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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Multipath influence analysis on detection probability of radars and optimal estimators of velocity in ArcSAR : Análise da influência de multipercurso na probabilidade de detecção de radares e estimadores de velocidade ótimos em ArcSAR
Title Alternative: Análise da influência de multipercurso na probabilidade de detecção de radares e estimadores de velocidade ótimos em ArcSAR
Author: Flores Rodriguez, Andrea Carolina, 1987-
Advisor: Fraidenraich, Gustavo, 1975-
Abstract: Resumo: Esta tese apresenta duas contribuições na área de radar. Como uma primeira contribuição, analisa-se o impacto do efeito do multipercurso causado por diferentes superfícies refletivas no desempenho da probabilidade de detecção do radar. Para isso, deduz-se uma expressão analítica da probabilidade de detecção para alvos não flutuantes (Swerling 0) e flutuantes (Swerling 1) quando mais do que uma reflexão ocorre. Os resultados foram comparados com os obtidos em espaço livre onde não existe efeito de reflexão, e com os de simples multipercurso (superfície plana refletiva) onde somente uma reflexão ocorre. As expressões são deduzidas a partir do conceito do fator de propagação, o qual é incluído na equação radar para descrever o efeito da reflexão das ondas na superfície. Como um mecanismo útil para predizer a cobertura de probabilidade de detecção usando as novas expressões deduzidas, propõe-se um algoritmo geométrico para a busca de raios refletidos sobre o terreno irregular, o qual é descrito pela curvatura da terra, regiões de sombra, e conhecimento da posição do alvo. Os pontos de reflexão são baseados na diferença entre os ângulos rasantes incidentes e refletidos em função do alcance. A formulação analítica do algoritmo é dada por uma equação diferencial ordinária (ODE), o que representa um avanço nas técnicas convencionais pois representa uma modelagem não linear. A partir dos resultados, o efeito de multipercurso pode ser visto como um mecanismo de diversidade para mitigar possíveis perdas de detecção de alvos distantes. A segunda contribuição foca na estimação de velocidade de alvos distribuídos usando um radar de abertura sintética com escaneamento em arco (ArcSAR) para aplicações meteorológicas. Investiga-se o desempenho dos atuais métodos de estimação do centroide Doppler, tais como os baseados na correlação, energia e fase, usados no radar de abertura sintética (SAR) num sistema ArcSAR. Além disso, propõe-se e deriva-se um método ótimo baseado na maximização da função de verossimilhança (MLE); e um método sub-ótimo, baseado no erro mínimo quadrático (LSE). Usa-se o conceito do movimento Browniano para adicionar um deslocamento aleatório realista às partículas da nuvem, e caracteriza-se o sistema ArcSAR incluindo o efeito do padrão da antena na amplitude do sinal. Como um importante indicador de desempenho, a influência da relação sinal ruído (SNR) é comparada em todos os métodos. A partir dos resultados numéricos, o método sub-ótimo LSE supera os métodos conhecidos em termos da eficiência de estimação e demonstra baixa complexidade em comparação ao método ótimo MLE

Abstract: This dissertation comprises two contributions to the radar field. As a first contribution, we analyze the impact of the multipath effect caused by different reflective surfaces on the performance of radar detection probability. Thus, we deduced an analytical expression of detection probability for non-fluctuating (Swerling 0) and fluctuating (Swerling 1) target when more than one specular reflection occurs. The results were compared with the obtained in a free-space environment where there is no reflection effect, and with the simple multipath environment (reflective plane surface) where only one reflection occurs. The expressions are deduced from the propagation factor concepts, which is included in the radar equation to describe the effect of the reflection of the waves over the surface. As a useful mechanism to predict the detection probability coverage by using the novel deduced expressions, we propose a geometric algorithm for the search of reflection rays over real irregular terrain, which is described by the earth's curvature, shadow regions, and the knowledge of the target positions. The reflection points are based on the difference between incident and reflected grazing angles as a function of the range parameter. The analytical formulation of the algorithm is given by an ordinary differential equation (ODE), which represents an advance in conventional techniques since it represents nonlinear modeling. From results, the multipath effect can be seen as a diversity mechanism to mitigate possible detection losses of distant targets. Our second contribution focuses on the velocity estimation of distributed targets using an arc-scanning synthetic aperture radar (ArcSAR) system for meteorological applications. We investigate the performance of the current methods of Doppler centroid estimation, such as those based on the correlation, energy, and phase, used in synthetic aperture radar (SAR) in an ArcSAR system. Moreover, we propose and derive an optimal method based on the maximization of the likelihood function (MLE); and a sub-optimal method, based on the least square error (LSE). We make use of the Brownian motion concept to add realistic random shifts to the cloud scatterers and characterize the ArcSAR system by including the effect of the antenna beam pattern on the signal amplitude. As an essential performance indicator, the influence of different signal-to-noise ratio (SNR) levels is compared in all methods. From the numerical results, the derived sub-optimal LSE method outperforms all the other known methods in term of estimate efficiency, and it achieves a low-complexity in comparison to the optimal MLE method
Subject: Radar
Velocidade
Detecção de sinais
Efeito Doppler
Métodos estatísticos
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: FLORES RODRIGUEZ, Andrea Carolina. Multipath influence analysis on detection probability of radars and optimal estimators of velocity in ArcSAR: Análise da influência de multipercurso na probabilidade de detecção de radares e estimadores de velocidade ótimos em ArcSAR. 2019. 1 recurso online (84 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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