Radars operating at sea encounter a common phenomenon known as sea clutter, characterized by undesired reflections originating from the sea surface. This phenomenon can significantly impair the radar’s capacity to detect small, slow-moving targets. Therefore, it is crucial to gain a comprehensive understanding of the statistical attributes that describes the sea clutter. This comprehension is pivotal for the development of efficient signal processing strategies. The core of this work revolves around the imperative requirement for accurate statistical models to characterize sea clutter. Within this context, this work particularly explores the application of Field’s model. Field’s model describes the sea clutter process using three stochastic differential equations that form the dynamical process of the complex reflectivity of the sea surface. One equation describes the radar cross section, which is given by a Cox-Ingersoll-Ross process, parameterized by the parameters A and α. The other equations describe the speckle process, which is a complex Ornstein-Uhlenbeck process parameterized by B. The aim of this thesis is to explore the possibilities in estimating the parameters A, α and B in Field’s model through the application of Bayesian inference. To achieve this objective, Metropolis-Hastings and Sequential Monte Carlo methods are employed. The clutter data, represented by the complex reflectivity, is synthetically generated by using the Euler-Maruyma and Milstein schemes. Three algorithms are designed for estimating the sea clutter parameters. Two algorithms require 300 seconds of data and are based on the approach suggested by Clement Roussel in his PhD thesis [1]. Specifically, these algorithms employ the Metropolis-Hastings method for estimating A, α and B, respectively. As input data to the algorithms, estimators of the Cox-Ingersoll-Ross process and the real part of the Ornstein-Uhlenbeck process are utilized. In contrast, the last algorithm describes an approach that employs only 3 seconds of data. This algorithm is a Metropolis-Hastings method that incorporates a particle filter for approximation of likelihoods. For evaluation of the algorithms, two distinct sets of parameters are considered, leading to varying characteristics of the complex reflectivity. The two algorithms that require 300 seconds of data are ex- ecuted ten times for each parameter set. Evidently, the algorithm designed for estimating B generates values that closely aligns with the true values while the algorithm designed for estimating A and α does not yield as satisfactory results. Due to time constraints and the computational demands of the simulations, the last algorithm, requiring 3 seconds of data, is executed only twice for each parameter set. Remarkably, this algorithm generates estimates that agree with the true values, indicating strong performance. Nonetheless, additional simulations are required to conclusively confirm its robustness. To conclude, it is possible to estimate sea clutter parameters within Field’s model by using the applied methods of Bayesian inference. However, it is important to analyze the applicability of these methods for a large quantity of diverse clutter data. Moreover, their computational demands pose challenges in real-world applications. Future research should address the need for more computation- ally efficient methods to overcome this challenge. / Radar som verkar till havs behöver hantera ett fenomen som kallas för sjöklutter, vilket är oönskade reflektioner från havsytan. Detta fenomen kan avsevärt försämra radarns förmåga att upptäcka långsamt rörliga mål. Det är därför viktigt att erhålla en förståelse för den statistik som beskriver sjökluttret. Denna förståelse är avgörande för utvecklingen av effektiva signalbehandlingsstrategier. Detta arbete fokuserar på den viktiga aspekten av att använda korrekta statistiska modeller för att beskriva sjöklutter. Specifikt undersöker detta arbete Field’s modell, som beskriver den komplexa reflektiviteten från havsytan med hjälp av tre stokastiska differentialekvationer. En ekvation beskriver radarmålarean (radar cross section) som är en Cox-Ingersoll-Ross-process, parametriserad av A och α. De andra ekvationerna beskriver speckle-processen som är en komplex Ornstein-Uhlenbeck-process, parametriserad av B. Syftet med denna uppsats är att utforska möjligheter för att estimera parametrarna A, α och B i Field’s modell genom tillämpning av Bayesiansk inferens. För att uppnå detta, används Metropolis-Hastings-algoritmer samt sekventiella Monte-Carlo- metoder. Klotterdatan som representeras av den komplexa reflektiviteten genereras med hjälp av Euler-Maruyma- och Milstein-scheman. Sammanlagt designas tre algoritmer för att estimera sjöklutter- parametrarna. Två algoritmer behöver 300 sekunder av data och är baserade på tidigare arbeten av C. Rousell [1]. Dessa algoritmer använder Metropolis-Hastings för att uppskata B, respektive A och α. Som indata till algoritmerna används estimatorer för Cox-Ingersoll-Ross-processen samt den reella delen av Ornstein-Uhlenbeck-processen. Den sista algoritmen beskriver istället ett tillvägagångssätt som endast kräver 3 sekunders data. Denna algoritm är en Metropolis-Hastings-algoritm som använder ett partikelfilter för approximering av likelihoods. För utvärdering av algoritmerna beaktas två olika parameteruppsättningar, vilka genererar olika komplexa reflektiviteter. De två algoritmerna som kräver 300 sekunder av data körs tio gånger för varje parameteruppsättning. Algoritmen designad för att uppskatta B genererar värden som är nära de sanna värdena medan algoritmen designad för att uppskatta A och α inte ger lika tillfredsställande resultat. På grund av tidsbrist och den långa simuleringstiden, körs den sista algoritmen, som kräver 3 sekunder av data, endast två gånger för varje parameteruppsättning. Anmärkningsvärt är att denna algoritm genererar uppskattningar som faktiskt stämmer ganska väl med de sanna värdena, vilket indikerar på stark prestanda. Dock krävs ytterligare simuleringar för att bekräfta detta. Sammanfattningsvis är det möjligt att uppskatta sjöklutterparametrarna i Field’s model med de Bayesianska inferensmetoderna som tillämpas i detta arbete. Det är dock viktigt att beakta hur användbara dessa metoder är för en variation av klotterdata. Dessutom innebär den långa beräkningstiden utmaningar i verkliga tillämpningar. Framtida studier bör adressera behovet av mer beräkningsmässigt effektiva metoder för att övervinna denna utmaning.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-346705 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Öijar Jansson, Emma |
| Publisher | KTH, Matematik (Avd.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2023:459 |
Page generated in 0.0134 seconds