استفاده از روش حسگری فشرده جهت بهبود کارآیی رادارهای چند ورودی- چند خروجی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Multiple-input multiple-output (MIMO) radar is a radar that consists of multiple transmitters and multiple receivers and in which all the receivers send the received signal to a common processing center for simultaneous process. This radar, according to its higher freedom degree in comparison with single-input single-output (SISO) radar, has superior resolution, higher accuracy in detection and estimation, and more flexibility in beamforming. MIMO radar systems are divided into two groups: collocated MIMO radars and MIMO radars with widely separated antennas. Important subjects in the context of MIMO radar are detection, estimation, and optimal transmitted waveform design. There are several parameter estimation methods in collocated MIMO radars, but in MIMO radars with widely separated antennas, most of the time, matched filters method is used. Because of the existence of multiple receivers in MIMO radar systems, if we be able to reduce the sampling rate and remove the need of high rate analog to digital converters, the cost of receivers can be reduced. Sometimes, the problem is not even the cost; The problem is unaccessible high sampling rate. This reduction in sampling rate can be achieved by using compressive sensing (CS). Furthermore, using CS can improve the performance of these radars in detection and estimation, and also, reduce the complexity of receivers and common processing center in comparison with other methods such as matched filters method. CS is a new paradigm in signal processing that allows us to reconstruct spark signals accurately and even exactly from a number of samples which is much smaller than what is necessary according to Shannon-Nyquist sampling theory. For block-sparse signals it is better to use block CS methods instead of usual CS methods to improve the reconstruction. In all existing references, for MIMO radar’s received signal modeling simplification, all targets and antennas are considered to be located in a plane. In this thesis, we extend this modeling to the three dimensional case. CS_based MIMO radars can be improved by different methods like: optimal design of measurement matrix, optimal design of transmitted waveforms, reducting the distance of points in estimation grids, and optimal design of antenna placements. The received signal in MIMO radar with widely separated antennas is block-sparse in a basis. So, we can use block CS methods in this type of MIMO radars, and it is shown that the performance will be improved. In this thesis, two methods for the performance improvement of block CS_based MIMO radar with widely separated antennas are proposed. These methods are used for reducting a measure that is named block coherence. The first proposed method and the second proposed method are respectively based on optimal measurement matrix design and optimal transmitted energy allocation. Simulation results show an increase in the accuracy of multiple targets’ parameter estimation by using these proposed methods. Keywords: Compressive sensing, multiple-input multiple-output (MIMO) radar, optimal measurement matrix design, optimal transmitted energyallocation.

رادار چند ورودی- چند خروجی(MIMO)، راداری است که از چند فرستنده و چند گیرنده تشکیل شده و در آن گیرنده ها سیگنال های دریافتی را برای انجام پردازش هم زمان به یک واحد پردازشی مشترک ارسال می کنند. این رادار با توجه به درجه ی آزادی بیش تری که نسبت به رادار تک ورودی- تک خروجی(SISO) دارد، از قدرت تفکیک بالاتر، آشکارسازی و تخمین بهتر، انعطاف پذیری بیشتر در تشکیل بیم و... برخوردار است. سیستم های راداریMIMOبه دو دسته ی رادارهایMIMO هم مکان و رادارهایMIMO با آنتن‌های دور از هم تقسیم می شوند. در رادارهایMIMO با آنتن‌های دور از هم فاصله ی بین آنتن های فرستنده و گیرنده نسبت به فاصله ی آن ها تا اهداف آن قدر زیاد است که موجب دیده شدن اهداف از زوایای مختلف می شود، اما در رادارهایMIMO هم مکان، این فاصله کم بوده و همه ی جفت فرستنده - گیرنده های مختلف، اهداف را از یک زاویه می بینند. مباحث مطرح در زمینه ی رادارهایMIMOمشتمل بر مباحث آشکارسازی، تخمین و طراحی شکل موج های ارسالی بهینه در آن هاست. جهت تخمین در رادارهایMIMO هم مکان روش های مختلفی ارائه شده است، اما در رادارهایMIMO با آنتن‌های دور از هم عمدتاً از روش فیلتر منطبق استفاده می شود.با توجه به وجود چند گیرنده دراین سیستم های راداری، در صورتی که بتوان نرخ نمونه برداری را در این گیرنده ها کاهش داده و در نتیجه نیاز به استفاده از مبدل های آنالوگ به دیجیتال با نرخ بالا را مرتفع نمود، به کاهش قابل توجهی در هزینه دست خواهیم یافت. گاهی حتی مسئله ی هزینه نیز مطرح نیست و اصلاً دست یافتن به نرخ نمونه برداری بالا برای ما ناممکن است. کاهش در نرخ نمونه برداری با استفاده از روش حسگری فشرده محقق خواهد شد. در ضمن، استفاده از این روش در کنار کاهش هزینه، منجر به بهبود عملکرد این سیستم های راداری در آشکارسازی و تخمین و کاهش پیچیدگیگیرنده ها در مقایسه با روش هایی نظیر فیلتر منطبق می گردد.روش حسگری فشرده یک روش پردازشی است که امکان نمونه برداری از سیگنال های تنک یا تقریباً تنک را با نرخی به مراتب کوچک تر از نرخ نایکوئیست فراهم می آورد. روش های حسگری فشرده را می توان در چهار دسته ی اصلی روش های پیگیری پایه ای، الگوریتم های حریص، روش های آستانه ای و روش های تقریب نرم قرار داد. جهت بازسازی سیگنال های تنک بلوکی در کنار روش های معمول حسگری فشرده، می توان از روش های حسگری فشرده ی بلوکی نظیر پیگیری پایه ای بلوکی، پیگیری منطبق بلوکی و پیگیری منطبق متعامد بلوکی بهره برد. با استفاده از این روش ها بازسازی سیگنال های تنک بلوکی با احتمال بالاتری دقیق خواهد بود. آن چه به ما اجازه ی استفاده از این روش پردازشی را در سیستم های راداری می دهد، تنک بودن اهداف راداری در فضاهایینظیر "مکان- سرعت"، "زاویه- داپلر"، "زاویه- داپلر- رنج" و ...است. در تمام مراجع موجود برای سادگی مدلسازی سیگنال دریافتیدر سیستم های راداریMIMO،این فرض صورت گرفته کهاهداف، فرستنده ها و گیرنده ها همگی در یک صفحه واقع شده اند. دراین پایان نامه تعمیم مدلسازی سیگنال دریافتیدر رادارهای MIMO هم مکان به فضای سه بعدی آورده شده؛ تعمیمی که در نهایت تخمین زاویه ی ارتفاع را در کنار تخمین زاویه ی سمت، سرعت و فاصله ی اهداف ممکن می سازد. می توان سیستم های راداریMIMO مبتنی بر حسگری فشرده را با روش هایی نظیربهبود ماتریس اندازه گیری، بهینه سازی شکل موج های ارسالی، تعیین بهینه ی توزیع آنتن ها و حداکثر سازی نقاط شبکه بهبود داد. از آن جا که بر اساس مدلسازی های صورت گرفته می توان سیگنال دریافتی در رادارهایMIMO با آنتن‌های دور از هم را در یک پایه به صورت تنک بلوکی نوشت، با استفاده از روش های حسگری فشرده ی بلوکی در این دسته از رادارهایMIMO، می توان عملکرد آن ها را به طور قابل توجهی بهبود داد. در این پایان نامه دو پیشنهاد طراحی ماتریس اندازه گیری بهینه و تخصیص انرژی بهینه به فرستنده ها جهت بهبود رادارهایMIMO با آنتن‌های دور از هم مبتنی بر حسگری فشرده ی بلوکی را مطرح نموده ایم. این روش ها جهت کمینه کردن معیاری به نام همدوسی بلوکی به کار گرفته شده اند . روش طراحی ماتریس اندازه گیری بهینه ارائه شده در این پایان نامه،تنها در محدوده ی خاصی از تعداد اندازه گیری ها، می تواند عملکرد سیستم های مذکور را بهبود دهد اما نتایج حاصل از شبیه سازی ها مبین بهبودصد درصدی عملکرد اینسیستم ها با به کارگیری روش دوم ارائه شده که بر مبنایتخصیص انرژی بهینه به فرستنده هاست، می باشد. کلمات کلیدی: 1- رادار MIMO 2- روش حسگری فشرده 3- طراحی ماتریس اندازه گیری بهینه 4-تخصیص انرژی بهینه