TELKOM NIKA , Vol.13, No .2, June 20 15 , pp. 624 ~ 6 3 1   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i2.1189        624     Re cei v ed  No vem ber 2 8 , 2014; Re vi sed  March 3, 201 5; Acce pted  March 27, 20 15   Object Detector on Coastal Surveillance Radar Using  Two-Dimensional Order-Statistic Constant-False Alarm  Rate Algoritm      Da y a t Kurni a w a n*, Pur w oko Adhi, Ar ief Sur y adi  Sat y a w a n , Iqb a l Sy amsu, T e guh Praludi   Rese arch Ce nter F o r Electron ics and T e leco mm unicati on, Indo nesi an Insti t ute of Science   Kampus LIPI, Jl. Sangkur ia ng,  GD. 20, Bandung 4 0 1 35, Ind ones ia   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : da ysdk6 3 @g mail.com       A b st r a ct   T h is pa per d e s c ribes th e dev elo p m ent of ra dar o b ject d e te ction usi ng tw o  di mens io nal c onstant   false a l ar m rat e  (2D-CF AR).  Objective  of thi s  deve l op m ent  is to mini mi z e   nois e  detecti on  if compar ed w i th   the previ ous al gorith m  that  us es one di mens ion a l consta nt false alar m rat e  (1D-CF AR) a l gorit hm suc h  as   order-statistic ( O S) CF AR, cell-aver ag ing ( C A) CF AR , AND log i c (AND)  CF AR an d var i abi lity i ndex ( V I)   CF AR w here h a s bee n i m p l e m e n ted o n  coa s tal survei lla nc e radar. T he o p timu m detecti on resu lt in coa s ta l   surveil l a n ce ra dar testin g w h e n  Pfa set to 1e- 2, K th  set to 3/4*Nw ind o w  and  Guard Ce ll set  to 0. Princip l of  2D-CF A R al go rithm is co mbin ing of tw o CF AR alg o rith ms fo r each array d a t a of a z i m uth a nd ran ge. Orde statistic (OS) C F AR algorit m i s  imp l e m e n ted  on this 2D-CF A R by fusion r u le of AND lo gi c.T he algor ith m  of   2D-CF A is d e vel ope usin g Micros oft Vi sual  C+ +  20 08  an d the  o u tp ut of 2 D -CF A R is  plotte d o n  PPI   scope r a d a r us ing GDI+  l i brar y. T he resu lt o f  2D-C F A de velo p m ent s h o w s that 2D-CF A R can   min i mi ze   nois e  d e tected  if co mp ared   w i th 1D-CF A R  w i th the  sa me  para m eter of  CF AR. Best p e rformanc e of  2D- CF AR in  o b ject  detecti on  w h e n  Nw in dow  set  to 1 28.  T h e ti me  of s o ftw are proc essin g   of  2D-CF A is a b out  tw o times lon g e r than the 1 D - C F A R.     Ke y w ords : Object Detectio n, Noise E n vironm ent, OS-CFA R, 2D-CFAR       1. Introduc tion  Obje ct o r  ta rget dete c tion  in  noi se  en vir onme n t is very im port ant p r obl em  in rada system. On techni que to  detect of obj ect in noi se   environ ment i s  u s ing  con s t ant false al arm  rate (CFAR).  This  detec tion refers  to  a c o mm on form of ada ptive algorithm  used in rad a system s to d e tect target return s a gain s t a ba ckgr o u n d  of noi se,  cl utter an d inte rfere n ce [1]. Cell   averag e (CA )   and   o r de r statistic (OS) CFAR  ha s b een i m plem e n ted o n   coa s tal su rveillan c rada r wh ere has be en test ed in Tanjun g  Pasir B each locate d in Banten Province , Indonesia a nd  the result as  sho w n o n  Fig u re 1.            (a) C A- CFA R     (b)OS-CFAR    Figure 1. Ech o  sign al of ob ject and n o ise plotted on  PPI scope   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Object Detector on Coastal  Surveill ance  Rada r Using Two-Dim e nsi onal .... (Dayat Kurniawan)  625 The optimum   re sult of  co astal ra dar  d e te ction   in range   1 NM  (Na u tical   Mil e ) wh en  Nwi ndo set  to 64, Pfa  set  to 1e -2  but n o ise  si gnal  f r om surrou ndi ng a r ea  is stil l dete c ted.  CA- CFAR ha s g ood  perfo rma n ce  on  hom o geno us env ironment and   the  oth e r han OS-CFA R ha good p e rfo r m ance on non  homog eno us  environ ment  and multiple t a rget s [1]-[6]. Figure 2  sho w the performa c e dete c tion  of the CA and OS  CFAR algoritm whe r e have been  impleme n ted on  coastal radar. The detection proba bility Pd of CA CFAR is de scribe in [7],[8] and Pd of OS  CFAR is  des c ribe in [8],[9].          Figure 2. Performa nce dete c tion of  CA a nd OS CFA R       Two - dime nsi onal  con s tant -false  ala r rate (2D-CFA R will b e  de veloped to  m i nimize   noise dete c te d rath er th an  usin g on e di mensi onal  CFAR. Prin cipl e of two  dime nsio nal  CFA R  is  combi n ing of  two cfar alg o rithm [10] to compa r cel l  under te st with array da ta of azimuth  bin  cell and array data of ra nge bin  cell as shown in Fi gure 3. OS -CF A R will be im plemented and  tested on thi s  developm ent  of 2D-CFAR.  It is  chosen  becau se it ha goo d pe rformance on n o n   homog ene ou s e n viron m e n t and  for m u ltiple tar get s. Th e bl ock diag ram  of  OS-CFAR i s  as  s h ow n  on  F i gu r e  4 .               Figure 3. Prin ciple of 2 D -CFAR  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  624 – 63 1   626     Figure 4. The  Block dia g ra m of the OS-CFAR al gorit m.      The  perfo rma n ce  dete c tion  of OS -CFA R dep endi ng  o n  sele ct K th  whi c K th  = 3 / 4*N  i s   the optimum  value [11]  and probability  of false alarm  (Pfa) val ue.  The K th  value is   es timated  to   be the means of c l utter [12]. Sc aling fac t or (Tos ) c a lc ulated by following formula  [8],[9], [13] :         1 !   !  !   (1)     Whe r e:   Pfa   = Prob ality False Ala r m   K    = S e lect e d  ce ll unt er t e st   = Scalin g Fa ctor  = Sliding Wi n dow      This pa pe r focu s on the de velopment of 2D-CFA R ba sed o n  com b i ne of two OS-CFAR  algorith m . 2D OS-CFA R d e tector  algo rithm wa s devel oped u s in g Micro s oft Visu a l  Studio C++  2008.       2. Rese arch  Metho d   The  2D-CFAR impl eme n ted by   co mbi nes of two  OS-CFA R al goritm as  sh own   on     Figure 5.  First step  is calculate OS -CA F R fo azim u t h and  the n   calcul ate OS -CFAR for ran ge  with o u tput  o f  each  step  i s   conve r t int o  bin a ry  num ber which lo gic  rep r e s e n t as o b je ct  and  logic 0 rep r e s ent as noi se Each oup ut  from  OS-CF A R-Azi m uth and OS-CFA R-Ran ge will   be  comp ared using AND logi c rule to get  output  of 2D-CFAR a s   sho w n on T able 1. Base  on  optimum setting of previous experiment  of coas tal surveillance radar,  so  setting parameter  of  each OS-CF A R is Pfa=1 e -2, Nwind o w =64, K th =3/ 4 *Nwind ow,  array of bin cell of ra nge =10 24  and array of bin cell of a z i m uth=3 60.               Figure 5. Block di agram 2 D  OS-CFAR  with AND fu si on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Object Detector on Coastal  Surveill ance  Rada r Using Two-Dim e nsi onal .... (Dayat Kurniawan)  627 The  key fa ctor of  CFA R   algorith m s lie s in  setting the threshold   adaptively by  estimatin g  t he  backg rou nd n o ise p o wer in clud ed in a te st cell [14]. T he scalin g factor (T) d e cre a se s when Pf or K th  incre a se [15],[16] for fixed Nwi nd ow valu e. Array data of ra nge a nd a z i m uth is  coll e c ted  from rada r re ceiver a s  be at sign al thro ugh An alog t o  Digital  Co n v erter  (ADC) usin g firm ware  wa s install e d  in PC/Lapto p  as sho w n  on Fi gure 6. Raw d a ta  from ADC  need to be  pre - pro c e ssi ng a nd FFT p r o c e ssi ng first before throug to CFAR  pro c essor. Imple m entation  co de of   OS-CFAR u s i ng Mi cro s oft  Visual  C++  2 008 a nd t he para m eter se tting  of  OS-CFAR is  as sh own   on Figu re 7.       Table 1. The  rule of AND logic 2 D -CFA OS-C FAR-Azimu t h OS-C FAR- Rang Ouput  2 D -C FAR   Description  0 0  Noise  0 1  Noise  1 0  Noise  Object or ta rget           Figure 6. Coll ect data of array bin cell  ra nge an d azim uth          Figure 7. Parameter Settin g  OS-CFAR  Raw Data CFA R  Th r e shold   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  624 – 63 1   628 3. Results a nd Analy s is  Simulation fo r 2D  OS-CF A R from  ra w data  coa s tal surveill an ce rada r is  done  by  config urin CFAR p a ramet e on  win d o w  software a s   sho w n  on  Fig u re  7. Fi rst  si mulation  is o ne  dimen s ion a l CFAR u s in OS algorith m  for ran ge bin  cell an d the n  two dime nsional CFAR  with  parameter  setting is radial  distan ce set  to 0.5NM, sliding window  set to 64, probability of fal s alarm  set to 1e-2. Fig u re  8(a )  sh ow th e result of one dimen s ion  CFAR  whe r e  PPI scope sho w   many clutte r or noi se in th ere. Fig u re  8(b) sh o w  the result of two  d i mensi onal  CFAR where PPI  scope  sho w   redu ction  of  clutter  or noi se i n  t he  sa me region  of  Figu re  8(a ) .  Figu re  9 sh ow  detectio n  performan ce of  1D OS-CFA R and  2 D  O S -CFA R wh e r e 2D  OS-CFAR ha s bet ter   detectio n  rath er than 1D O S -CFA R for same S NR val ue. Figure 1 0  show differe nt perform an ce  of 2D-CFA with differe nce Nwi ndo setting whe r radial  dista n ce set to 1 n a u tical mile a n d   probability of false alarm set to 1e-2.         (a)one dim e n s ion a l CFA R     ( b ) t w o  d i mens io na l C F AR    Figure 8. Minimize noi se d e tected  CFA R           Figure 9. Performa nce dete c ti on of 1D-O S and 2D-OS  CFAR      Better perfo rmance of 2D-CFA R achived whe n   Nwi ndo w set to 128 a s  sho w n on Figure 11.  Obje ct  or  ta rget  dete c ted can be see n  clea rly  fr om t he othe r its  becau se  scal ing facto r  (T) is   N oi se  re dect i o n N oi se    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Object Detector on Coastal  Surveill ance  Rada r Using Two-Dim e nsi onal .... (Dayat Kurniawan)  629 decrea s e s  when Nwind o w incre a ses a s  sho w n on Ta ble 2. Clutter  or noi se is im pact of intern al   or exte rnal i n terferen ce li ke  som e  u n w ante d  p r od uct of  digital  synthe si s, p o we conve r t e r o r   reflectio n  co ming from ne arby buildi n g s  and  sea [17 ]     Table 2. Scali ng facto r  (T) f o r OS-CFA R for Pfa=1e -2  and K th  = 3/4* Nwi ndo N w indo Scaling Factor (T 16 4.29  32 3.89  64 3.69  128 3.59          (a)Nwind ow=16     (b)Nwind ow=32           ( c ) N w i nd ow =6   (d)Nwind ow=128     Figure 10. 2D-CFA R pe rformanc e with di fference Nwin dow      Table 3  shows the diffe ren c e of p r o g ra m pro c e s sing  time of one  d i mensi onal  CFAR an d   two dimen s io nal CFA R  wit h  pro c e s sor I n tel co re 2 du o @ 2.1 G H z, 32 bit opera t ion system a n d   3GB RAM in stalled o n  lap t op. The time of progr am p r ocessin g  is  getting high er when  Nwi nd ow  set to high er  and p r og ram  pro c e ssi ng ti me of 2D-CF A R is ab out two time s lon ger tha n  the 1D- CFAR. The efficien cy  of sele cted   CF AR  pe rfor ms dep end s o n  value s  of th e len g th of  cell   (Nwind ow)  [1 8]  co rrelated  with rotation  spe ed  of ant enna  for on degree. If the  time p r o c e s sing  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  624 – 63 1   630 of 2D-CFAR is m o re lon gger than  ro tation  spee d  of ante nna  so  Nwindo w CFA R  mu st  be   decrease to reduction time proc essing but  it’s will  decrease  perf o rm of  radar object  detecti on  too.          Figure 11. Dif f eren ce pe rfo r man c e 2 D -O S-CFA R  ba se on  numbe r of sliding wi n dow      Table 3. The  time of program pro c e s sin g  of 1D-CFA R vs 2D-CFA N w i ndo 1D-C FAR (ms )   2D-C FAR (ms )   16 1  32 2  64 5  10  128 10  21      4. Conclusio n   Software  dev elopme n t of  2D-CFA wo rks a s   expe cted. Oup u t of  2D-CFAR  a nd 1 D - CFAR  ha s d i fferent pe rfo r man c on o b ject o r  targ et detectio n   in noi se inve ronm ent ra d a system. P e rf orma nce of  o b ject  dete c tio n  of  2D -CFAR i s   better when  Nwind o w set  to 1 28.  The   time of software  pro c e s sin g  of 2 D -CFA R i s  ab out two times lon g e r tha n  the  1 D -CFAR. In  the  future optimi z e of algorithm  to redu ce sof t ware p r o c e s sing time is n eede d.      Ackn o w l e dg ement  Than ks to  Re sea r ch  Center for Electro n ics an d Tel e comm unication s-In done sia n   Institute of Science, Bandu ng for  all the sup port an d coorp e ration.       Referen ces   [1]    Yuhu a Q, Huil i  G,  T i ng L. A n e w  CF AR D e te ctor base d  o n   Automatic C e n s orin g Ce ll Av erag ing  an Cell Av erag ing.   T E LKOMNIKA Indones ia n Jo urna l of Electri c al Eng i ne eri n g . 2012; 1 1 (6): 329 8-33 03.   [2]    Sung W H , Do n g  SH.  Perfor mance A nalys is of an Envi r o n m ental A daptiv CF AR Detector . 2014: 1-7.   http://dx . doi. o rg/10. 1155/2014/615704.  [3]    H Mansour i, M Hamado uch e , F  Youcef E.  Infl ue nce of Ordere d  and W e i ghted An al ysis  W i ndo w s   o n   Detectio n in a  CFAR Rad a r . Internati o n a l Jo urna l of Circuit ,  System an d S i gn al Process i ng . 20 14; 8:  109- 115.   [4]    Moham ed B,  F aouzi S.  P e rformanc e Co mparis on of S o me  CF AR D e tectors in  Ho moge no us an d   Non-H o mo gen eous C l utter.   IEEE International Confer ence  on  Signal and Image Precessing  Appl icatio ns(IC S IPA). 2013: 1 01-1 05.   [5]    Moham ed BE M. Performanc e Anal ys is of CF AR De tectio n of F l uctuatin g Ra d a r T a rgets in Noni de a l   Operatin g Envi ronme n t.  Internation a l Jo urna l of Aerospac Scienc e . 201 2; 1(3): 21-35.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Object Detector on Coastal  Surveill ance  Rada r Using Two-Dim e nsi onal .... (Dayat Kurniawan)  631 [6]    Lon g C, Xi aoc hua n M, Qi X,  Bin L, Shi w e i  R.  Performanc e Anal ysis o n  Some Ne w  CF AR Detector s   und er Clutter . Journ a l of Co mputers.  201 1; 6 ( 6): 1278- 12 85 [7]    In-K yu K, et  al. T a rget Det e ction Pr ob abi lit y   Simu latio n  in th e H o mo gen eo us Grou nd C l utter   Enviro nment.  KSAS International Journal.  2 005; 6(1): 8-1 6 .   [8]    B Magaz, A Belo uchra n i,  M Hamad ouc h e . A Ne w  Ad aptive L i n i er  Combi n e d  CF AR Detector i n   Presenc e of Interferin g T a rgets.  Progress in  Electro m a gneti cs Researc h  B . 2011; 3 4 : 367 –38 7 .   [9]    Nadav L. Detection Loss  D u e  to Interferin T a rgets in Ord e red Ststistic  CF AR.  IEEE Transaction  on  Aerosp ace a n d  Electronics Sy stems.  19 88; 2 4 (6): 678- 68 1.  [10]    Matthias K, Rohli ng H. F a st   T w o D i mens i ona l CF AR Proced ure.  IEEE Transactions  on Aeros pac and El ectron ic Systems . 20 13 ; 49(3): 181 7–1 823 .   [11]    B Magaz, A  Belo uchra n i,  M Hamad ouc he. Au tomatic  T h reshold S e lecti on i n  OS-CF A R Rad a r   Detectio n usi n g Informatio n   T heoritic Criter ia.  Progr ess In  Electro m a gne tics Rese arch  B.  2011;  30:   157 –1 75 .   [12]    Xi an g S, Ran T ,  Xia B.  F a st Order Methode on OS-CF A R Detector in SAR  I m ag e . 2 009:  72 5-72 8 .   http://dx . doi. o rg/10.11 09/APS AR.200 9.5374218.   [13]    Rohl in g H. Rad a r CF AR  T h reshol din g   in Cl utter and Multi p l e   T a rget Situatio ns.  IEEE Trans actions on  Aerosp ace a n d  Electronic Sys t ems . 19 83; 19 : 608–6 21 .   [14]    Aja y  KY,  La xmi K. Movi ng  T a rget Dete ct ion Us in g V I -CF A R Algor i t hm on M a tla b  Platform.   Internatio na l Journ a l of Adv a nced  Rese arch   in Co mputer  Scienc e an d S o ftw are Engin e e rin g . 201 3;   3(12): 91 5-9 1 8 .     [15]    H Mansour i, M Hamado uch e F  Youcef E.  Influe nce of Ordere d  and W e i ghted An al ysis  W i ndo w s   o n   Detectio n in a  CFAR Rad a r . Internati o n a l Jo urna l of Circu its Systems a n d  Signa l Proces sing . 20 14 ;   8: 109-1 15.   [16]    Waleed KAA,  Najim  AU. Evaluation  of AND-CF AR and O R -CFAR Proc essor under  Different Clutter   Mode ls.  Engin eeri ng & T e chn o lo gy Journ a l 201 3; 31(5): 96 4-97 5.  [17]    P Papr ocki. Impact of Inter n a l  an d E x ter nal  Interferenc es  on th e Perfor mance  of a F M CW  Rad a r Internatio na l Journ a l on M a ri ne Nav i gat i on  and Safety of  Sea T r ansp o rtation . 20 11; 5( 3): 325-3 28.   [18]    R y sz ard W .  Experime n tal   Eva l uati on  of T he  Consta nt F a ls e  Alarm   Rat e  ( C FAR) Al gorith m s use d   i n   Marine F M-CW  Radars . Scie n t ific Journa ls Mariti me Un ivers i ty of S z c z e c i n .  2013; 3 6 (10 8 ): 177-1 81.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.