Ανάπτυξη αλγορίθμων σύνθεσης δεδομένων συστήματος χωρικά κατανεμημένων διστατικών αισθητήρων ραντάρ για τρισδιάστατη παρακολούθηση πολλαπλών σύνθετα κινούμενων ιπτάμενων στόχων

Abstract

During the last decade, the sensor technology advances together with the enormous computational power increase, have led to the replacement of complex and expensive sensors with systems of multiple simple low cost spatially distributed sensors. Key role towards this direction possesses the development of modern, efficient and computationally feasible data processing algorithms. The multistatic radar consists a system of multiple spatially distributed bistatic radar sensors, with main objective the detection and tracking of multiple targets in the field of view. The bistatic principle and the low frequency use, increase the probability of detection of targets with low radar cross section due to shaping, radar absorbent materials or small size. The use of multiple bistatic receivers lends to the system characteristics of survivability and robustness. The simple operation principle of each bistatic sensor forces the use of complex data processing algorithms at the central fusion node where all the bistatic measurements are processed for the three dimensional position and velocity extraction of each target. Main objective of this doctoral thesis is the study and selection of the appropriate data processing algorithms for the multistatic radar central station. Firstly, the basic system principles of operation are presented, the bistatic receiver local data processing is then outlined and experimental results of a first lab prototype are reported. Thorough investigation of filtering, data association, track management and data fusion algorithms is conducted. The most proper algorithm, concerning track accuracy and consistency, reliability, practicality, robustness, simplicity and computational feasibility, for each process is afterwards selected through analytical simulations. Finally, a thorough performance evaluation of the proposed composite data processing algorithm is presented. The algorithm and system performance was evaluated not only through comprehensive simulation, since an experimental multistatic radar prototype was constructed and tested as well.

Την τελευταία δεκαετία, η ανάπτυξη της επιστήμης των αισθητήρων και η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος, οδήγησαν στην αντικατάσταση των σύνθετων και ακριβών αισθητήρων του παρελθόντος από συστήματα πολλαπλών χωρικά κατανεμημένων αισθητήρων χαμηλού κόστους. Βασικό ρόλο στην κατεύθυνση αυτή έπαιξε η ανάπτυξη σύγχρονων, αποτελεσματικών και υπολογιστικά εφικτών αλγορίθμων επεξεργασίας δεδομένων πολλαπλών αισθητήρων. Το πολυστατικό σύστημα ραντάρ αποτελεί ένα σύστημα πολλαπλών, χωρικά κατανεμημένων διστατικών αισθητήρων ραντάρ με κύριο σκοπό την ανίχνευση και παρακολούθηση στόχων μικρής ενεργού επιφάνειας ραντάρ. Η διστατική αρχή και η χρήση χαμηλών συχνοτήτων αυξάνουν την πιθανότητα ανίχνευσης στόχων με μικρή ενεργό επιφάνεια ραντάρ, είτε λόγω σχηματοποίησης ή χρήσης απορροφητικών υλικών, είτε λόγω μικρού μεγέθους αντίστοιχα. Η πολυστατικότητα προσδίδει επίσης χαρακτηριστικά επιβιωσιμότητας και ανθεκτικότητας στο σύστημα. Η απλή λειτουργία του κάθε διστατικού αισθητήρα επιβάλλει τη χρήση εξειδικευμενών αλγορίθμων επεξεργασίας δεδομένων στον κεντρικό κόμβο σύντηξης δεδομένων, όπου συγκεντρώνονται όλα τα δεδομένα για την εξαγωγή της τρισδιάστατης θέσης και ταχύτητας κάθε στόχου που βρίσκεται μέσα στην περιοχή επιτήρησης του συστήματος. Κύριο αντικείμενο της παρούσης διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη και επιλογή των κατάλληλων αλγορίθμων επεξεργασίας δεδομένων για τον κεντρικό σταθμό του πολυστατικού συστήματος ραντάρ. Αφού πρώτα παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος, μελετάται η τοπική επεξεργασία δεδομένων στον κάθε διστατικό αισθητήρα ραντάρ και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα ενός εργαστηριακού πρωτοτύπου διστατικού ραντάρ που κατασκευάσθηκε αρχικά. Στη συνέχεια μελετιόνται διεξοδικά οι αλγόριθμοι εκτίμησης κατάστασης στόχου, συσχέτισης δεδομένων, διαχείρισης ιχνών και σύντηξης δεδομένων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν. Μέσω εκτενών προσομοιώσεων επιλέγεται η κατάλληλη μέθοδος για κάθε διαδικασία, με κριτήριο την βέλτιστη ακρίβεια παρακολούθησης σε συνδυασμό με την ελάχιστη υπολογιστική πολυπλοκότητα, την πρακτικότητα, την αξιοπιστία και την απλότητα. Τελικά, αξιολογείται η απόδοση του προτεινόμενου αλγορίθμου συνολικά, που αποτελεί συνδυασμό των επιλεγμένων μεθόδων. Η αξιολόγηση γίνεται όχι μόνο μέσω εκτενών προσομοιώσεων αλλά και σε πραγματικές συνθήκες καθώς κατασκευάστηκε ένα πειραματικό πρωτότυπο πολυστατικό σύστημα το οποίο και δοκιμάστηκε με απόλυτη επιτυχία σε συνθήκες πραγματικού χρόνου και περιβάλλοντος.