RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Algoritmi Innovativi per la Rivelazione ed il Tracking in ambito Radar

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Marco LOPS

Descrizione

Il compito di questa Unità di Ricerca (UR) sarà focalizzato sullo sviluppo e l'analisi di algoritmi di elaborazione del segnale per strategie di tipo track-before-detect e di rivelazione sequenziale per la rivelazione ed il tracking di bersagli radar. L'enfasi sarà essenzialmente sulla sintesi e l'analisi delle strategie ottime di rivelazione e, poi, in un secondo momento, sullo sviluppo di strategie semplificate a ridotta complessità che possano essere realizzabili in un orizzonte temporale di medio termine. Al riguardo, si noti che questa UR beneficia della collaborazione con ricercatori di una prestigiosa industria attiva nel settore radar, a testimonianza del fatto che indubbiamente ci si vuole focalizzare perlopiù sulla ricerca di base nel settore radar, ma che tuttavia non si vuole perdere d'occhio il collegamento col mondo dell'industria e la possibilità di un'implementazione pratica degli algoritmi proposti. Con riferimento alla suddivisione del progetto in workpackage (vedi modello A compilato dal coordinatore nazionale), questa UR parteciperà al workpackage 2 ed al workpackage 3. Con riferimento al track-before-detect, è già stato evidenziato come l'applicazione di tale strategia allo scenario radar non sia stata sinora considerata con sufficiente attenzione. L'attività di questa UR sarà quindi quella di concentrarsi su tale scenario. In particolare, dopo una prima fase di studio approfondito della letteratura, ci si concentrerà sullo sviluppo di un modello del segnale che tenga conto ad esempio della velocità di rotazione dell'antenna , dell'ampiezza del fascio, della massima velocità ammissibile per i bersagli da rivelare, della massima distanza in range da sorvegliare, etc. Si procederà quindi allo sviluppo di algoritmi di rivelazione track-before-detect, assumendo in fase di sintesi i comuni modelli di fluttuazione del bersaglio. In particolare, in tale ambito, si procederà alla sintesi e all'analisi degli algoritmi ottimi di rivelazione, senza badare, in questa fase, alla loro complessità, in modo da poter stabilire le prestazioni limite ottenibili con la strategia track-before-detect. Verrà considerato sia il caso ideale che l'unico disturbo presente sia il rumore termico della catena ricevente, sia il caso, di maggior interesse pratico, che siano presenti clutter e/o segnali interferenti. In tale ambito, appare particolarmente promettente l'idea di integrare tecniche di tipo STAP con la metodologia track-before-detect. Si noti che tale integrazione permette di inserire un ulteriore grado di libertà nel sistema, in quanto gli echi ricevuti possono essere distinti non solo in base alla loro direzione di arrivo e frequenza doppler, ma anche in base all'evoluzione delle loro traiettorie. Al fine di realizzare questa integrazione, una prima semplice soluzione è quella di utilizzare gli attuali algoritmi di track-before-detect come sistemi di post-elaborazione del segnale che lavorano a valle di un blocco di STAP classico. Tale soluzione, sebbene valida, ha lo svantaggio che la correlazione temporale dei ritorni viene sfruttata solo per effettuare la rivelazione ed il tracking congiunto dei bersagli, ma non all'interno del blocco di STAP per combattere in maniera adattativa i disturbi esterni. Quello che si propone di fare è sia di esplorare la suddetta strategia a bassa complessità, sia di affrontare in maniera congiunta il problema della rivelazione, del tracking, e dell'adattività del sistema rispetto a disturbi esterni. Possibili e ulteriori linee di ricerca in tale contesto sono dunque le seguenti. (a) Sfruttare non solo la correlazione spaziale ma anche quella temporale per stimare le proprietà di retro-diffusione dell'ambiente circostante in modo da garantire il vincolo CFAR (Costant-False Alarm-Rate). L'idea è quella di costruire degli stimatori del rumore di fondo che, cella per cella, tengano conto non solo dei ritorni spazialmente adiacenti, ma anche dei ritorni temporalmente adiacenti, basandosi sulla realistica ipotesi che le proprietà dell'ambiente esterno rimangono costanti sia in regioni spaziali adiacenti che in istanti temporali successivi. Si può, inoltre, pensare di aggiornare ad ogni scansione la stima del rumore di fondo adattativamente non solo in base ai nuovi dati osservati, ma anche in base ai dati precedenti. (b) Sviluppare algoritmi che non ricalcolino da zero le direzioni di arrivo e la frequenza doppler dei jammer ad ogni scansione, ma tengano opportunamente conto sia dei valori ottenuti nelle scansioni precedenti sia dei nuovi dati acquisiti, sia, eventualmente, anche delle scansioni successive (laddove possa essere tollerato un breve ritardo di elaborazione). (c) Sviluppare criteri per riconoscere la presenza di clutter e/o di falsi bersagli che sfruttino non solo le informazioni relative alla frequenza doppler e/o la direzione di arrivo del segnale (ad esempio è prassi comune scartare nei radar di terra tutti i ritorni a doppler nulla), ma anche la struttura spaziale delle tracce a cui essi danno luogo; ad esempio, è lecito ritenere che clutter e/o falsi bersagli generino tracce fortemente irregolari e frastagliate: queste tracce possono essere facilmente riconosciute e, dunque, eliminate. (d) Per risolvere il problema della possibile generazione di tracce multiple da parte di un unico bersaglio, è necessario sviluppare algoritmi di post-processing che siano in grado di riconoscere la presenza di tracce fra loro simili e che, dunque, debbano essere associate ad un unico bersaglio. Una possibile soluzione potrebbe essere, ad esempio, quella di definire sul piano delle traiettorie un'opportuna funzione di costo, una sorta di "distanza", che fornisca una misura della similarità fra due tracce distinte. La scelta della giusta funzione di costo è ovviamente critica e dovrà tener conto di parametri quali la metrica associata alle tracce, il numero di stati in comune, la loro forma, etc. (e) Un ulteriore campo di indagine è quello dello studio e della definizione delle transizioni ammissibili del bersaglio fra due osservazioni successive. Una possibilità è, infatti, fissare la massima velocità di progetto del bersaglio ed, in base ad essa, costruire la corrispondente maschera delle possibili transizioni da utilizzare nell'algoritmo. Tale maschera può essere, però, spesso eccessiva: si noti, infatti, che molte transizioni, sebbene in teoria possibili, porterebbero ad avere traiettorie fortemente irregolari (con spigoli accentuati o brusche deviazioni) e sono dunque poco realistiche, dato che, in genere, i bersagli radar mantengono traiettorie molto regolari, almeno su intervalli temporali paragonabili al tempo di integrazione. Inoltre, nel caso di radar non ambigui in frequenza, la maschera delle possibili transizioni, può essere ulteriormente ristretta in funzione della frequenza doppler candidata che si sta considerando e, naturalmente, in base alla massima accelerazione ammissibile (che è un dato del problema). Ridurre al minimo l'insieme delle transizioni ammissibili è fondamentale per velocizzare l'algoritmo di tracking. Con riferimento alle problematiche di complessità, è opportuno sottolineare che l'UR si concentrerà anche sullo sviluppo di versioni subottime a bassa complessità degli algoritmi proposti. In tale ambito, si può anticipare che una possibile strada è l'applicazione dell'algoritmo di Viterbi, come pure il ricorso all'uso di statistiche quantizzate. In fase di analisi delle prestazioni si procederà ad un'attenta valutazione delle perdite che la quantizzazione introduce, in funzione del tasso di quantizzazione. Dal momento che l'UR del coordinatore nazionale di questo progetto si occuperà della rivelazione di bersagli distribuiti (ovvero che occupano più celle radar contemporaneamente), un interessante aspetto è cercare di capire in che modo le metodologie track-before-detect possano adattarsi al caso che il bersaglio da rivelare non sia puntiforme. In collaborazione con i ricercatori dell'UR del coordinatore nazionale verrà quindi affrontato anche tale problema. Con riferimento, invece, alle tecniche di rivelazione sequenziale, si è gia detto come la totalità dei lavori presenti in letteratura assumano che il bersaglio da rivelare non cambi cella durante il TOT. Tale ipotesi non risulta essere ragionevole quando il TOT medio è elevato (come accade nel caso si vogliano rivelare con buona affidabilità bersagli lontani), oppure quando la velocità relativa tra bersaglio e radar è elevata (come accade tipicamente in applicazioni militari). Scopo dell'UR è quindi quello di ricavare algoritmi di rivelazione sequenziale non dipendenti dall'ipotesi di persistenza del bersaglio in un'unica cella. Se quindi si assume che il bersaglio possa cambiare cella durante il test, si deve necessariamente portare in conto la totalità delle traiettorie che il bersaglio può seguire, a partire dalla cella inizialmente sotto test, durante il TOT. Al riguardo, ci si aspetta che molte delle metodologie sviluppate con riferimento al track-before-detect possano essere impiegate anche in questo ambito. Infatti, una volta posto un limite alla massima velocità cui si è interessati in fase di progetto, automaticamente viene posto un limite alle traiettorie, e quindi alle transizioni, che un bersaglio può compiere durante il test. E' naturale aspettarsi che gli algoritmi di rivelazione sequenziale che verranno proposti, forniranno, come risultato collaterale, anche una stima della traiettoria seguita dal bersaglio, ragion per cui è corretto affermare che questa UR produrrà algoritmi sequenziali per la rivelazione ed il tracking di bersagli radar. Saranno considerati vari modelli di fluttuazione del bersaglio e, inoltre, sarà considerato sia il caso che il disturbo sia esclusivamente di natura termica, sia il caso che siano presenti nella scena interferenti esterni e sorgenti di clutter. Anche in questo caso si studierà come giungere a statistiche di tipo CFAR. Le prestazioni degli algoritmi proposti saranno accuratamente valutate sia mediante sviluppi analitici, ove possibile, sia mediante simulazioni numeriche al calcolatore. Sarà inoltre anche considerata la possibilità di testare gli algorimi proposti su dati radar reali. ***************** Risultati attesi dopo 8 mesi (Fase 1): I primi 8 mesi saranno dedicati ad uno studio approfondito della letteratura sull'applicazione delle tecniche track-before-detect e di rivelazione sequenziale al radar. Verrà formulato il modello del segnale che tiene conto di fattori quali l'ampiezza del fascio a 3dB dell'antenna, la velocità di rotazione dell'antenna, la massima velocità di progetto del bersaglio da rivelare, etc. Saranno sintetizzate le strategie di rivelazione di tipo track-before-detect e di rivelazione sequenziale per il caso che il disturbo sia costituito da solo rumore termico. Sarà affrontato il problema della ricerca di strategie di rivelazione a bassa complessità basate sull'algoritmo di Viterbi e sull'uso di statistiche quantizzate. Risultati attesi dopo 16 mesi (Fase 2): Al termine di questa fase, che coinciderà con la conclusione del workpackage 2, si sarà esaminata la possibilità di integrare tecniche di tipo STAP con la strategia track-before-detect. Ci si aspetta quindi che dopo 16 mesi siano disponibili algoritmi track-before-detect e di rivelazione sequenziale capaci di garantire la proprietà CFAR e resistenti ad interferenti esterni e a ritorni di clutter. Saranno inoltre indicate metodologie per trattare il caso che si presentino bersagli multipli nel dominio di ricerca del radar, e sarà presa in esame la possibilità di applicare tecniche di tipo track-before-detect e di rivelazione sequenziale al problema della rivelazione di bersagli distribuiti. Risultati attesi dopo 24 mesi (Fase 3): Nella fase 3 del progetto (dedicata al workpackage 3) ci si dedicherà essenzialmente alla valutazione comparativa delle prestazioni dei vari algoritmi di rivelazione sviluppati nei primi 16 mesi del progetto. L'analisi delle prestazioni avverrà, ove possibile, in forma analitica, anche mediante l'uitlizzo di tecniche asintotiche quali ad esempio la teoria generalizzata dei valori estremi, e, anche, mediante simulazioni numeriche al calcolatore. Al riguardo, sarà prodotto del software per la simulazione e l'analisi comparativa dei vari algoritmi proposti. In tale fase si procederà, in collaborazione con i ricercatori della già citata industria che afferiscono a questa unità, alla preparazione di un dimostratore, mediante programmazione di una scheda DSP per l'implementazione di alcuni degli algoritmi proposti. ********************** Deliverables del progetto Essendo il progetto incentrato essenzialmente sulla ricerca di base in ambito radar, i prodotti di tale progetto di ricerca consisteranno in articoli scientifici pubblicati su riviste internazionali soggette a revisione e su atti di conferenze internazionali. Inoltre, sarà prodotto del software per la simulazione ed il calcolo numerico delle prestazioni degli algoritmi proposti. Sarà infine prodotto il codice di programmazione di una scheda DSP per l'implementazione di alcuni degli algoritmi proposti.