Statistical Signal Processing Algorithms for Radar and Sonar System

Abstract

해양 레이더와 소나 시스템은 항해와 충돌 방지, 해양 탐사, 통신과 같은 중요한 역할에 사용된다. 이러한 장비들은 무엇보다 정확성과 신뢰성이 요구되며, 그 성능을 향상시키기 위해 다양한 통계적 신호처리 기법들이 사용되고 있다. 본 논문에서는 기존의 통계적 신호처리 기법들과 새로운 추적 기법을 소개하고, 검증을 위한 해양 레이더 시뮬레이터와 파라메트릭 배열 소나 시스템을 구현하였다. 해양 레이더를 위한 추정 기법은 일반적으로 α-β 필터, 칼만 필터 등이 사용되고 있다. α-β 필터는 구조가 간단하고 계산량이 적지만, α, β 계수가 적절치 않거나 물체가 급격하게 이동할 경우 큰 추정 오차가 발생하는 단점을 갖는다. 칼만 필터는 추적하려는 물체의 통계적 특성에 대한 정보를 요구하며, 계산량이 많은 단점을 지니고 있다. 이와 같은 문제들을 해결하기 위하여 본 논문에서는 새로운 추적 기법인 Switched Slide Window Tracker를 제안하였다. 제안된 기법은 부분 선형화를 적용한 슬라이딩 윈도우를 이용하여 물체를 추적하는 기법으로 물체의 급격한 변동에 대해서 α-β 필터보다 정확한 성능을 보였으며, 칼만 필터에 비해 계산량이 적고 추적하려는 물체의 통계적 특성에 대한 정보 없이도 우수한 추적 성능을 보임을 입증하였다. 수중에서의 다중 경로 특성은 수중 통신을 수행하는데 있어 열악한 환경을 제공한다. 파라메트릭 배열 트랜스듀서는 고 지향성을 가지며, 그로 인해 다중 경로의 영향을 최소화 시키는 것이 가능하다. 본 논문은 파라메트릭 배열 트랜스듀서를 이용한 소나 시스템을 구현하였으며, 신호를 검파하기 위하여 평균화시킨 수신 신호에 대하여 최대우도법(Maximum likelihood method)을 적용하였다. 제안된 추적기법의 검증으로 α-β 필터와 칼만 필터, 그리고 새롭게 제안한 Switched slide window tracker를 DSP 보드에 구현하여 각각의 성능을 비교하였으며, 랩뷰 소프트웨어를 사용하여 GUI 해양 레이더 시뮬레이터를 구현하였다. 검파 기법의 검증으로는 고 지향 특성을 갖는 파라메트릭 배열 트랜스듀서와 NI PXI 장비를 이용하여 소나 시스템을 구현하고 ML 기법을 적용하여 수신 성능을 향상시켰다. 본 논문에서 구현된 결과는 실제 해양 장비의 개발에 소요되는 비용과 시간을 감소시키고, 성능을 향상시키는데 적용될 수 있다. 또한 제안된 알고리즘은 레이더 및 소나 시스템뿐만 아니라 통계학적 신호처리가 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.

The ocean equipments such as maritime radar and sonar system play a vital role in ship navigation, collision avoidance and ocean investigation. Especially such equipments require great accuracy and reliability. To improve the performance of those equipments, statistical signal processing methods will be required. Typical maritime radar is used either in the α-β tracker or the Kalman tracker to track moving targets. However, if α and β coefficients are not suitable, the α-β tracker does not guarantee the accuracy of the position and velocity estimation for a non-linear moving target. The Kalman tracker demands the statistical characteristics of the maneuvering targets and it has a heavy computational cost. To solve the problems, the switched slide window tracker (SSWT) using a moving piecewise window was proposed in this study. The proposed algorithm does not require the statistical characteristics of a target and demands low computational cost. To verify the algorithm, the maritime radar simulator with the proposed algorithm is implemented using a TMS320C6711 digital signal processor (DSP) board and LabVIEW 8.5. In the underwater communications, transmitted acoustic signal is corrupted by interference from multipath. A parametric array transducer is capable of radiating a narrow beam with very low sidelobe levels. In certain cases, the parametric array transducer can help the multipath problem. In the thesis, the sonar communication system using the parametric array transducer was presented. To detect the signal without error, the measured signal was averaged for a particular window size before applying the maximum likelihood method. Our implementation has the potential to improve the performance of the ocean equipments such as radar and sonar system.