Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks

Nowadays, a great number of researchers are concerned about aerial targets since they are involved in many aspects of everyday life, such as military issues, including aircrafts and missiles, or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) flying over city centers or airport areas. In this thesis, the design and...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Πολύζος, Κωνσταντίνος
Άλλοι συγγραφείς: Δερματάς, Ευάγγελος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2019
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/11880
id nemertes-10889-11880
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic ATR
BEM
RADAR
Machine learning
Neural networks
Radar cross section
Αυτόματο σύστημα αναγνώρισης
ΜΣΣ
ΡΑΝΤΑΡ
Μηχανική μάθηση
Νευρωνικά δίκτυα
Διατομή ΡΑΝΤΑΡ
621.384 8
spellingShingle ATR
BEM
RADAR
Machine learning
Neural networks
Radar cross section
Αυτόματο σύστημα αναγνώρισης
ΜΣΣ
ΡΑΝΤΑΡ
Μηχανική μάθηση
Νευρωνικά δίκτυα
Διατομή ΡΑΝΤΑΡ
621.384 8
Πολύζος, Κωνσταντίνος
Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
description Nowadays, a great number of researchers are concerned about aerial targets since they are involved in many aspects of everyday life, such as military issues, including aircrafts and missiles, or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) flying over city centers or airport areas. In this thesis, the design and the evaluation of an Automatic Target Recognition (ATR) system which efficiently derives and uses the bistatic radar crosssection (BS-RCS) information is presented. More specifically, the BS-RCS values are extracted using the Boundary Element Method (BEM) implemented in PITHIA software, a simulator that gives us the ability to efficiently compute the RCS at any point of the coordinate system. The discretization of the object surface is carried out also with the PITHIA software, which gives the nodes and elements that are necessary for the BEM. A sphere and spheroid are selected as object targets because of their axisymmetric geometry, which significantly reduces the computational cost and the time necessary for the computation of the BS-RCS value; a perfectly conducting sphere with radius r=0.76 m and a perfectly conducting spheroid with a=0.5 m and b=1.75 m. Afterwards, another spheroid with a=0.25 and b=0.72 is added which makes the classification process a much more difficult task. In our implementation any arbitrary target geometry can be used, such as UAVs, missiles or aircrafts. The angle between the ground and the propagation of electromagnetic plane wave is 2.86 degrees. For each receiver we compute the RCS, which is used for the classification of the targets. Furthermore, we consider 21 different points for each moving target in order to have a satisfactory number of RCS data. All the objects studied in this work are perfectly conducting and thus the radial scattering amplitude is zero. For each of the targets and for each point the RCS is computed for the frequencies: 90 MHz, 250 MHz, 800 MHz, 1.3 GHz. In the classification process, a modified k-means, in combination with k-NN algorithm and an artificial Neural Network (ANN) process both noise-free data and data whose RCS values are corrupted by noise.
author2 Δερματάς, Ευάγγελος
author_facet Δερματάς, Ευάγγελος
Πολύζος, Κωνσταντίνος
format Thesis
author Πολύζος, Κωνσταντίνος
author_sort Πολύζος, Κωνσταντίνος
title Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
title_short Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
title_full Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
title_fullStr Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
title_full_unstemmed Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks
title_sort detection and recognition of aerial targets via radar data processing, machine learning techniques and neural networks
publishDate 2019
url http://hdl.handle.net/10889/11880
work_keys_str_mv AT polyzoskōnstantinos detectionandrecognitionofaerialtargetsviaradardataprocessingmachinelearningtechniquesandneuralnetworks
AT polyzoskōnstantinos entopismoskaianagnōrisēenaeriōnantikeimenōnmeepexergasiadedomenōnradarkaimethodousmēchanikēsmathēsēskaineurōnikōndiktyōn
_version_ 1771297241004244992
spelling nemertes-10889-118802022-09-05T14:02:16Z Detection and recognition of aerial targets via RADAR data processing, machine learning techniques and neural networks Εντοπισμός και αναγνώριση εναέριων αντικειμένων με επεξεργασία δεδομένων RADAR καi μεθόδους μηχανικής μάθησης και νευρωνικών δικτύων Πολύζος, Κωνσταντίνος Δερματάς, Ευάγγελος Δερματάς, Ευάγγελος Κουλουρίδης, Σταύρος Polyzos, Konstantinos ATR BEM RADAR Machine learning Neural networks Radar cross section Αυτόματο σύστημα αναγνώρισης ΜΣΣ ΡΑΝΤΑΡ Μηχανική μάθηση Νευρωνικά δίκτυα Διατομή ΡΑΝΤΑΡ 621.384 8 Nowadays, a great number of researchers are concerned about aerial targets since they are involved in many aspects of everyday life, such as military issues, including aircrafts and missiles, or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) flying over city centers or airport areas. In this thesis, the design and the evaluation of an Automatic Target Recognition (ATR) system which efficiently derives and uses the bistatic radar crosssection (BS-RCS) information is presented. More specifically, the BS-RCS values are extracted using the Boundary Element Method (BEM) implemented in PITHIA software, a simulator that gives us the ability to efficiently compute the RCS at any point of the coordinate system. The discretization of the object surface is carried out also with the PITHIA software, which gives the nodes and elements that are necessary for the BEM. A sphere and spheroid are selected as object targets because of their axisymmetric geometry, which significantly reduces the computational cost and the time necessary for the computation of the BS-RCS value; a perfectly conducting sphere with radius r=0.76 m and a perfectly conducting spheroid with a=0.5 m and b=1.75 m. Afterwards, another spheroid with a=0.25 and b=0.72 is added which makes the classification process a much more difficult task. In our implementation any arbitrary target geometry can be used, such as UAVs, missiles or aircrafts. The angle between the ground and the propagation of electromagnetic plane wave is 2.86 degrees. For each receiver we compute the RCS, which is used for the classification of the targets. Furthermore, we consider 21 different points for each moving target in order to have a satisfactory number of RCS data. All the objects studied in this work are perfectly conducting and thus the radial scattering amplitude is zero. For each of the targets and for each point the RCS is computed for the frequencies: 90 MHz, 250 MHz, 800 MHz, 1.3 GHz. In the classification process, a modified k-means, in combination with k-NN algorithm and an artificial Neural Network (ANN) process both noise-free data and data whose RCS values are corrupted by noise. Στη σύγχρονη εποχή πολλοί ερευνητές δείχνουν αυξανόμενο ενδιαφέρον για εναέρια αντικείμενα διότι αυτά εμπλέκονται σε διάφορες πτυχές της καθημερινής μας ζωής, όπως στρατιωτικά θέματα που περιλαμβάνουν αεροσκάφη ή πυραύλους, μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAVs) που πετάνε πάνω από πόλεις ή αεροδρόμια. Σκοπός της συγκεκριμένης διπλωματικής είναι ο σχεδιασμός και η αξιολόγηση ενός συστήματος αυτόματης αναγνώρισης στόχων (ATR) το οποίο θα εξάγει με αποτελεσματικό τρόπο και θα χρησιμοποιεί τις τιμές BS-RCS που είναι απαραίτητες για την ταξινόμηση των αντικειμένων. Πιο συγκεκριμένα, οι τιμές RCS υπολογίζονται με τη μέθοδο των συνοριακών στοιχείων (ΒΕΜ), η οποία υλοποιείται με το λογισμικό PITHIA που μας δίνει τη δυνατότητα να υπολογίζουμε με αποτελεσματικό τρόπο το RCS σε οποιοδήποτε σημείο του συστήματος συντεταγμένων. Η διακριτοποίηση των επιφανειών των αντικειμένων υλοποιήθηκε επίσης με το λογισμικό Pithia και το αποτέλεσμα αυτής είναι οι κόμβοι και τα στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία της μεθόδου ΒΕΜ. Σαν αντικείμενα/στόχους επιλέγουμε μια σφαίρα και ένα σφαιροειδές λόγω της αξισυμμετρικής τους γεωμετρίας, η οποία ελαττώνει σημαντικά το υπολογιστικό κόστος και το χρόνο υπολογισμού των τιμών RCS. Η σφαίρα είναι τελείως αγώγιμη με ακτίνα ρ=0.76 m και το σφαιροειδές είναι επίσης τελείως αγώγιμο με a=0.5 και b=1.75. Έπειτα προστίθεται και ένα ακόμα σφαιροειδές με a=0.5 και b=0.72, το οποίο έχει ίδιο όγκο και είναι όμοιο με το άλλο σφαιροειδές, με αποτέλεσμα η διαδικασία της ταξινόμησης να γίνεται όλο και πιο δύσκολη. Στην υλοποίηση μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν και πιο πολύπλοκες γεωμετρίες όπως αυτές των UAVs, των αεροσκαφών ή των πυραύλων. Η γωνία μεταξύ του εδάφους και της διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού επίπεδου κύματος είναι 2.86 μοίρες. Για κάθε receiver, υπολογίζουμε το RCS, που χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση των αντικειμένων. Επιπρόσθετα, θεωρούμε 21 διαφορετικά σημεία για κάθε κινούμενο αντικείμενο προκειμένου να έχουμε επαρκή δεδομένα RCS για την ταξινόμηση. Επειδή τα αντικείμενα μας είναι τελείως αγώγιμα, το ακτινικό scattering amplitude είναι ίσο με 0. Για κάθε στόχο και για κάθε σημείο το RCS υπολογίζεται για τις συχνότητες: 90 92 MHz, 250 MHz, 800 MHz, 1.3 GHz. Για τη διαδικασία της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν ένας τροποποιημένος αλγόριθμος k-means και Νευρωνικό Δίκτυο για περιπτώσεις όπου τα δεδομένα μας δεν έχουν θόρυβο αλλά και για περιπτώσεις όπου υπάρχει θόρυβος. 2019-02-01T18:11:40Z 2019-02-01T18:11:40Z 2018-10-05 Thesis http://hdl.handle.net/10889/11880 en 0 application/pdf