgebaut, dass sie sich prinzipiell für zukünftige Echtzeitanwendungen eignen, die eine Verarbeitung an Bord der Radarplattform erfordern. Darüber hinaus eignen sich die Algorithmen auch für beliebige, nicht-lineare Flugpfade der Radarplattform. Sie sind auch robust gegenüber Lagewinkeländerungen, die während der Datenerfassung aufgrund von Luftturbulenzen jederzeit auftreten können. Die für die Untersuchungen verwendeten Daten sind ausschließlich entfernungskomprimierte Radardaten. Da das Signal-Rausch-Verhältnis von Flugzeugradar-Daten im Allgemeinen sehr hoch ist, benötigen die neuentwickelten Algorithmen keine vollständig fokussierten Radarbilder. Dies reduziert die Gesamtverarbeitungszeit erheblich und ebnet den Weg für zukünftige Echtzeitanwendungen. Der entwickelte neuartige Schiffsdetektor arbeitet direkt im Entfernungs-Doppler-Bereich mit sehr kurzen kohärenten Verarbeitungsintervallen (CPIs) der entfernungskomprimierten Radardaten. Aufgrund der sehr kurzen CPIs werden die detektierten Ziele im Dopplerbereich fokussiert abgebildet. Wenn sich die Schiffe zusätzlich mit einer bestimmten Radialgeschwindigkeit bewegen, werden ihre Signale aus dem Clutter-Bereich hinausgeschoben. Dies erhöht das Verhältnis von Signal- zu Clutter-Energie und verbessert somit die Detektierbarkeit. Die Genauigkeit der Detektion hängt stark von der Qualität der von der Meeresoberfläche rückgestreuten Radardaten ab, die für die Schätzung der Clutter-Statistik verwendet werden. Diese wird benötigt, um einen Detektions-Schwellenwert für eine konstante Fehlalarmrate (CFAR) abzuleiten und die Anzahl der Fehlalarme niedrig zu halten. Daher umfasst der vorgeschlagene Detektor auch eine neuartige Methode zur automatischen Extraktion von Trainingsdaten für die Statistikschätzung sowie geeignete Ozean-Clutter-Modelle. Da es sich bei Schiffen um ausgedehnte Ziele handelt, die in hochauflösenden Radardaten mehr als eine Auflösungszelle belegen, werden nach der Detektion mehrere von einem Ziel stammende Pixel zu einem physischen Objekten zusammengefasst, das dann in aufeinanderfolgenden CPIs mit Hilfe eines Bewegungsmodells und eines neuen Mehrzielverfolgungs-Algorithmus (Multi-Target Tracking) getrackt wird. Während des Trackings werden falsche Zielspuren und Geisterzielspuren automatisch erkannt und durch ein leistungsfähiges datenbankbasiertes Track-Management-System terminiert. Die Zielspuren im Entfernungs-Doppler-Bereich werden geokodiert bzw. auf den Boden projiziert, nachdem die Einfallswinkel (DOA) aller Track-Punkte geschätzt wurden. Es werden verschiedene Methoden zur Schätzung der DOA-Winkel für ausgedehnte Ziele vorgeschlagen und anhand von echten Radardaten, die Signale von echten Schiffen beinhalten, bewertet

NON-CONTACT TECHNIQUES FOR HUMAN VITAL SIGN DETECTION AND GAIT ANALYSIS

Human vital signs including respiratory rate, heart rate, oxygen saturation, blood pressure, and body temperature are important physiological parameters that are used to track and monitor human health condition. Another important biological parameter of human health is human gait. Human vital sign detection and gait investigations have been attracted many scientists and practitioners in various fields such as sport medicine, geriatric medicine, bio-mechanic and bio-medical engineering and has many biological and medical applications such as diagnosis of health issues and abnormalities, elderly care and health monitoring, athlete performance analysis, and treatment of joint problems. Thoroughly tracking and understanding the normal motion of human limb joints can help to accurately monitor human subjects or patients over time to provide early flags of possible complications in order to aid in a proper diagnosis and development of future comprehensive treatment plans. With the spread of COVID-19 around the world, it has been getting more important than ever to employ technology that enables us to detect human vital signs in a non-contact way and helps protect both patients and healthcare providers from potentially life-threatening viruses, and have the potential to also provide a convenient way to monitor people health condition, remotely. A popular technique to extract biological parameters from a distance is to use cameras. Radar systems are another attractive solution for non-contact human vital signs monitoring and gait investigation that track and monitor these biological parameters without invading people privacy. The goal of this research is to develop non-contact methods that is capable of extracting human vital sign parameters and gait features accurately. To do that, in this work, optical systems including cameras and proper filters have been developed to extract human respiratory rate, heart rate, and oxygen saturation. Feasibility of blood pressure extraction using the developed optical technique has been investigated, too. Moreover, a wideband and low-cost radar system has been implemented to detect single or multiple human subject’s respiration and heart rate in dark or from behind the wall. The performance of the implemented radar system has been enhanced and it has been utilized for non-contact human gait analysis. Along with the hardware, advanced signal processing schemes have been enhanced and applied to the data collected using the aforementioned radar system. The data processing algorithms have been extended for multi-subject scenarios with high accuracy for both human vital sign detection and gait analysis. In addition, different configurations of this and high-performance radar system including mono-static and MIMO have been designed and implemented with great success. Many sets of exhaustive experiments have been conducted using different human subjects and various situations and accurate reference sensors have been used to validate the performance of the developed systems and algorithms

Subinteger Range-Bin Alignment Method for ISAR Imaging of Noncooperative Targets

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) is a coherent radar technique capable of generating images of noncooperative targets. ISAR may have better performance in adverse meteorological conditions than traditional imaging sensors. Unfortunately, ISAR images are usually blurred because of the relative motion between radar and target. To improve the quality of ISAR products, motion compensation is necessary. In this context, range-bin alignment is the first step for translational motion compensation. In this paper, we propose a subinteger range-bin alignment method based on envelope correlation and reference profiles. The technique, which makes use of a carefully designed optimization stage, is robust against noise, clutter, target scintillation, and error accumulation. It provides us with very fine translational motion compensation. Comparisons with state-of-the-art range-bin alignment methods are included and advantages of the proposal are highlighted. Simulated and live data from a high-resolution linear-frequency-modulated continuous-wave radar are included to perform the pertinent comparisons

Subinteger Range-Bin Alignment Method for ISAR Imaging of Noncooperative Targets

<p/> <p>Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) is a coherent radar technique capable of generating images of noncooperative targets. ISAR may have better performance in adverse meteorological conditions than traditional imaging sensors. Unfortunately, ISAR images are usually blurred because of the relative motion between radar and target. To improve the quality of ISAR products, motion compensation is necessary. In this context, range-bin alignment is the first step for translational motion compensation. In this paper, we propose a subinteger range-bin alignment method based on envelope correlation and reference profiles. The technique, which makes use of a carefully designed optimization stage, is robust against noise, clutter, target scintillation, and error accumulation. It provides us with very fine translational motion compensation. Comparisons with state-of-the-art range-bin alignment methods are included and advantages of the proposal are highlighted. Simulated and live data from a high-resolution linear-frequency-modulated continuous-wave radar are included to perform the pertinent comparisons.</p