This work deals with investigating whether or not nonlinear predictor networks can be used to improve the performance of high resolution surveillance radars which are used to detect targets on, or near the sea surface. Prediction and detection results are presented for new sea clutter data sets.

Nonlinear processing of high resolution radar sea clutter.

Cette these, realisee en partenariat avec Rockwell-Collins France, s'inscrit dans le cadre du developpement d'un radar FMCW aeroporte de detection d'obstacles fonctionnant en bande X. Dans cette these, nous nous placons dans le contexte plus general de detection de cibles presentant un risque de collision avec le porteur radar dans du fouillis de sol. Les performances de detection des cibles d'interet diminuent grandement lorsqu'elles se retrouvent dans les zones de fouillis. Le principal objectif de cette these reside ainsi dans la conception de traitements en vue d'ameliorer les capacites de detection et de reconnaissance de cibles presentant un risque de collision avec le porteur radar dans les zones de fouillis de sol. Dans un premier temps, nous effectuons une revue des traitements adaptes a la detection d'obstacles par un radar aeroporte FMCW: formation de faisceaux conventionnelle, compensation de migration distance, et creation d'une cartographie distance-vitesse par double FFT. Dans un second temps, nous utilisons ensuite un traitement d'antennes adaptatif pour separer en elevation le fouillis de sol et d'eventuels obstacles situes au-dessus du sol pouvant presenter un risque pour le porteur (câbles, pylones, immeubles, ...). Dans la seconde partie de cette these, nous incluons une information supplementaire sur le signal temporel d'une case distance avec un temps d'integration plus long~: la variation de frequence Doppler des cibles. Une cible de collision ou un câble ne changent pas de frequence tandis qu'un element au sol aura une variation connue dependant de la vitesse du porteur et de son angle de vue. Cette information nous a tout d'abord permis de separer le signal d'un pylone et d'un câble, pour ensuite separer la cible de collision du fouillis de sol. Enfin, nous effectuons la detection adaptative d'une cible mobile de collision etendue en distance et noyee dans le fouillis de sol. Les algorithmes developpes dans cette these ont ete testes avec succes sur donnees experimentales.

Détection d'obstacles et de cibles de collision par un radar FMCW aéroporté

Nous etudions la faisabilite de la detection du sillage de navires en imagerie radar, eventuellement bistatique, afin d’obtenir des parametres tels que le cap et la vitesse du navire. Dans un premier temps, on decrit la chaine d’acquisition radar bistatique ainsi que l’environnement maritime, en particulier les modeles de diffusion sur la surface rugueuse et la maniere d’obtenir une carte des hauteurs des vagues de sillage de Kelvin d’un navire. On decrit ensuite un simulateur de signaux radars bruts en configuration bistatique, en validant les resultats obtenus avec des donnees radar monostatiques disponibles dans la litterature. La seconde partie de la these est dediee a l’etude de la detectabilite du sillage de navires. On traite tout d’abord du cas de la detection du sillage d’eau morte, en realisant un test comparatif de quatre chaines de reference representatives. On traite ensuite la detectabilite du sillage de Kelvin dans des images radar de haute resolution, en commencant par discuter le choix d’une configuration radar optimisant la visibilite du sillage, puis en presentant un algorithme de detection et de traitement base sur la theorie du filtrage adapte stochastique. Cet algorithme fonctionne egalement sur des donnees d’imagerie spatiale optiques haute resolution.

La surveillance maritime en imagerie radar bistatique : théorie, simulation, contribution à la détection automatique du sillage des navires

El clutter marino es una senal interferente que aparece en los sistemas de radar que operan en escenarios oceanicos o costeros. Los autores modelaron en MATLAB la distribucion K, ampliamente reconocida como el mejor modelo para clutter marino ya que tiene en cuenta los dos mecanismos de fluctuacion presentes en la senal de fondo. La implementacion permite un acceso facil a la manipulacion de las funciones de distribucion de probabilidad, funciones generadoras, momentos, algoritmos de bondad de ajuste y estimacion de parametros de la distribucion. Expresiones matematicas y notaciones de funciones informaticas fueron definidas para contribuir a la unificacion de los estudios de clutter de radar relacionados al modelo K. La solucion es un punto de partida para el desarrollo de nuevos esquemas de deteccion por parte del grupo de investigacion de radares de la Facultad de Electrica de la CUJAE y contribuye a la conformacion de la libreria MATE-CFAR 2.

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Modelación de la Distribución K en MATLAB para Aplicaciones de Radar

This article deals with the problem of detecting a marine target with coherent radars in a correlated heavy-tailed sea clutter background. The heavy-tailed sea clutter is modeled by a compound-Gaussian model, and the clutter texture is characterized by the lognormal distribution with a new parameterization form. We develop an adaptive coherent detector on the basis of the two-step generalized likelihood ratio test. The proposed detector can achieve adaptation to sea clutter characteristics by using the maximum a posterior estimate of the clutter texture, the constrained approximate maximum likelihood estimator of the speckle covariance matrix, and the proposed negative- and positive-fractional moment estimate of amplitude parameters of sea clutter. Remarkably, the proposed detector inherently ensures a constant false alarm rate with respect to the clutter power mean and the speckle covariance matrix. Finally, numerical experiments using simulated data and real radar data demonstrate that the proposed estimator and adaptive coherent detector outperform their respective competitors.

Adaptive Detection of Radar Targets in Heavy-Tailed Sea Clutter With Lognormal Texture

A proposed form of compound distribution to describe the non-Rayleigh distribution and correlation properties of high resolution radar sea clutter is shown to be a good fit to experimental data. From this model the K distribution is derived, and a possible physical mechanism is discussed.

K. D. Ward

Papers

A compound representation of high resolution sea clutter