The main objectives of this dissertation are to develop a constant false alarm rate (CFAR) detector which has excellent detection performance while keeping a desired false alarm rate in nonhomogeneous backgrounds and which requires less processing time than the other DFAR detectors based on order statistics, to study the performance characteristics of the proposed CFAR detector, and to develop the systolic array architecture of the CFAR detectors based on order statistics for real-time processing.
First, a modified order statistics (OS) CFAR detector called the order statistics cell averaging (OSCA) CFAR detector is proposed and analyzed for a Rayleigh target in nonhomogeneous backgrounds based on single-pulse detection. Then, we extend the analyses of the other modified OS CFAR detectors called the order statistics greatest of (OSGO) CFAR and the order statistics smallest of (OSSO) CFAR detectors for a RAyleigh target to nonhomogeneous backgrounds based on single-pulse detection. The computational complexity of each CFAR detector is also obtained in terms of the number of comparisons for ordering the samples in reference cells according to their magnitude. It is found that the OSCA CFAR detector performs better than the OS CFAR detector while the computational complexity of the OSCA CFAR detector is less than half that of the OS CFAR detector. However, the analysis results show that the OSGO CFAR and the OSSO CFAR detectors perform worse than the OS CFAR detector.
Second, we extend the analysis of the first part to multiple-pulse detection for chi-square targets. We study the performance characteristics of the OSCA CFAR and the OSGO CFAR detectors employing M-pulse noncoherent integration for chi-square targets. Explicit formulas for the false alarm and the detection probabilities for the OSCA CFAR and the OSGO CFAR detectors are also given. Analysis results show that the OSCA CFAR detector performs the best among the OS CFAR and the modified OS CFAR detectors, and that CFAR detectors with noncoherent integration perform better as increasing the degrees of freedom of the chi-square target.
Third, we extend the study of the second part to moderately correlated chi-square targets. Until the second part of the dissertation, the performance analysis of a CFAR detector is limited to the completely correlated or completely uncorrelated targets from pulse to pulse. But the return signals from real targets show some correlation between samples, we call these targets moderately correlated targets. The exact detection probabilities of the OS CFAR, the OSCA CFAR, and the OSGO CFAR detectors employing M-pulse noncoherent integration for moderately correlated chi-square targets with two and four degrees of freedom are derived. According to analysis results, the results for moderately correlated targets fall between those for the two extermes of completely correlated and completely uncorrelated targets.
Finally, we consider the VLSI architecture of the CFAR detectors based on order statistics for real-time processing. Among several VLSI implementation methods, the systolic array architecture is the most suitable for radar CFAR processing. We first propose the systolic array architecture for the OS CFAR detector. And then we slightly modify the proposed OS CFAR architecture for the OSCA CFAR, the OSGO CFAR, and the OSSO CFAR detectors. All the proposed systolic arrays have several simple processing elements (PEs), a few communication links between adjacent PEs, and 100% processor utilization.
본 논문에서는 최근 각광을 받고 있는 순서통계(order statistics)에 근거한 몇가지 형태의 일정오경보율(CFAR)을 유지하기 위한 검파기들의 균질 잡음 환경과 비균질 잡음 환경에서의 성능과 이들 검파기가 다중 펄스 검파 기법을 채용한 경우의 성능에 관한 새로운 연구 결과를 다루고 있다. 그리고 이들의 실시간 신호 검파를 위한 방안으로 각 검파기의 시스토릭 어레이(systolic array) 구조에 관한 연구도 다루고 있다. 특히 관심을 두고 연구한 검파기들은 성능의 우수성으로 최근에 많이 연구가 되고 있는 OS CFAR 검파기, 이것의 변형인 OSGO CFAR 검파기와 OSSO CFAR 검파기, 그리고 본 논문에서 제안한 OSCA CFAR 검파기이다. 이러한 연구 결과들은 크게 나누어 다음과 같은 네 가지로 요약될 수 있다.
첫째, 기존에 제안되었으나 그 성능이 잘 해석되지 않은 OS CFAR 검파기의 변형인 OSGO CFAR와 OSSO CFAR 검파기들의 균질 환경과 비균질 환경에서의 성능을 단일 펄스 검파인 경우에 대하여 해석하였다. OS CFAR 검파기가 지금까지 알려진 CFAR 검파기들 중 우수한 성능을 가지지만 많은 계산량이 요구되므로 실제 레이다 시스템의 적용에 상당한 문제점을 안고 있는 단점을 해결하기 위하여 이들 검파기들이 제안되었다. 그러나 성능 해석 결과는 이들의 성능이 OS CFAR 검파기에 비하여 상당히 좋지않음을 보여주었다. 그러므로 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 새로운 CFAR 검파기인 OSCA CFAR 검파기를 제안하였다. 기준창 (reference window)내의 셀(cell)값들을 크기 순으로 나열하기 위하여 필요한 각 CFAR 검파기들의 계산량을 비교한 결과 OSCA CFAR 검파기는 이것의 간단한 신호처리 구조로 인하여 신호 검파를 위한 시간이 OS CFAR 검파기 신호 검파 시간의 약반이하 정도의 시간만을 필요로 한다. OSCA CFAR 검파기의 성능 해석 결과 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다. OSCA CFAR 검파기는 균질 잡음 환경에서 OS CFAR 검파기보다 우수한 성능을 보인다. 클러터 전력의 크기가 갑자기 변화하는 환경에서는 OSCA CFAR 검파기와 OS CFAR 검파기의 성능은 거의 비슷하다. 그리고 다중 간섭 표적이 존재하는 환경에서는 OSCA CFAR 검파기가 OS CFAR 검파기보다 우수한 성능을 발휘한다. 마지막으로 OSCA CFAR 검파기와 OS CFAR 검파기의 시험셀에 대한 잡음의 크기를 최적으로 예측하기 위한 잡음 크기 추정에 사용되는 변수의 결정 방안을 제시하였다.
둘째, 일반적인 표적 모델인 chi-square 표적에 대한 다중 펄스 검파를 채용한 OSCA CFAR와 OSGO CFAR 검파기들의 성능을 연구하였다. 지금까지 대부분의 연구는 단일 펄스 검파와 스월링(Swerling) II 표적인 경우에 대하여 행해져 왔다. 다중 펄스를 이용한 검파는 실제로 대부분의 레이다에서 검파 성능을 향상시키기 위하여 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 다중 펄스 검파 기법중 가장 많이 사용되고 있는 넌코히어런트 인테그레이션(noncoherent integration) 방법을 채용한 경우에 대하여 연구하였다. Chi-square 표적 모델은 네 가지 스월링 표적 모델을 포함할뿐만 아니라 대부분의 레이다 표적을 이 모델로 근사화하여 나타낼 수가 있다. 연구 결과 넌코히어런트 인테그레이션 기법을 채용한 OSCA CFAR와 OSGO CFAR 검파기들의 검파 확률과 오경보 확률의 정확한 표현 식을 유도하였다. 그리고 이들 CFAR 검-파기들의 성능을 넌코히어런트 인테그레이션을 채용한 OS CFAR 검파기와 비교하였다. 그 결과 본 논문의 첫번째 연구에서와 마찬가지로 OSCA CFAR 검파기가 가장 우수한 성능을 보여 주었고 chi-square 표적의 자유도(degree of freedom)가 커질수록 검파 성능이 좋아짐을 알았다.
셋째, 본 논문의 두번째 연구는 chi-square 표적에서 반사된 레이다 신호간의 상관 관계가 0 또는 1인 경우에 대한 경우였고, 여기서는 두번째 연구를 확장하여 신호간 상관 관계가 0과 1 사이인 경우에 대하여 넌코히어런트 인테그레이션을 채용한 OS CFAR, OSCA CFAR, OSSO CFAR 검파기들의 검파 확률과 오경보 확률의 정확한 표현식을 유도하고 그 성능을 해석하였다. 이것은 실제 레이다 표적들은 0과 1 사이의 다양한 상관 관계를 가지기 때문에 의미있는 연구이다. 성능 해석 결과 각 검파기의 성능은 상관 관계가 0인 경우의 표적에 대한 성능과 상관 관계가 1인 경우의 표적에 대한 성능의 사이가 됨을 알 수 있었다.
넷째, 순서통계에 근거한 CFAR 검파기들의 실시간 검파를 위한 시스토릭 어레이 구조를 제안 하였다. 먼저 OS CFAR 검파기의 시스토릭 어레이 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 단순한 계산을 수행하는 몇 가지 프로세싱 엘리먼트(processing element)들로 구성되어져 있고 각 프로세싱 엘리먼트의 활용도(processor utilization) 는 100%이다. 그리고 이웃 프로세싱 엘리먼트들과의 통신을 위한 연결 링크의 갯수가 적은 구조로 되어있다. 제안한 OS CFAR 검파기를 위한 시스토릭 어레이 구조에 별도의 FIFO와 간단한 새로운 프로세싱 엘리먼트를 부가하여 OSCA CFAR, OSGO CFAR, OSSO CFAR 검파기들을 위한 시스토릭 어레이 구조를 제안하였다.