Parameter Estimation of LPI Radar in Noisy Environments using Convolutional Neural Networks

Low-probability-of-intercept (LPI) radars are notoriously difficult for electronic support receivers to detect and identify due to their changing radar parameters and low power. Previous work has been done to create autonomous methods that can estimate the parameters of some LPI radar signals, utilizing methods outside of Deep Learning. Designs using the Wigner-Ville Distribution in combination with the Hough and the Radon transform have shown some success. However, these methods lack full autonomous operation, require intermediary steps, and fail to operate in too low Signal-to-Noise ratios (SNR). An alternative method is presented here, utilizing Convolutional Neural Networks, with images created by the Smoothed-Pseudo Wigner-Ville Distribution (SPWVD), to extract parameters. Multiple common LPI modulations are studied, frequency modulated continuous wave (FMWC), Frank code and, Costas sequences. Five Convolutional Neural Networks (CNNs) of different sizes and layouts are implemented to monitor estimation performance, inference time, and their relationship. Depending on how the parameters are represented, either with continuous values or discrete, they are estimated through different methods, either regression or classification. Performance for the networks’ estimations are presented, but also their inference times and potential maximum throughput of images. The results indicate good performance for the largest networks, across most variables estimated and over a wide range of SNR levels, with decaying performance as network size decreases. The largest network achieves a standard deviation for the estimation errors of, at most, 6%, for the regression variables in the FMCW and the Frank modulations. For the parameters estimated through classification, accuracy is at least 56% over all modulations. As network size decreases, so does the inference time. The smallest network achieves a throughput of about 61000 images per second, while the largest achieves 2600.

Low-Probability-of-Intercept (LPI) radar är designad för att vara svåra att upptäcka och identifiera. En LPI radar uppnår detta genom att använda en låg effekt samt ändra något hos radarsignalen över tid, vanligtvis frekvens eller fas. Estimering av parametrarna hos vissa typer av LPI radar har gjorts förut, med andra metoder än djupinlärning. De metoderna har använt sig av Wigner-Ville Distributionen tillsammans med Hough och Radon transformer för att extrahera parametrar. Nackdelarna med dessa är framför allt att de inte fungerar fullständigt i för höga brusnivåer utan blir opålitliga i deras estimeringar. Utöver det kräver de också visst manuellt arbete, t.ex. i form av att sätta tröskelvärden. Här presenteras istället en metod som använder faltningsnätverk tillsammans med bilder som genererats genom Smoothed- Pseudo Wigner-Ville Distributionen, för att estimera parametrarna hos LPI radar. Vanligt förekommande LPI-modulationer studeras, som frequency modulated continuous wave (FMCW), Frank-koder och Costas-sekvenser. Fem faltningsnätverk av olika storlek implementeras, för att kunna studera prestandan, analystiden per bild, och deras förhållande till varandra. Beroende på hur parametrarna representeras, antingen med kontinuerliga värden eller diskreta värden, estimeras de med olika metoder, antingen regression eller klassificering. Prestanda för nätverkens estimeringar presenteras, men också deras analystid och potentiella maximala genomströmning av bilder. Testen för parameterestimering visar på god prestanda, speciellt för de större nätverken som studerats. För det största nätverket är standardavvikelsen på estimeringsfelen som mest 6%, för FMCW- och Frank-modulationerna. För alla parametrar som estimeras genom klassificering uppnås som minst 56% precision för det största nätverket. Även i testerna för analystid är nätverksstorlek relevant. När storleken minskar, går antalet beräkningar som behöver göras ned, och bilderna behandlas snabbare. Det minsta nätverket kan analysera ungefär 61000 bilder per sekund, medan det största uppnår ungefär 2600 per sekund.