Zaman frekans analiz yöntemleri ile imha değerlendirme
Kill assessment with time frequency analysis methods
Yazar: NİHAN UZUN
Danışman: PROF. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Belirsizlik analizleri = Uncertainty analysis ; Doppler = Doppler ; Sıkıştırma yöntemi = Compression method ; Wigner dağılımı = Wigner distribution ; Zaman analizi = Time analysis ; İmha = Destruction

Özet:
İmha değerlendirme, bir savunma sisteminde tehdidin mühimmat tarafından önlenmesinin başarı veya başarısızlığını değerlendiren, sonraki işlemler için temel sağlayan bir karar, bir yetenektir. Değerlendirmenin en önemli amacı bir tehdidin yok edilmesi için ateşlenecek olan füze sayısını azaltarak savunma sistemlerinin maliyetlerini azaltmaktır. Yakın menzillerde aynı amaçla kullanılmak üzere bir imha değerlendirme ihtiyacı uzun menzillere göre çok daha azdır. Çünkü bu değerlendirme operatör veya ilgili kişiler tarafından manuel yapılabilmektedir. Uzun menzillerde ise imha veya ıskalama noktasının gözetleme noktasından çok uzakta olması değerlendirmenin yapılabilmesi için ayrı bir algoritmaya ihtiyaç duyulmasına sebep olmaktadır. 

Çalışmada gerekli analizin girdisi olarak radar verisi kullanılmasına karar verilmiş ve literatürde imha anına ait radar verisine ulaşılamadığından çalışmaya, farklı ıskalama ve imha senaryoları özelinde yapay radar verisi üreten bir simülatör tasarımı ile başlanmıştır. Hava hedeflerinin hem mesafe hem de hızlarının tespit edilebilmesi için birincil radarlardan darbe-Doppler radar tipli arama radarları esas alınmıştır. Menzil çözünürlük performans artırımı için darbe sıkıştırma yöntemleri karşılaştırılmış, avantaj dezavantajları değerlendirilerek lineer frekans modülasyonlu darbe sıkıştırma yönteminde karar kılınmıştır. Simülatörde kullanılan teknik verilerde LockHeed Martin'in RRP-117 radarı referans alınmıştır. 

Simülatör çıktısı yapay radar verilerinin işlenmesi için öncelikle bazı zaman frekans analiz yöntemleri çözünürlük, hesaplama hızı gibi parametrelere dayandırılarak karşılaştırılmıştır. Belirsizlik analizinin, favori zaman frekans yöntemi seçilen Wigner Ville dağılımı ile olan benzerliği vurgulanarak literatürdeki çalışmaları özetlenmiştir.  

Uyumlu filtre, Wigner Ville dağılımı ve belirsizlik analizi yöntemleri örnek hedef sinyalleri üretilerek sinyal işleme yöntemleri karşılaştırılmıştır. İşleme sonucu hedeflere ait radar tarafından tespit edilen gecikme ve Doppler frekanslarına, dolayısıyla da menzil ve hız değerlerine ulaşılması hedeflenmiştir. Hareketli hedef varlığında uyumlu filtre çıkışındaki bozulmalar, Wigner Ville kullanımında karşılaşılan girişimler ve girişimlerin engellenmesi için kullanılan filtrelemenin neden olduğu çözünürlük performans kayıpları sebepleri ile bu çalışmada radar belirsizlik analizi kullanılması kararı alınmıştır.

Eşiklemenin uyarlanabilir olması için belirsizlik fonksiyon çıktılarına CFAR algoritması uygulanmış ve bu çıktılara öznitelik çıkarma algoritmaları uygulanarak senaryolar bazında öznitelik matrisleri çıkarılmıştır. İmha değerlendirmenin yapılabilmesi için öznitelik matrisleri kullanılarak analiz grafikleri gürültüsüz ve gürültülü ortam varsayımları ile çizdirilmiş ve performans tablolarında tespit oranı ve doğruluk parametreleri göz önünde bulundurularak yorumlanmıştır. Ayrıca bu öznitelik matrisleri makine öğrenmesi ve derin öğrenme yöntemleriyle imha değerlendirme kararının verilebilmesi için \cite{Goren2022} tezine girdi olarak verilmiştir.

Analiz grafikleri hedeflerin radar dönüşlerine ait yansımalarının gecikme ve Doppler frekansı alanında gösterimlerini sağlamış ve imha/ıskalama senaryolarına ait bazı varsayımlarda bulunabilmeyi olası kılmıştır. Örneğin aynı Doppler değerinde, gecikme değeri değişen yansımaların menzili değişen tek bir hedefe ait olabileceği, iki farklı Doppler değerinde gecikme değerleri arasındaki farkın azaldığı yansımaların ise birbirine yakınlaşan iki hedef olabileceği çıkarımı yapılmıştır. Birbirine yaklaştığı tahmin edilen iki farklı hedefin gecikmeleri arasındaki farkın minimum olduğu noktadan sonraki davranışın ise senaryonun ıskalama mı imha mı olduğuna dair bir fikir verebileceği değerlendirilmiştir. Örneğin bu noktadan sonra mevcut Doppler değerlerinin değişmeden gecikme değer farklarının büyümesinin bir ıskalama senaryosu olabileceği düşünülmüştür. Ya da bu noktadan sonra Doppler ve gecikme değerlerinin ilk durumdan farklı, tespit edilen hedef sayısının beklenenden fazla olmasının ise bir imha senaryosunun sonucu olabileceği değerlendirilmiştir.

Gürültüsüz ortam varsayımlarında yalnızca analizden doğan hataların vurgulanması sağlanmış, gürültülü ortam varsayımlarında da öncelikle farklı anten kazançlarının yani dolaylı yoldan SNR değerinin analize etkisi, daha sonra da farklı yanlış alarm oranı için uygulanan CFAR uygulaması sebebiyle eşiklemenin analiz üzerine etkisi karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Bu şekilde uygun bir yanlış alarm oranı seçimi ile radar sinyallerden çıkarılan analiz grafikleri ile imha değerlendirmenin yapılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Kill assessment is an capability that evaluates the success or failure of a missile interception of a threat by providing the basis for further decisions in a defense system. The most important advantage of the assessment is to reduce the costs of the defense system by reducing the number of missiles that will be fired to destroy a threat. The need for an assessment for small ranges is much less with respect to long ranges because assessment can be made visually by the operator in small ranges . In long ranges, the fact that the kill or miss point is too far from the observation point causes the need for a separate algorithm to make the assessment.

In this study, radar data was used as input of assessment and since there is no radar data of the moment of kill in the literature, the study started with a simulator design and that produces synthetic radar data for different miss and kill scenarios. In order to detect both the range and speed of the air targets, pulse Doppler searching radar was based on. Pulse compression methods were compared to increase range resolution performance, and the linear frequency modulation pulse compression method was decided by evaluating the advantages and disadvantages. LockHeed Martin's RRP-117 Radar is referenced in the technical data used in the simulator.

For the processing of radar data, some of the time-frequency analysis methods were compared based on couple of parameters such as resolutions and computation time. The studies about Ambiguity Analysis in the literature are summarized by emphasizing the similarity with the Wigner Ville distribution, which was chosen as the favorite time frequency method. 

Matched filter, Wigner Ville distribution and ambiguity analysis signal processing methods were compared by using example target signals. As a result of processing, it is aimed to obtain delay and Doppler frequency, so range and speed, of the air targets detected by the radar. It was decided to use ambiguity functions in the study due to the distortions in the matched filter output in the presence of a moving target, the interferences encountered in the use of Wigner Ville and the loss of resolution performance caused by the filtering used to prevent interference.

In order for the thresholding to be adaptive, the CFAR algorithm was applied to the ambiguity function outputs and feature matrices were extracted on the scenarios by applying feature extraction algorithms to these outputs. Analysis graphs were drawn using noiseless and noisy environment assumptions and interpreted in the performance tables considering the detection rate and accuracy parameters in order to assess kill. Also these feature matrices were given as input to the another thesis work in order to give the kill assessment decision using machine learning and deep learning methods. 

The analysis graphs provided the representation of the reflected radar signals of the air targets in the delay and Doppler frequency domains and made it possible to make some assumptions about miss/kill scenarios. For example, it has been interpreted that reflections with varying delay values at the same Doppler values may belong to the same target, while reflections with reduced delay difference values at two different Doppler values may be two targets converging to each other. It has been evaluated that after the point where the delay difference between the two targets is minimum, the increase in the delay differences without the change in the Doppler values may be a result of the miss scenario. Also after same point, revealing of more than two air targets with different Doppler and delay values may be result of the kill scenario.

In the noiseless environment assumptions, only the errors arising from the analysis were emphasized, and in the noisy environment assumptions, first, the effect of the different antenna gains, so indirectly SNR value, and after the effect of thresholding on the analysis was compared and interpreted due to the CFAR application applied for different false alarm rates. In this way, it was concluded that with the selection of an appropriate false alarm rate, the kill assessment evaluation can be made with the analysis graphics extracted from the radar signals.