Diseño de arreglos y procesamiento de señales en un sistema de radar

Abstract

El radar es un sistema de sensado remoto que utiliza técnicas de procesamiento estadístico de señales para obtener información de interés de la señal recibida. Una de las dificultades que se encuentra en los radares es que la señal recibida suele ser débil debido a la gran distancia entre el radar y los objetos. Por lo cual, el sistema debe ser capaz de operar en condiciones de baja relación de señal a ruido. Otro problema importante consiste en que la señal de interés suele encontrarse obscurecida por la reflexiones producidas por el ambiente y por la posible existencia de señales de interferencia. Con el avance de la tecnología, la tendencia en la construcción de radares es reemplazar los sistemas mecánicos de orientación del haz por sistemas electrónicos basados en arreglos de antenas. La cantidad de antenas del arreglo y su geometría determinan la resolución angular y la capacidad de filtrar espacialmente señales no deseadas. Por otro lado, la complejidad y el costo de un arreglo de antenas crece con el número de elementos. Por lo tanto, un diseño debe considerar en maximizar el desempeño del arreglo sin incrementar el número de sensores. Para afrontar estos desafíos, buscando maximizar el desempeño del sistema de radar, en esta tesis se analizan sus diferentes componentes y se desarrollan métodos para el diseño de arreglos de sensores y procesamiento de señales de radar en el marco de formulaciones ralas. En primer lugar se considera el diseño de arreglos robustos, definiendo qué tipo de configuración espacial de los elementos del arreglo de sensores es óptima para maximizar el desempeño en la estimación de señales y minimizar el número de elementos. Se analizan diferentes configuraciones clásicas y se optimizan mediante algoritmos genéticos en base a restricciones relacionadas con formulaciones ralas. En segundo lugar se realiza un análisis del desempeño de clases de algoritmos basados en formulaciones ralas para arreglos de sensores. Con él se busca saber qué tipo de algoritmos resultan eficaces para permitir una buena estimación tanto de la dirección de arribo de la señal de interés como de la información transmitida por ella en un escenario con fuertes interferencias. Finalmente, debido a la gran cantidad de datos que manejan estos sistemas de tiempo real, se desean optimizar los tiempos de cómputo de los algoritmos de estimación aprovechando la raleza intrínseca de las señales de radar. Para ello se desarrollan métodos basados en modelos ralos para reducir significativamente, respecto de sistemas convencionales, la cantidad necesaria de datos y adicionalmente reducir el error de estimación.