A COMPARISON OF SHIPBORNE RADAR ARCHITECTURES FOR SMALL-UAV DETECTION

Abstract

Detecting small Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs) from a naval radar platform is challenging because their weak, aspect-dependent radar cross section (RCS) and low-altitude flight occur in the presence of strong maritime interference mechanisms, including grazing-angle sea clutter, precipitation effects, and near-surface multipath. This thesis develops a simulation-based comparison framework for a ship-installable counter-UAV radar, evaluating pulsed Active Electronically Scanned Array (AESA) and Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) AESA candidates under a common set of naval constraints (frequency band, aperture/gain, average and peak power limits, range resolution, search volume, and refresh requirements). A MATLAB-based virtual maritime environment is used to generate repeatable scenarios and to model target RCS fluctuation alongside sea state and rain conditions, enabling controlled experiments with identical resource allocation. Detection performance is assessed using a consistent processing chain (range–Doppler formation, receiver dynamic-range control, Constant False Alarm Rate (CFAR) thresholding at fixed false-alarm probability, and probability-of-detection estimation) and is summarized using decision-oriented figures of merit such as high-confidence detection range, detection latency, and time-to-confirm. Monte Carlo evaluation across representative UAV mission profiles provides statistically defensible performance curves and sensitivity trends, which are then weighted to reflect risk-averse shipboard priorities, robustness in heavy sea states and precipitation. This thesis makes three main contributions: first, it develops a common-constraint simulation framework for fair comparison of ship-installable pulsed AESA and FMCW AESA counter-UAV radars; second, it provides a Monte Carlo evaluation method that links waveform performance to operationally meaningful detection and confirmation metrics in maritime environments; and third, it shows that FMCW is the preferred architecture within the tested constraint set, achieving 11 of 18 case wins and the strongest worst-case robustness, while also identifying the modelling assumptions that bound this recommendation.

La détection de petits véhicules aériens sans équipage (UAV) à partir d’une plateforme radar navale constitue un défi important, car leur faible surface équivalente radar (SER), fortement dépendante de l’aspect, et leur vol à basse altitude s’inscrivent dans un environnement maritime dominé par de forts mécanismes d’interférence, notamment le fouillis de mer à faible angle de site, les effets des précipitations et le multitrajet près de la surface. Cette thèse propose un cadre de comparaison fondé sur la simulation pour l’évaluation d’un radar anti-UAV installable à bord d’un navire, en comparant des architectures AESA impulsionnelles et AESA à onde continue modulée en fréquence (FMCW) sous un ensemble commun de contraintes navales, incluant la bande de fréquences, l’ouverture et le gain, les limites de puissance moyenne et de puissance de crête, la résolution en portée, le volume de recherche et les exigences de rafraîchissement. Un environnement maritime virtuel développé sous MATLAB est utilisé afin de générer des scénarios répétables et de modéliser à la fois les fluctuations de la SER des cibles, l’état de la mer et les conditions de pluie, de manière à permettre des expériences contrôlées avec une allocation identique des ressources. La performance de détection est évaluée au moyen d’une chaîne de traitement cohérente comprenant la formation distance-Doppler, le contrôle de la dynamique du récepteur, le seuillage à taux constant de fausses alarmes (CFAR) à probabilité de fausse alarme fixée, ainsi que l’estimation de la probabilité de détection. Les résultats sont ensuite résumés à l’aide de figures de mérite orientées vers la décision, telles que la portée de détection à haute confiance, la latence de détection et le temps de confirmation. Une évaluation de type Monte Carlo, appliquée à des profils de mission UAV représentatifs, permet d’obtenir des courbes de performance et des tendances de sensibilité statistiquement défendables. Ces résultats sont ensuite pondérés de façon à refléter des priorités navales prudentes, axées sur la robustesse en conditions de mer forte et de précipitations importantes. Cette thèse apporte trois contributions principales. Premièrement, elle développe un cadre de simulation à contraintes communes permettant une comparaison équitable entre des radars anti-UAV navals AESA impulsionnels et AESA FMCW installables à bord d’un navire. Deuxièmement, elle propose une méthode d’évaluation de type Monte Carlo qui relie les performances des formes d’onde à des métriques de détection et de confirmation ayant une signification opérationnelle en environnement maritime. Troisièmement, elle montre que l’architecture FMCW constitue l’option privilégiée dans l’ensemble des contraintes étudiées, avec 11 gains sur 18 cas et la meilleure robustesse dans le pire cas, tout en mettant en évidence les hypothèses de modélisation qui encadrent cette recommandation.