On statistical theory of radar measurements

Abstract

Statistical treatment of radar measurements is important as most radar measurements are corrupted by random receiver noise. In addition to this, many radar targets themselves have to be modeled as random processes. It is therefore not a coincidence that this thesis uses the framework of statistical inverse problems for modeling radar measurements. The introductory part of this thesis first goes through some important mathematical and numerical methods that can be used to model radar measurements and to apply these models in practice. We then describe several different types of radar measurements, with emphasis on high power large aperture radars. After this, we go through several useful radar measurement models. Finally, with the help of these models, we discuss optimal experiment design -- which typically amounts to radar transmission waveform optimization. The publications included in this thesis contain practical applications of the topics described in the introduction, including amplitude domain estimation of incoherent scatter signals, radar transmission code optimization, inverse synthetic aperture radar, and measurements of space debris.

Suurin osa tutkamittauksista on hyvin kohinaisia, siksi tilastolliset menetelmät ovat tärkeässä osassa niiden analyysissä. Lisäksi monet tutkakohteet ovat luonteeltaan satunnaisia prosesseja. Tässä väitöskirjassa sovelletaan tilastollisen inversioteorian menetelmiä erilaisten tutkamittausten mallintamiseen. Väitöskirjan johdanto käsittelee ensin eräitä tärkeitä matemaattisia ja numeerisia menetelmiä. Näitä sovelletaan tyypillisesti tutkamittausten tilastollisessa mallintamisessa ja käytännön sovellutuksissa. Tämän jälkeen esittelemme muutamia erilaisia tutkamittaustyyppejä ja mittausmalleja keskittyen erityisesti suurtehotutkiin. Käyttäen hyödyksi näitä malleja, käymme lopuksi läpi tutkamittausten tilastollisen kokeiden suunnittelun periaatteita. Tämä tyypillisesti tarkoittaa optimaalista tutkan lähetteiden suunnittelua. Tämän väitöskirjan sisältämät julkaisut pitävät sisällään käytännön sovellutuksia väitöskirjan johdannossa esitellyistä aiheista. Julkaisut keskittyvät seuraaviin suurtehotutkamittauksia koskeviin aiheisiin: epäkoherentin sironnan amplitudin estimointi koodatuilla pulsseilla, epäkoherentin sironnan tutkamittausten lähetteiden aaltomuotojen optimointi, Kuun kartoitus suuren laskennallisen läpimitan tutkalla sekä Cosmos- ja Iridium-satelliittien törmäyksen aiheuttaman avaruusromupilven mittaukset.