Omnidirectional Sensory and Motor Volumes in Electric Fish

Active sensing organisms, such as bats, dolphins, and weakly electric fish, generate a 3-D space for active sensation by emitting self-generated energy into the environment. For a weakly electric fish, we demonstrate that the electrosensory space for prey detection has an unusual, omnidirectional shape. We compare this sensory volume with the animal's motor volume—the volume swept out by the body over selected time intervals and over the time it takes to come to a stop from typical hunting velocities. We find that the motor volume has a similar omnidirectional shape, which can be attributed to the fish's backward-swimming capabilities and body dynamics. We assessed the electrosensory space for prey detection by analyzing simulated changes in spiking activity of primary electrosensory afferents during empirically measured and synthetic prey capture trials. The animal's motor volume was reconstructed from video recordings of body motion during prey capture behavior. Our results suggest that in weakly electric fish, there is a close connection between the shape of the sensory and motor volumes. We consider three general spatial relationships between 3-D sensory and motor volumes in active and passive-sensing animals, and we examine hypotheses about these relationships in the context of the volumes we quantify for weakly electric fish. We propose that the ratio of the sensory volume to the motor volume provides insight into behavioral control strategies across all animals

The estimation of pointing angle and normalized surface scattering cross section from GEOS-3 radar altimeter measurements

The statistical error of the pointing angle estimation technique is determined as a function of the effective receiver signal to noise ratio. Other sources of error are addressed and evaluated with inadequate calibration being of major concern. The impact of pointing error on the computation of normalized surface scattering cross section (sigma) from radar and the waveform attitude induced altitude bias is considered and quantitative results are presented. Pointing angle and sigma processing algorithms are presented along with some initial data. The intensive mode clean vs. clutter AGC calibration problem is analytically resolved. The use clutter AGC data in the intensive mode is confirmed as the correct calibration set for the sigma computations

Nearly orthogonal, doppler tolerant waveforms and signal processing for multi-mode radar applications

In this research, we investigate the design and analysis of nearly orthogonal, Doppler tolerant waveforms for diversity waveform radar applications. We then present a signal processing framework for joint synthetic aperture radar (SAR) and ground moving target indication (GMTI) processing that is built upon our proposed waveforms. ^ To design nearly orthogonal and Doppler tolerant waveforms, we applied direct sequence spread spectrum (DSSS) coding techniques to linear frequency modulated (LFM) signals. The resulting transmitted waveforms are rendered orthogonal using a unique spread spectrum code. At the receiver, the echo signal can be decoded using its spreading code. In this manner, transmit orthogonal waveforms can be matched filtered only with the intended receive signals. ^ Our proposed waveforms enable efficient SAR and GMTI processing concurrently without reconfiguring a radar system. Usually, SAR processing requires transmit waveforms with a low pulse repetition frequency (PRF) rate to reduce range ambigu- ity; on the other hand, GMTI processing requires a high PRF rate to avoid Doppler aliasing and ambiguity. These competing requirements can be tackled by employing some waveforms (with low PRF) for the SAR mission and other waveforms (with high PRF) for the GMTI mission. Since the proposed waveforms allow separation of individual waveforms at the receiver, we can accomplish both SAR and GMTI processing jointl

Tracking algorithms for multistatic sonar systems

Abstract Activated reconnaissance systems based on target illumination are of high importance for surveillance tasks where targets are nonemitting. Multistatic configurations, where multiple illuminators and multiple receivers are located separately, are of particular interest. The fusion of measurements is a prerequisite for extracting and maintaining target tracks. The inherent ambiguity of the data makes the use of adequate algorithms, such as multiple hypothesis tracking, inevitable. For their design, the understanding of the residual clutter, the sensor resolution and the characteristic impact of the propagation medium is important. This leads to precise sensor models, which are able to determine the performance of the surveillance team. Incorporating these models in multihypothesis tracking leads to a situationally aware data fusion and tracking algorithm. Various implementations of this algorithm are evaluated with the help of simulated and measured data sets. Incorporating model knowledge leads to increased performance, but only if the model is in line with the physical reality: we need to find a compromise between refined and robust tracking models. Furthermore, to implement the model, which is inherently nonlinear for multistatic sonar, approximations have to be made. When engineering the multistatic tracking system, sensitivity studies help to tune model assumptions and approximations

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

Random finite sets in multi-target tracking - efficient sequential MCMC implementation

Over the last few decades multi-target tracking (MTT) has proved to be a challenging and attractive research topic. MTT applications span a wide variety of disciplines, including robotics, radar/sonar surveillance, computer vision and biomedical research. The primary focus of this dissertation is to develop an effective and efficient multi-target tracking algorithm dealing with an unknown and time-varying number of targets. The emerging and promising Random Finite Set (RFS) framework provides a rigorous foundation for optimal Bayes multi-target tracking. In contrast to traditional approaches, the collection of individual targets is treated as a set-valued state. The intent of this dissertation is two-fold; first to assert that the RFS framework not only is a natural, elegant and rigorous foundation, but also leads to practical, efficient and reliable algorithms for Bayesian multi-target tracking, and second to provide several novel RFS based tracking algorithms suitable for the specific Track-Before-Detect (TBD) surveillance application. One main contribution of this dissertation is a rigorous derivation and practical implementation of a novel algorithm well suited to deal with multi-target tracking problems for a given cardinality. The proposed Interacting Population-based MCMC-PF algorithm makes use of several Metropolis-Hastings samplers running in parallel, which interact through genetic variation. Another key contribution concerns the design and implementation of two novel algorithms to handle a varying number of targets. The first approach exploits Reversible Jumps. The second approach is built upon the concepts of labeled RFSs and multiple cardinality hypotheses. The performance of the proposed algorithms is also demonstrated in practical scenarios, and shown to significantly outperform conventional multi-target PF in terms of track accuracy and consistency. The final contribution seeks to exploit external information to increase the performance of the surveillance system. In multi-target scenarios, kinematic constraints from the interaction of targets with their environment or other targets can restrict target motion. Such motion constraint information is integrated by using a fixed-lag smoothing procedure, named Knowledge-Based Fixed-Lag Smoother (KB-Smoother). The proposed combination IP-MCMC-PF/KB-Smoother yields enhanced tracking

Multi-Robot Active Information Gathering Using Random Finite Sets

Many tasks in the modern world involve collecting information, such as infrastructure inspection, security and surveillance, environmental monitoring, and search and rescue. All of these tasks involve searching an environment to detect, localize, and track objects of interest, such as damage to roadways, suspicious packages, plant species, or victims of a natural disaster. In any of these tasks the number of objects of interest is often not known at the onset of exploration. Teams of robots can automate these often dull, dirty, or dangerous tasks to decrease costs and improve speed and safety. This dissertation addresses the problem of automating data collection processes, so that a team of mobile sensor platforms is able to explore an environment to determine the number of objects of interest and their locations. In real-world scenarios, robots may fail to detect objects within the field of view, receive false positive measurements to clutter objects, and be unable to disambiguate true objects. This makes data association, i.e., matching individual measurements to targets, difficult. To account for this, we utilize filtering algorithms based on random finite sets to simultaneously estimate the number of objects and their locations within the environment without the need to explicitly consider data association. Using the resulting estimates they receive, robots choose actions that maximize the mutual information between the set of targets and the binary events of receiving no detections. This effectively hedges against uninformative actions and leads to a closed form equation to compute mutual information, allowing the robot team to plan over a long time horizon. The robots either communicate with a central agent, which performs the estimation and control computations, or act in a decentralized manner. Our extensive hardware and simulated experiments validate the unified estimation and control framework, using robots with a wide variety of mobility and sensing capabilities to showcase the broad applicability of the framework

Radar, Insect Population Ecology, and Pest Management

Discussions included: (1) the potential role of radar in insect ecology studies and pest management; (2) the potential role of radar in correlating atmospheric phenomena with insect movement; (3) the present and future radar systems; (4) program objectives required to adapt radar to insect ecology studies and pest management; and (5) the specific action items to achieve the objectives

Localisation and tracking of people using distributed UWB sensors

In vielen Überwachungs- und Rettungsszenarien ist die Lokalisierung und Verfolgung von Personen in Innenräumen auf nichtkooperative Weise erforderlich. Für die Erkennung von Objekten durch Wände in kurzer bis mittlerer Entfernung, ist die Ultrabreitband (UWB) Radartechnologie aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und Durchdringungsfähigkeit Erfolg versprechend. In dieser Arbeit wird ein Prozess vorgestellt, mit dem Personen in Innenräumen mittels UWB-Sensoren lokalisiert werden können. Er umfasst neben der Erfassung von Messdaten, Abstandschätzungen und dem Erkennen von Mehrfachzielen auch deren Ortung und Verfolgung. Aufgrund der schwachen Reflektion von Personen im Vergleich zum Rest der Umgebung, wird zur Personenerkennung zuerst eine Hintergrundsubtraktionsmethode verwendet. Danach wird eine konstante Falschalarmrate Methode zur Detektion und Abstandschätzung von Personen angewendet. Für Mehrfachziellokalisierung mit einem UWB-Sensor wird eine Assoziationsmethode entwickelt, um die Schätzungen des Zielabstandes den richtigen Zielen zuzuordnen. In Szenarien mit mehreren Zielen kann es vorkommen, dass ein näher zum Sensor positioniertes Ziel ein anderes abschattet. Ein Konzept für ein verteiltes UWB-Sensornetzwerk wird vorgestellt, in dem sich das Sichtfeld des Systems durch die Verwendung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Blickfeldern erweitert lässt. Hierbei wurde ein Prototyp entwickelt, der durch Fusion von Sensordaten die Verfolgung von Mehrfachzielen in Echtzeit ermöglicht. Dabei spielen insbesondere auch Synchronisierungs- und Kooperationsaspekte eine entscheidende Rolle. Sensordaten können durch Zeitversatz und systematische Fehler gestört sein. Falschmessungen und Rauschen in den Messungen beeinflussen die Genauigkeit der Schätzergebnisse. Weitere Erkenntnisse über die Zielzustände können durch die Nutzung zeitlicher Informationen gewonnen werden. Ein Mehrfachzielverfolgungssystem wird auf der Grundlage des Wahrscheinlichkeitshypothesenfilters (Probability Hypothesis Density Filter) entwickelt, und die Unterschiede in der Systemleistung werden bezüglich der von den Sensoren ausgegebene Informationen, d.h. die Fusion von Ortungsinformationen und die Fusion von Abstandsinformationen, untersucht. Die Information, dass ein Ziel detektiert werden sollte, wenn es aufgrund von Abschattungen durch andere Ziele im Szenario nicht erkannt wurde, wird als dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit beschrieben. Die dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit wird in das Verfolgungssystem integriert, wodurch weniger Sensoren verwendet werden können, während gleichzeitig die Performanz des Schätzers in diesem Szenario verbessert wird. Bei der Methodenauswahl und -entwicklung wurde die Anforderung einer Echtzeitanwendung bei unbekannten Szenarien berücksichtigt. Jeder untersuchte Aspekt der Mehrpersonenlokalisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen und Messungen in einer realistischen Umgebung mit UWB Sensoren verifiziert.Indoor localisation and tracking of people in non-cooperative manner is important in many surveillance and rescue applications. Ultra wideband (UWB) radar technology is promising for through-wall detection of objects in short to medium distances due to its high temporal resolution and penetration capability. This thesis tackles the problem of localisation of people in indoor scenarios using UWB sensors. It follows the process from measurement acquisition, multiple target detection and range estimation to multiple target localisation and tracking. Due to the weak reflection of people compared to the rest of the environment, a background subtraction method is initially used for the detection of people. Subsequently, a constant false alarm rate method is applied for detection and range estimation of multiple persons. For multiple target localisation using a single UWB sensor, an association method is developed to assign target range estimates to the correct targets. In the presence of multiple targets it can happen that targets closer to the sensor induce shadowing over the environment hindering the detection of other targets. A concept for a distributed UWB sensor network is presented aiming at extending the field of view of the system by using several sensors with different fields of view. A real-time operational prototype has been developed taking into consideration sensor cooperation and synchronisation aspects, as well as fusion of the information provided by all sensors. Sensor data may be erroneous due to sensor bias and time offset. Incorrect measurements and measurement noise influence the accuracy of the estimation results. Additional insight of the targets states can be gained by exploiting temporal information. A multiple person tracking framework is developed based on the probability hypothesis density filter, and the differences in system performance are highlighted with respect to the information provided by the sensors i.e. location information fusion vs range information fusion. The information that a target should have been detected when it is not due to shadowing induced by other targets is described as dynamic occlusion probability. The dynamic occlusion probability is incorporated into the tracking framework, allowing fewer sensors to be used while improving the tracker performance in the scenario. The method selection and development has taken into consideration real-time application requirements for unknown scenarios at every step. Each investigated aspect of multiple person localization within the scope of this thesis has been verified using simulations and measurements in a realistic environment using M-sequence UWB sensors