Multiple Input Multiple Output (MIMO) Radar Detection of Moving Targets on the Ocean Surface

Abstract

A navy ship must be able to accurately detect closely spaced surface targets in a cluttered environment for collision avoidance as well as to combat threats such as fast attack craft or submarine periscopes. Detecting surface targets becomes increasingly difficult when there are multiple threats inbound from different bearings or when a higher sea state is present. Current technology used in many navies around the world for surface target detection is an active phased array radar or a navigation radar. MIMO radar differs from current technology by using orthogonal waveforms on transmission which allows it to form a virtual array and conduct beamforming on reception. These differences introduce many advantages, but also some critical design considerations. This thesis evaluates the performance of a naval radar in a cluttered environment using both a conventional phased array radar and a MIMO radar. A Simulink-based simulation model as well as a prototype MIMO radar system were designed and developed to measure returns from surface targets. Using these models, MIMO beamforming theory is validated and compared with a phased array radar. The effects of Doppler induced by moving targets on a MIMO radar over a longer coherent processing interval is also examined, highlighting the importance of selecting the operating frequency of the radar and the necessary design considerations that must be considered for detecting a target with radial velocity. A MIMO radar can search an entire area in only a few simultaneous orthogonal pulses and can provide the same or better level of accuracy than a phased array radar while providing a greater refresh rate. The experimental and simulation results show that a MIMO radar can augment or replace a phased array radar in detecting surface targets on the ocean.

Un navire de la marine doit être en mesure de détecter avec précision des cibles de surface rapprochées dans un environnement encombré pour éviter les collisions et lutter contre les menaces telles que les engins d'attaque rapide ou les périscopes sous-marins. La détection des cibles de surface devient plus difficile quand il y a plusieurs menaces entrantes provenant de différents paliers ou quand la mer est trop agitée. La technologie actuelle utilisée dans de nombreuses marines au monde pour la détection de cibles de surface est le radar à balayage électronique actif ou le radar de navigation à rotation mécanique. Le radar MIMO diffère de la technologie actuelle en utilisant des formes d'ondes orthogonales en transmission qui lui permettent de former un réseau virtuel à formation de faisceaux en réception. Ces différences présentent de nombreux avantages, mais aussi des considérations de conception critiques. Cette thèse permet d’évaluer les performances d'un radar naval dans un environnement encombré à l'aide à la fois d'un radar conventionnel à balayage électronique et d'un radar MIMO. Un modèle de simulation basé sur le logiciel Simulink ainsi qu’un bon d’essai expérimental ont été conçus et développés pour acquérir des cibles de surface marine. En utilisant ces modèles, la théorie de la formation de faisceau MIMO est validée et comparée à un radar à balayage électronique. La détection d’une cible mobile et l’effet Doppler qui en résulte sont également examinés, soulignant l'importance de sélectionner la fréquence de fonctionnement du radar et les considérations de conception nécessaires pour détecter une cible à vitesse radiale. Un radar MIMO peut rechercher une zone entière en transmettant seulement quelques impulsions orthogonales simultanées et peut fournir un niveau de précision et taux de rafraîchissement meilleur qu'un radar à balayage électronique. Les résultats expérimentaux et de simulation montrent qu'un radar MIMO peut augmenter ou remplacer un radar à balayage électronique pour détecter des cibles de surface sur l'océan.