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MIMO Radar DOD/DOA Estimation and Performance Analysis in the Presence of SIRP Clutter

Zhang, Xin :
MIMO Radar DOD/DOA Estimation and Performance Analysis in the Presence of SIRP Clutter.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: MIMO Radar DOD/DOA Estimation and Performance Analysis in the Presence of SIRP Clutter
Language: English
Abstract:

This thesis investigates the problem of target parameter estimation and performance analysis of multiple-input multiple-output (MIMO) radar in the presence of non-Gaussian clutter. During the past decades, multiple-input multiple-output (MIMO) radar has become a research subject of growing interest, due to its superior performance in many aspects over the traditional phased-array radar. Conventionally, MIMO radar clutter is modeled as Gaussiandistributed. This modeling, however, becomes unrealistic and inadequate in certain specific scenarios, where the clutter shows distinct non-Gaussianity. In the radar literature, one of the most notable and popular models for such non-Gaussian clutter is the so-called spherically invariant random process (SIRP) model. A SIRP is a complex, compound Gaussian process with random power and can be represented as the product of two components: a complex Gaussian process, called the speckle, and the square root of a positive scalar random process, called the texture. The goal of this thesis is to devise estimation algorithms for target parameters, more specifically, for direction-of-departures/arrivals (DODs/DOAs) of the targets, in a MIMO radar context in the presence of SIRP clutter, and to evaluate the ultimate performance of this estimation problem, in terms of performance bounds and of target resolvability. First, three DOD/DOA estimation algorithms are proposed, which differ from one another in the modeling of the texture, as well as in the respective likelihood functions that they are based on, but have in common that all three algorithms employ the same concept of the stepwise numerical concentration approach and thus have similar iterative procedures. Performance properties like convergence of iterations and computational complexity of the three proposed algorithms are then examined. Next, various Cramér-Rao-type bounds (CRTBs) for the DOD/DOA parameters in this context are derived for performance assessment and their relationships between one another are determined. The respective impacts of the texture parameters on the CRTBs are investigated to illustrate the effect of the clutter spikiness on the same. Then, the estimation performance achievable in the presence of SIRP clutter is studied from another point of view, namely, that of the target resolvability, which is quantified by the concept of the resolution limit (RL). As a result, an analytical, closed-form expression of the RL with respect to (w.r.t.) the angular parameters between twoclosely spaced targets in this context is derived based on Smith’s criterion. For this aim, nonmatrix, closed-form expressions for several of the aforementioned CRTBs w.r.t. the angular spacing between the targets are also obtained as byproducts. Moreover, an alternative, more concrete expression for the RL is propsed for asymptotic scenarios. Like for the CRTBs, the respective impacts of the texture parameters on the RL are also determined. Finally, numerical simulations are provided to assess the performance of the proposed algorithms, to show the validity of the derived RL expressions, as well as to reveal the CRTBs’ and the RL’s insightful properties.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation untersucht das Problem der Zielparameterschätzung und der zugehörigen Genauigkeitsanalyse in einem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Radarsystem in Gegenwart von nicht Gaußschen Störechos (eng. clutter). Aufgrund seiner in vielen Aspekten dem traditionellen Phased-Array-Radar überlegenen Leistungsfähigkeit sind MIMORadarsysteme in den letzten Jahrzehnten ein Forschungsgegenstand von wachsendem Interesse geworden. In herkömmlichen Modellen wird das MIMO-Radar-Clutter gewöhnlich als gaußverteilt modelliert. Jedoch wird diese Modellierung in bestimmten Szenarien, in denen das Clutter von einer Gaußverteilung abweicht, unrealistisch und unzureichend. In der Literatur zur Radartechnik ist eines der weitest verbreiteten Modelle für solch nicht Gaußsches Clutter das Modell des sogenannten sphärisch invarianten Zufallsprozesses (eng. spherically invariant random process, kurz SIRP). Ein SIRP ist ein komplexwertiger Verbundgaußprozess mit zufälliger Leistung und kann als das Produkt von zwei Komponenten dargestellt werden: ein komplexwertiger Gaußprozess, im Englischen als “Speckle” bezeichnet, und die Quadratwurzel eines positiven Skalar-Zufallsprozess, im Englischen als “Texture” bezeichnet. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Schätzalgorithmen für Zielparameter, genauer gesagt für Aus-/Einfallsrichtungen (eng. direction-of-departures/arrivals, kurz DODs/DOAs) der Ziele, in einem MIMO-Radarsystem in Gegenwart von SIRP-Clutter zu entwickeln, und die Leistungsfähigkeit dieser Schätzungsaufgabe in Bezug auf die Güte der Zielparameterschätzung sowie das Zielauflösungsvermögen zu bewerten. Zunächst werden drei DOD/DOA-Schätzalgorithmen vorgestellt, die sich voneinander in der Modellierung des Textures sowie in den jeweilig zugrundeliegenden Wahrscheinlichkeitsfunktionen unterscheiden. Gleichzeitig ist allen drei Algorithmen gemeinsam, den gleichen Ansatz der sukzessiven numerischen Konzentration zu verwenden und somit ähnliche iterative Verfahrensweisen zu besitzen. Daraufhin werden Eigenschaften wie die Konvergenz der Iterationen und die Rechenkomplexität der drei vorgeschlagenen Algorithmen untersucht. Für die Analyse der Schätzgüte werden verschiedene Cramér-Rao-artige Grenzen (eng. CramérRao-type bounds, kurz CRTBs) für die DOD/DOA-Parameter abgeleitet und ihre Beziehungen untereinander bestimmt, und die jeweiligen Auswirkungen der Textureparameter auf die CRTBs werden untersucht. Anschließend wird die erreichbare Schätzgüte in Gegenwart von SIRP-Clutter unter dem Gesichtspunkt des Zielauflösungsvermögens betrachtet, welches sich durch die sogenannte Auflösungsgrenze (eng. resolution limit, kurz RL) quantifizieren lässt. Basierend auf dem Smithschen Kriterium wird als Ergebnis dieser Betrachtung ein analytisch geschlossener Ausdruck des RLs mit Bezug auf die Winkelparameter zwischen zwei eng aneinanderliegenden Zielen hergeleitet. Als Nebenprodukte der Herleitung werden analytisch geschlossene Ausdrücke für mehrere der genannten CRTBs bezüglich des Winkelabstands zwischen den Zielen erhalten. Darüber hinaus wird ein alternativer, konkreterer Ausdruck für die RL für asymptotische Szenarien vorgestellt. Wie bereits für die CRTBs werden die Auswirkungen der Textureparameter auf das RL bestimmt. Abschließend werden numerische Ergebnisse dargestellt, um die Güte der vorgestellten Algorithmen zu demonstrieren, die Gültigkeit der abgeleiteten RL-Ausdrücke aufzuweisen sowie die aufschlussreichen Eigenschaften der CRTBs und des RLs aufzuzeigen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communication Systems
Date Deposited: 02 Dec 2016 14:39
Last Modified: 02 Dec 2016 14:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57993
Referees: Pesavento, Dr.-Ing. Marius and El Korso, Dr.-Ing. Mohammed Nabil
Refereed: 17 August 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5799
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