Multistatic radar optimization for radar sensor network applications

Ben Kilani, Moez (2018). Multistatic radar optimization for radar sensor network applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The design of radar sensor networks (RSN) has undergone great advancements in recent years. In fact, this kind of system is characterized by a high degree of design flexibility due to the multiplicity of radar nodes and data fusion approaches. This thesis focuses on the development and analysis of RSN architectures to optimize target detection and positioning performances. A special focus is placed upon distributed (statistical) multiple-input multipleoutput (MIMO) RSN systems, where spatial diversity could be leveraged to enhance radar target detection capabilities.

In the first part of this thesis, the spatial diversity is leveraged in conjunction with cognitive waveform selection and design techniques to quickly adapt to target scene variations in real time. In the second part, we investigate the impact of RSN geometry, particularly the placement of multistatic radar receivers, on target positioning accuracy. We develop a framework based on cognitive waveform selection in conjunction with adaptive receiver placement strategy to cope with time-varying target scattering characteristics and clutter distribution parameters in the dynamic radar scene. The proposed approach yields better target detection performance and positioning accuracy as compared with conventional methods based on static transmission or stationary multistatic radar topology.

The third part of this thesis examines joint radar and communication systems coexistence and operation via two possible architectures. In the first one, several communication nodes in a network operate separately in frequency. Each node leverages the multi-look diversity of the distributed system by activating radar processing on multiple received bistatic streams at each node level in addition to the pre-existing monostatic processing. This architecture is based on the fact that the communication signal, such as the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) waveform, could be well-suited for radar tasks if the proper waveform parameters are chosen so as to simultaneously perform communication and radar tasks. The advantage of using a joint waveform for both applications is a permanent availability of radar and communication functions via a better use of the occupied spectrum inside the same joint hardware platform. We then examine the second main architecture, which is more complex and deals with separate radar and communication entities with a partial or total spectrum sharing constraint. We investigate the optimum placement of radar receivers for better target positioning accuracy while reducing the radar measurement errors by minimizing the interference caused by simultaneous operation of the communication system. Better performance in terms of communication interference handling and suppression at the radar level, were obtained with the proposed placement approach of radar receivers compared to the geometric dilution of precision (GDOP)-only minimization metric.

Titre traduit

Optimisation des radars multistatiques pour des applications de réseaux de capteurs radar

Résumé traduit

La conception de réseaux de capteurs radar a subi une croissance considérable durant les dernières années. En effet, ce genre de systèmes est caractérisé par un degré de flexibilité élevé du point de vue de la conception. Ceci est grâce à la multiplicité de noeuds radar ainsi que les méthodes de fusion de données. Cette thèse se concentre particulièrement sur le développement et l’analyse des architectures de réseaux de capteurs radar dans le but d’optimiser la détection et le positionnement de la cible. Un intérêt spécial est porté aux systèmes de réseaux de capteurs radar distribués, où la diversité spatiale peut être exploitée afin d’améliorer les capacités du radar en termes de détection de cible.

Dans une première partie de cette thèse, la diversité spatiale est utilisée en conjonction avec des techniques cognitives de conception et de sélection de formes d’ondes afin de s’adapter rapidement et en temps réel aux variations de l’environnement où se situe la cible. Dans une seconde partie, on étudie l’impact de la géométrie de réseaux de capteurs radar, en particulier, l’emplacement des récepteurs du radar multistatique sur la précision de positionnement de la cible. On développe un système basé sur une sélection cognitive de formes d’ondes radar ainsi qu’une stratégie adaptative de placement de récepteurs pour gérer les caractéristiques de dispersion propre à la cible. Ces caractéristiques sont variables dans le temps ainsi que les paramètres de distribution d’objets radars non désirés dans la milieu radar dynamique.

La troisième partie de la thèse est consacrée au thème de la coexistence entre les systèmes radar et de communication et leur opération conjointe à travers deux architectures possibles. Dans la première architecture, plusieurs noeuds de communication opèrent séparément en fréquences. Chaque noeud tire profit de la diversité à plusieurs vues du système distribué afin d’activer le traitement radar sur les multiples signaux radar bistatiques et monostatique reçus au niveau de chaque noeud. L’architecture est basée sur le fait que le signal de communication, comme la forme d’onde Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), peut être utilisé pour du traitement radar par l’intermédiaire d’un choix judicieux de paramètres. Ceci permettra de réaliser simultanément des tâches radar et de communication de données. L’avantage d’utiliser la même forme d’onde pour les deux applications est d’assurer les fonctions en permanence des systèmes radar et de communication à la suite d’une meilleure utilisation du spectre utilisé et à l’intérieur de la même plateforme matérielle. La deuxième principale architecture est plus complexe et permet de traiter le cas où les entités radar et de communication sont séparés dans l’environnement mais avec une contrainte de partage complet ou partiel du spectre de fréquences. On étudie dans le cadre de cette thèse l’emplacement optimal des récepteurs radar dans le but d’améliorer la précision de positionnement de la cible d’intérêt tout en réduisant les erreurs de mesures radars. Ceci est réalisé en minimisant les interferences causées par l’opération en simultanée du système de communication. Des meilleures performances en termes de réduction d’interférence au niveau radar ont été obtenues en appliquant la technique proposée d’emplacement des récepteurs, comparée à la technique basée uniquement sur la minimisation du geometric dilution of precision (GDOP).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fufillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 143-156).
Mots-clés libres:	réseaux de capteurs radar, détection et positionnement de la cible, operation conjointe des systèmes radar et de communication
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Gagnon, Ghyslain
Codirecteur:	Codirecteur Gagnon, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 nov. 2018 16:23
Dernière modification:	01 nov. 2018 16:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2115

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