This doctoral dissertation proposes robust calibration and estimation algorithms for linear phased array radar systems. Among various signal processing algorithms, we first concentrate on calibration technique. Calibration is one of the important issues in the radar system, because the performance of source localization is sensitive to the deviation in the array element behavior and most of array signal processing algorithms are based on the assumption that array is perfectly calibrated. Then, the low-angle tracking technique is considered. Low-angle tracking is related to the multipath effect, which is also a critical issue in that the correlation between two paths signals with small angular distance makes it di cult to separate and localize signal sources. In this dissertation, we propose three algorithms, which exhibit the improvement of elevation estimation performance in radar system.
In the first part, a novel gain and phase blind calibration algorithm for a linear array with non-Gaussian sources is proposed. In the proposed algorithm, independent component analysis is used to estimate the product of the array error matrix and the array response matrix. From this estimated matrix, the array gain and phase are estimated in the sense that the squared estimation error of the direction of arrivals (DOAs) of the sources can be minimized. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm is superior to conventional algorithms for a wide range of phase error. Then, we can proceed to investigate other signal processing algorithms with calibrated arrays.
Next, we consider low-angle tracking algorithms. Low-angle tracking has been widely studied to solve multipath effect which is a serious problem in radar systems. Among various low-angle tracking algorithms, the three-dimensional beamspace domain maximum likelihood (3-D BDML) estimation proposed by Zoltowski is a computationally attractive and optimal algorithm that can be processed in the reduced beamspace domain. This algorithm can simply nd the direction of arrival (DOA) of a target from a quadratic equation. However, this algorithm has drawbacks such as fixed beam pattern and relatively high sidelobe level. In the second part of this dissertation, a new beamforming scheme using the linearly constrained adaptive arrays is proposed. The proposed scheme generates a beam pattern which can overcome 3-D BDML i estimation algorithm by providing low sidelobe using adaptive structure, resulting robust estimation. Numerical results are provided to show the improved performances.
Finally, a new low-angle tracking algorithm for two objects in a three dimensional beamspace domain is proposed. The estimation performance of 3-D BDML deteriorates in the presence of interference or an additional target, especially at low altitudes, because the dimension of the signal and noise exceeds the dimension provided by the three beams. In the proposed algorithm, the increased signal dimension due to the interference or the additional target is reduced in the beamspace domain by using the beamforming weight that is designed remove the largest principal component in the covariance matrix. Numerical simulation results are provided to show the estimation performance of the proposed algorithm.
본 학위논문에서는 선형 위상 배열 안테나를 사용한 레이더 시스템에서의 강인한 보정 및 추정 방안을 다루고자 한다. 레이더 시스템에서 신호의 방향을 추정하고자 할 때, 그 성능은 배열 소자의 특성 오차에 민감하므로 이 오차를 보정하는 것이 중요하다. 다중 경로 문제도 중요한데 두 경로 사이의 각의 차이가 작고 또한 두 경로로 들어오는 신호간에 상관작용이 있으므로 이 두 신호를 분리하고 도래각(到來角)을 추정하는 것이 어렵기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 문제들에 중점을 두어 다음의 세 가지 방안을 제안한다.
첫 번째로 선형 배열 안테나에서 비정규 신호에 대한 이득 및 오차의 자동 보정에 고나한 새로운 방법을 제안한다. 여기에서는 독립 요소 분석법이 사용되는데 이를 이용하여 각 신호 요소를 분리하고 요소들 마다의 배열의 오차를 나타내는 행렬과 배열의 반응을 나타내는 행렬의 곱을 추정한다. 이렇게 추정된 행렬로부터 각 신호원의 도래각 오차의 제곱이 최소화가 되는 방향으로 배열 안테나의 이득과 위상을 추정한다. 모의 실험 결과로부터 제안된 방안이 넓은 범위의 위상 오차에 대하여 기존의 방안보다 우수함을 확인할 수 있다.
다음은 저고도 추정 방안에 대한 것이다. 레이더 시스템에서 중요한 다중 경로 문제를 해결하기 위해 저고도 추적은 널리 연구되어 왔다. 여러 다양한 저고도 추정 방안 중, 졸토우스키(Zoltowski)가 제안한 삼차원 빔공간 영역 최우도(three-dimensional beamspace domain maximum likehood, 3-D BDML) 추정 방안은 계산량이 적고 축소된 빔공간 영역에서 수행될 수 있는 최적의 방안이다. 이 방안은 표적의 도래각을 이차 방정식으로부터 간단히 구할 수 있으나, 빔 형상이 고정되어 있고 부엽의 준위가 높다는 단점이 있다. 이 학위논문의 두 번째 부분에서는 선형 조건을 만족하는 적응 배열(linearly constrained adaptive array)을 사용한 빔 형성 방법에 대하여 제안한다. 이 방법에서는 적응 구조를 사용하여 낮은 부엽 준위를 제시하며, 따라서, 기존의 3-D BDML 방법의 단점을 극복하고 따라서 강인한 추정 성능을 나타낸다.
마지막으로, 삼차원 빔공간 영역에서 두 개의 객체를 위한 저고도 추적 방안을 제안한다. 3-D BDML은 간섭 신호나 다른 표적이 저고도에 있을 때 추정 성능이 저하되는데 이는 신화와 잡음을 이루는 공간의 차원이 세 개의 빔에 의해 부여되는 차원보다 크기 때문이다. 제안된 방안에서는 이렇게 증가한 신호의 차원의 수를 빔 형성 계수를 조절함으로써 줄이게 된다. 이 빔 형성 계수는 상관행렬에서의 최대 주요 요소(largest principal component)를 제거하도록 설계된다. 제안된 방안의 향상된 추정 성능을 보이기 위해 모의 실험 결과를 첨부하였다.
