[论文解读] Optimization of Radar Parameters for Maximum Detection Probability Under Generalized Discrete Clutter Conditions Using Stochastic Geometry

Shobha Sundar Ram, Gaurav Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2021

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 55被引用 26

一句话总结

该论文提出了一种基于随机几何的分析框架，用于在广义离散杂波条件下优化雷达检测概率，将杂波散射体建模为泊松点过程，并使用威布尔分布对雷达散射截面进行建模。主要贡献在于推导出雷达检测覆盖概率（PDC），并分析优化带宽和发射功率以最大化检测性能，通过FDTD和蒙特卡洛仿真进行了验证。

ABSTRACT

We propose an analytical framework based on stochastic geometry (SG) formulations to estimate a radar's detection performance under generalized discrete clutter conditions. We model the spatial distribution of discrete clutter scatterers as a homogeneous Poisson point process and the radar cross-section of each extended scatterer as a random variable of the Weibull distribution. Using this framework, we derive a metric called the radar detection coverage probability as a function of radar parameters such as transmitted power, system noise temperature and radar bandwidth; and clutter parameters such as clutter density and mean clutter cross-section. We derive the optimum radar bandwidth for maximizing this metric under noisy and cluttered conditions. We also derive the peak transmitted power beyond which there will be no discernible improvement in radar detection performance due to clutter limited conditions. When both transmitted power and bandwidth are fixed, we show how the detection threshold can be optimized for best performance. We experimentally validate the SG results with a hybrid of Monte Carlo and full wave electromagnetic solver based simulations using finite difference time domain (FDTD) techniques.

研究动机与目标

• 开发一种适用于广义离散杂波条件下的雷达检测性能分析框架。
• 将杂波散射体的空间分布建模为齐次泊松点过程，并使用威布尔分布对雷达散射截面进行建模，以增强一般性。
• 推导出作为雷达与杂波参数函数的雷达检测覆盖概率（PDC）度量。
• 在存在噪声和杂波的条件下，通过分析表达式优化雷达带宽和发射功率，以最大化PDC。
• 通过结合有限差分时间域（FDTD）电磁求解器与蒙特卡洛方法的混合仿真方法验证分析结果。

提出的方法

• 将离散杂波散射体的空间分布建模为齐次泊松点过程。
• 将每个散射体的雷达散射截面（RCS）表示为威布尔分布的随机变量。
• 利用随机几何工具推导信噪比与杂波比（SCNR）。
• 将雷达检测覆盖概率（PDC）表述为SCNR超过某一阈值的概率。
• 利用从PDC度量中推导出的解析表达式，对雷达参数（带宽、发射功率、检测阈值）进行优化。
• 通过结合有限差分时间域（FDTD）电磁求解器与蒙特卡洛方法的混合仿真方法验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在噪声与杂波共同限制的条件下，使检测覆盖概率（PDC）最大化的最优雷达带宽是什么？
• RQ2 在何种发射功率水平下，雷达检测性能会因杂波限制而趋于饱和？
• RQ3 对于固定的发射功率和带宽，检测阈值γ应如何调整才能使PDC最大化？
• RQ4 杂波密度ρ和平均杂波RCS σcavg的变化如何影响PDC和最优带宽？
• RQ5 威布尔形状参数α在多大程度上影响最优雷达带宽和检测性能？

主要发现

• 通过解析推导得到了使PDC最大化的最优雷达带宽，其依赖于目标距离、杂波密度和威布尔形状参数α。
• 在固定发射功率下，当功率达到某一峰值后，检测性能趋于饱和，此后进一步增加功率不再带来明显改善，这是由于杂波限制所致。
• PDC随带宽增加而提升，直至达到最优值，之后因噪声增加导致性能下降，证实了杂波抑制与信噪比损失之间的权衡。
• 当平均杂波RCS（σcavg）较高时，最优带宽与杂波分布类型（如指数分布与瑞利分布）无关，如在α = 1和α = 2时最优带宽趋于一致。
• 检测阈值γ必须随目标距离增加而自适应降低，以补偿路径损耗，且对于更高带宽，需采用更低的γ以维持最优PDC。
• 所推导的PDC度量综合考虑了目标RCS的多样性、路径损耗、杂波密度和平均杂波RCS，为广义杂波条件下的性能提供了一个全面的度量。