Transmitter and Receiver Optimization for Agile MIMO Radars

Thumbnail Image

Files

isbn9789526073095.pdf (1.13 MB)
Errata_aittomaki_tuomas_DD_33_2017_publications_P1_P3_P7_P8_P10_P16.pdf (261.37 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-03-17
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017

Department

Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos
Department of Signal Processing and Acoustics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

132 + app. 140

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 33/2017

Abstract

MIMO radars use multiple transmitters that are transmitting simultaneously. The diversity achieved with several active transmitters can be beneficial for target detection and target parameter estimation, especially for stealth targets and other targets of low observability. However, the use of multiple transmitters places constraints on the transmitted signals and also makes designing the receivers more challenging. With the need of cooperating radars likely to increase in the future, it is important to be able to properly design and optimize this type of radar systems. Methods for the optimization of the transmitters and the receivers of a MIMO radar system and the optimal use of the received signals are developed in this thesis. Several methods for target detection, target parameter estimation, resource allocation, waveform design, and receiver filter design of the MIMO radars are proposed in this thesis. Analysis and numerical results show that the proposed methods lead to improved performance. In target detection, optimal detectors are derived for the Swerling scattering models while also assuming correlated scattering. The impact of the scattering model is also studied for different distributed MIMO radar configurations in detection and estimation tasks. For unknown scattering statistics, a parametric model is developed for improving the detection performance. Methods to optimize the transmit power allocation for target detection with distributed MIMO radar are also provided. A novel algorithm for optimizing the transmit waveform codes is developed. The performance of this algorithm is demonstrated with numerical examples. A spatial coding method is also proposed for improving the channel estimation in colored noise and interference. As most radar use digital signal processing in which the received signal is sampled, it is important to understand the impact of the sampling on the received waveforms. It is shown both analytically and with examples that it is important to take the sampling rate into account at the waveform design phase. Receiver filter designs are developed for situations with both negligible and significant Doppler shifts. The proposed filter design minimizes the noise and interference power while maintaining sidelobe and cross-correlation at tolerable levels. A good trade-off can be achieved between narrowband interference attenuation and sidelobe and cross-correlation levels. A filter optimization formulation for suppressing clutter is also provided. Furthermore, In order to understand jamming threat and develop jamming avoidance methods, the optimization of the worst-case jamming signal for disrupting a MIMO radar system is studied. The results confirm the resilience of distributed MIMO radars against jamming.

MIMO-tutkissa käytetään useita lähettimiä samanaikaisesti. Useilla lähettimillä aikaansaatua diversiteettiä voidaan hyödyntää maalien havainnoinnissa ja niiden parametrien estimoinnissa, erityisesti häive- ja muiden vaikeasti havaittavien maalien tapauksessa. Useiden lähettimien käyttö asettaa kuitenkin rajoituksia lähetettäville signaaleille ja vaikeuttaa vastaanotinten toteutusta. Yhteistyössä toimivien tutkajärjestelmien tarpeen voidaan olettaa tulevaisuudessa kasvavan, joten tällaisten tutkajärjestelmien suunnittelu ja optimointi on tärkeää. Tässä väitöskirjatyössä on kehitetty menetelmiä MIMO-tutkajärjestelmien lähettimien ja vastaanottimien optimointiin sekä vastaanotetun signaalin optimaaliseen käyttöön. Esiteltyjä menetelmiä käytetään kohteiden ilmaisuun, parametrien estimointiin, resurssien jakamiseen, aaltomuotojen suunnitteluun sekä vastaanottimen suodattimien optimointiin. Analyysin ja numeeristen esimerkkien perusteella esitettyjen menetelmien avulla voidaan parantaa tutkan suorituskykyä. Maalien ilmaisussa optimaaliset ilmaisimet johdetaan Swerling-sirontamallia noudattaville maaleille olettaen lisäksi korreloitunut sironta. Sirontamallin vaikutusta tutkitaan myös eri hajautetun MIMO-tutkan konfiguraatioille eri ilmaisu- ja estimointitehtävissä. Väitöstyössä on myös kehitetty parametrinen sirontamalli parantamaan ilmaisukykyä tapauksissa, joissa sironnan tilastollinen käyttäytyminen ei ole täysin tunnettua. Lisäksi kehitetään menetelmä hajautetun MIMO-tutkan lähettimien lähetystehon optimointiin maalien ilmaisua varten. Väitöstyössä kehitettiin uusi algoritmi lähettävien aaltomuotojen koodausta varten. Algoritmin suorituskyky osoitetaan numeerisin esimerkein. Lisäksi kehitettiin avaruudellinen koodausmenetelmä aaltomuodoille radiokanavan estimoinnin parantamiseksi, kun häiriösignaali on korreloitunutta. Koska tyypillisesti tutkissa käytetään digitaalista signaalinkäsittelyä, jossa vastaanotettu signaali näytteistetään, on tärkeää ymmärtää näytteistyksen vaikutus vastaanotettuihin aaltomuotoihin. Analyysin ja esimerkkien perusteella voidaan todeta, että näytteenottotaajuus tulee huomioida jo aaltomuotojen suunnitteluvaiheessa. Vastaanotinten suodattimien suunnittelu esitetään optimointiongelmana, jossa minimoidaan kohinan ja häiriön teho pitäen ristikorrelaatio ja autokorrelaation sivumaksimit halutulla tasolla. Menetelmää voidaan käyttää riippumatta siitä, onko Doppler-ilmiö merkittävä vai ei. Lopputuloksena saaduilla suodattimilla voidaan saavuttaa hyvä kompromissi kapeakaistaisen häiriösignaalin vaimennuksessa ja risti- sekä autokorrelaation rajoittamisessa. Lisäksi esitetään tapa vaimentaa tutkavälkettä suodattimilla. Radiohäirinnän muodostaman uhan ymmärtämiseksi työssä esitetään myös menetelmä MIMO-tutkan häirintään tarkoitetun signaalin optimointiin. Tulokset osoittivat, että hajautetun MIMO-tutkan häirinnänsietokyky on hyvä.

Description

Supervising professor

Koivunen, Visa, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland

Keywords

MIMO radars, transmit waveform codes, algorithm, optimizing, transmitters, receivers

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Mismatched filter design with interference mitigation for MIMO radars. IEEE Transactions on Signal Processing, pp. 454–466, January 2017.
    DOI: 10.1109/TSP.2016.2620960 View at publisher
  • [Publication 2]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Worst-Case Jamming Signal Design and Avoidance for MIMO Radars. In European Signal Processing Conference, pp. 2220–2224, August 2016.
    DOI: 10.1109/EUSIPCO.2016.7760643 View at publisher
  • [Publication 3]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Iterative Quadratic Relaxation Method for Optimization of Multiple Radar Waveforms. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 5297–5301, March 2016.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2016.7472235 View at publisher
  • [Publication 4]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Radar Waveform Sidelobe Level Optimality and Sampling. IEEE Signal Processing Letters, vol. 23, no. 3, pp. 371–375, March 2016.
    DOI: 10.1109/LSP.2016.2515361 View at publisher
  • [Publication 5]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Mismatched filter design for radar waveforms by semidefinite relaxation. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 2739–2743, April 2015.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2015.7178469 View at publisher
  • [Publication 6]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. MIMO radar filterbank design for interference mitigation. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 5297–5301, May 2014.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2014.6854614 View at publisher
  • [Publication 7]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Improved MIMO radar channel estimation using spatial coding. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 4120–4124, May 2013.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2013.6638434 View at publisher
  • [Publication 8]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Target velocity estimation with distributed MIMO radar using multiple pulse repetition frequencies. In IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 5201–5204, March 2012.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2012.6289092 View at publisher
  • [Publication 9]: Tuomas Aittomäki, Hana Godrich, H. Vincent Poor, and Visa Koivunen. Resource allocation for target detection in distributed MIMO radars. In Proceedings of the 45th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp. 873–877, November 2011.
    DOI: 10.1109/ACSSC.2011.6190133 View at publisher
  • [Publication 10]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Widely distributed MIMO radar beamforming for detecting targets with slow RCS fluctuations. In Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 2792–2795, May 2011.
    DOI: 10.1109/ICASSP.2011.5947064 View at publisher
  • [Publication 11]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Target detection and positioning using widely distributed MIMO radar with correlated scattering. In Proceedings of European Radar Conference, pp. 403–406, September 2010
  • [Publication 12]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. MIMO radar target detection with parametric scattering correlation model. In Proceedings of International Symposium on Communications, Control and Signal Processing, pp. 1–5, March 2010.
    DOI: 10.1109/ISCCSP.2010.5463447 View at publisher
  • [Publication 13]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Performance of MIMO radar with angular diversity under Swerling scattering models. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 4, no. 1, pp. 101–114, February 2010.
    DOI: 10.1109/JSTSP.2009.2038971 View at publisher
  • [Publication 14]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Exploiting correlation in MIMO radar with angular diversity. In Proceedings of the 43rd Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp. 1191–1195, November 2009.
  • [Publication 15]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. Optimal detector for MIMO radar with angular diversity and correlated scattering. In Proceedings of International Radar Symposium, pp. 499–504, September 2009.
  • [Publication 16]: Tuomas Aittomäki and Visa Koivunen. MIMO radar direction finding performance using Swerling model. In Proceedings of the 42nd Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp. 518–522, October 2008.

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7309-5

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC