Sıkıştırılmış algılama tabanlı yüksek çözünürlüklü radar streç işleme
Compressive sensing based high resolution radar stretch processing
Yazar: İHSAN İLHAN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ CAFER GÜRBÜZ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Streç işleme(Sİ) yüksek menzil çözünürlüğü sağlarken Analog Dijital Çevirici(ADÇ)

oranını düşürüp, geniş bantlı sinyalleri dar bantlı alıcılar ve teknikler kullanarak

işleyen bir darbe sıkıştırma tekniğidir. Geniş bantlı sinyallerin yüksek menzil

çözünürlüğü, sınırlı bir menzil penceresi aralığı boyunca incelenip, analog tabanda

geri rampa işleminin yapılması ile elde edilir. Streç işleme, yüksek bant genişlikli

dalga formlarının sinyal işlemesi için orta seviyede veri oranı sunmaktadır. Ayrıca,

streç işleme her ne kadar yüksek menzil çözünürlüğü sunsa da, sahnedeki hedeflerin

hız bilgisinin eksikliği durumunda frekans kaymaları oluşabilir ve buna bağlı olarak

da menzil bilgisinde belirsizliklere neden olabilmektedir. Çözünürlük seviyesi

korunarak, menzil bilgisine ilaveten hız bilgisinin de kestiriminin yapılabilmesi için

darbe Doppler yönteminin streç işleme yöntemi ile birlikte kullanılmalıdır.

Streç işleme örnekleme oranını düşürürken, yüksek veri toplama periyodunun

artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla, ötüş sinyalinin demodülasyon sonrasındaki

zaman bant genişliği çarpımı yaklaşık olarak sabittir. Bu nedenle streç işleme tam

anlamıyla bir sıkıştırma tekniği olarak düşünülemez. Bunun yanında, incelenen

pencere aralığındaki hedef uzayı seyrekse, Sıkıştırılmış Algılama(SA) ölçüm sayısını

büyük ölçüde azaltmak ve seyrek sahneler için hem darbe Doppler hem de streç işlemenin genel uygulamalarında kullanılan Fourier tabanı gibi bilinen bir taban ile

hedefleri seyrek şekilde geri oluşturmada kullanılan çok önemli bir araçtır. Her ne

kadar klasik sıkıştırılmış algılama yöntemleri ele alınan probleme doğrudan

uygulanabilirse de, sıkıştırılmış algılama tabanlı geri oluşturulmalar hedeflerin ızgara

dışında olmasıyla oluşan model uyuşmazlıklardan bir hayli etkilenmektedir. Model

uyuşmazlığı problemine çözüm olarak menzil veya Dopplerde ızgara dışında olan

hedeflerde gürbüz olan seyreklik tabanlı yinelemeli parametre uyarlayan tekniğin Sİ

için kullanılması önerilmiştir. Sunulan bu algoritma, incelenen sahnelerdeki ızgara dışı

hedeflerin Doppler ve menzil parametrelerini gradyan azaltma yoluyla kestiren

yinelemeli bir algoritmadır. Gerçek ve geri oluşturulan sahneler arasındaki hatayı

hesaplamak için, Earth Mover's Mesafesi(EMM) metriği kullanılmıştır. Önerilen

tekniğin performansı, klasik streç işleme ve sıkıştırılmış algılama tekniklerinin

performansları ile farklı sinyal gürültü oranı, sinyal kargaşa oranı, seyreklik seviyesi

ve kullanılan ölçümün yüzdeleri için karşılaştırılmıştır. Hedeflerin ızgara dışında

olduğu farklı simülasyon sahneleri için, sunulan yöntemin aynı veri oranında klasik

streç işleme ve sıkıştırılmış algılama yöntemlerine karşı oldukça gürbüz ve yüksek

çözünürlüklü geri oluşturma sonuçları sunduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Stretch Processing(SP) is a pulse compression technique that processes large

bandwidth signals with narrowband receivers; using lower rate Analog to Digital

Converters(ADC) while obtaining high-range resolution. The range resolution of the

large bandwidth signal is obtained through looking into a limited range window, and

by deramping in the analogue domain. Stretch processing offer moderate data rate for

signal processing for high bandwidth waveforms. Besides frequency shift occurs in

case of insufficient information about velocities of targets in the scene even though

stretch processing provides high range resolution and this may cause ambiguity in the

observed ranges. Therefore, it is proposed to use pulse-Doppler technique with Stretch

processing in order to estimate velocity of targets in additional to range information

by protecting the range resolution level.

While stretch processing decreaces the sampling rate, it causes the increment of data

collection period. Thus time-bandwidth product of demodulated chirp signal is almost

fixed and stretch processing could not be considered as a compression method. Besides

if the target space in the observed range window is sparse, Compressive sensing(CS)

is an important tool to further decrease the number of measurements and sparsely reconstruct the target space for sparse scenes with a known basis which is the Fourier

basis in the general application of both pulse Doppler and stretch processing. Although

classical compressive sensed techniques might be directly applied to this problem,

compressive sensing based reconstructions are highly effected by model mismatches

such as targets that are offgrid. In order to overcome model mismatch problem, a

sparsity based iterative parameter perturbation technique for stretch processing that is

robust to targets off-the-grid in range or Doppler is proposed. Earth Mover's

Distance(EMD) metric is used to measure the error between actual and reconstructed

scenes. Performance analyses of proposed technique is compared with classical stretch

processing and compressive sensing techniques in terms of data rate, sparsity levels,

signal-noise ratio(SNR), and signal-clutter ratio(SCR). It is shown through simulation

scenes consisting of off-grid targets that the proposed technique offer robust and high

resolution reconstructions for the same data rate compared to classical stretch

processing and compressive sensing techniques.