Sıkıştırılmış algılama tabanlı yüksek çözünürlüklü radar streç işleme

Abstract

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.

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.