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無人機載合成孔徑雷達系統(tǒng)研制手記(一):設(shè)計原理

KiCad ? 來源:KiCad ? 作者:KiCad ? 2025-02-24 11:52 ? 次閱讀

分享一個非常酷的項目,來自于 Henrik 的 Blog。將 SAR 合成孔徑雷達裝在無人機上,作者詳細記錄了思路、選型、制造和測試的過程,非常值得學(xué)習(xí)。

wKgZO2e77ZWASummAANxd7nVk9M769.png ? 簡介

在業(yè)余無線電領(lǐng)域,我成功研制了多款自制雷達系統(tǒng),并在地面環(huán)境中完成了合成孔徑成像測試。長久以來,我一直構(gòu)想在無人機平臺上搭載雷達設(shè)備,實現(xiàn)空基合成孔徑成像。數(shù)年前調(diào)研時發(fā)現(xiàn),當時具備有效載荷能力的中型無人機價格普遍在1000歐元以上。以A. Bekar、M. Antoniou和C. J. Baker在《低成本高分辨率無人機載SAR成像》論文中(https://pure-oai.bham.ac.uk/ws/portalfiles/portal/136457382/Final_Version_TGRS.pdf)采用的系統(tǒng)為例,其卓越的成像效果令人印象深刻。該研究使用的大疆S900無人機官方標價約1000歐元,但整套系統(tǒng)造價高達1.5萬英鎊,即便僅考慮無人機成本也遠超個人預(yù)算范圍。多數(shù)同類研究均采用專為航拍設(shè)計的中型無人機平臺,且通常配備RTK-GPS定位系統(tǒng)以實現(xiàn)厘米級定位精度。

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近年來,微型FPV(第一人稱視角)無人機價格出現(xiàn)顯著回落。當前中國市場可輕松購得售價約100歐元的5-7英寸螺旋槳四軸飛行器套件(不含電池及遙控器)。這類微型無人機雖體積緊湊,卻能承載1公斤以上有效載荷,完全滿足小型雷達系統(tǒng)的搭載需求。

基于此,我選擇了一款無品牌的7英寸FPV套件,配合微型GPS/指南針模塊,旨在構(gòu)建一套可自主飛行的輕量化合成孔徑雷達系統(tǒng)。

合成孔徑成像原理

單通道雷達僅能獲取目標距離信息而無法測定方位角。當采用線性陣列接收通道時,目標回波信號到達各接收單元的路徑差異會產(chǎn)生相位偏移,通過解析這些相位差即可解算目標方位。

根據(jù)瑞利判據(jù),天線角分辨率Δθ與工作波長λ及天線孔徑D的關(guān)系可表示為:Δθ≈λ/D。以6GHz頻段為例,要實現(xiàn)1米的分辨率,在1公里的距離上需達到0.03°角分辨率,這意味著需要約100米口徑的天線陣列。

合成孔徑技術(shù)通過移動單通道雷達進行多點采樣,在場景靜止的假設(shè)條件下,等效構(gòu)建出大規(guī)模天線陣列的觀測效果。將單通道雷達搭載于無人機平臺,通過飛行軌跡形成合成孔徑,可突破物理天線尺寸限制,獲得超分辨率成像能力。

雷達設(shè)計

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無人機框架尺寸

本項目的核心設(shè)計目標在于實現(xiàn)無人機載微型合成孔徑雷達系統(tǒng)的最優(yōu)成像性能,同時滿足三大技術(shù)約束:微型化適配(可集成于7英寸FPV無人機)、低成本控制(預(yù)算<500歐元)以及材料受限(強制使用FR4基板)。預(yù)算限制排除了低損耗射頻材料的應(yīng)用可能,電子系統(tǒng)與天線均需采用常規(guī)FR4基板實現(xiàn)。

無人機尺寸較小制約了雷達設(shè)計:框架寬度僅40mm,螺旋槳間距50mm,雖長度方向留有170mm余量,但寬度限制使雷達須呈狹長形態(tài)。以樹莓派(56×85mm)為例,其尺寸已超出橫向空間限制。這種微型化要求對硬件集成構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。

wKgZO2e77ZaAet2aAAGs6HXk9_c848.png

FMCW(左)與脈沖雷達(右)架構(gòu)框圖對比示意圖

在既有技術(shù)積累基礎(chǔ)上,主要考慮兩種架構(gòu)方案:

1. 脈沖雷達方案:

既往研制的64×132mm脈沖雷達雖寬度稍大但具備優(yōu)化空間

受限于ADC采樣率(100MHz帶寬),對應(yīng)1.5m距離分辨率難以滿足精細成像需求

擴展ADC帶寬將顯著增加成本與布局難度

改良型雙斜坡發(fā)生器設(shè)計可生成低頻中頻信號,規(guī)避高速ADC需求(SAR雷達常用方案)

脈沖雷達固有缺陷:

受限于時分離收發(fā)機制,最大脈寬受目標往返時延約束(100m最小作用距離對應(yīng)670ns脈寬限制)

平均發(fā)射功率受限導(dǎo)致信噪比下降

超短脈沖序列增加成像算法復(fù)雜度

需配置獨立收發(fā)天線(占用更多空間)

2. FMCW雷達方案:

支持全雙工收發(fā),顯著提升信噪比

掃頻時長僅受合成孔徑采樣速率約束(可達數(shù)百微秒級)

需確?;夭ㄐ盘柵c發(fā)射掃頻信號的時域重疊

單次掃頻可捕獲更多回波能量,有利于提升信號質(zhì)量

FMCW雷達優(yōu)勢:

在近距離(<數(shù)公里)、低速平臺場景下性能優(yōu)勢顯著

狹長空間可并置微型收發(fā)天線

成本效益比優(yōu)于脈沖方案

綜合評估表明,在微型化、低成本約束下,F(xiàn)MCW架構(gòu)更適配本項目需求。其連續(xù)波特性可突破脈沖雷達的時域限制,在有限空間內(nèi)實現(xiàn)更優(yōu)的成像性能與系統(tǒng)集成度。

RF 設(shè)計

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FMCW 雷達架構(gòu)

上圖展示了采用雙極化天線的FMCW雷達射頻模塊框圖。掃頻信號由鎖相環(huán)(PLL)生成,經(jīng)可變衰減器調(diào)節(jié)后由功率放大器(PA)放大。大部分信號傳輸至發(fā)射天線,通過極化切換開關(guān)選擇垂直(V)或水平(H)極化模式。部分發(fā)射信號耦合至接收混頻器,與經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大的反射信號進行混頻。接收端同樣配置極化切換開關(guān),結(jié)合發(fā)射端開關(guān)可實現(xiàn)HH/HV/VH/VV四種極化組合的收發(fā)模式?;祛l器輸出的低頻信號經(jīng)放大后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化,接收鏈路需配置濾波器以抑制帶外干擾并避免ADC混疊效應(yīng)。

基于DAC或直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的掃頻方案在相位噪聲和頻率切換速度上優(yōu)于PLL,但PLL因成本低、占板面積小而被采用。

射頻頻率選擇在大約6 GHz左右,這是因為在該頻率下有大量價格低廉的消費級射頻元件可供選擇。在這個頻率下,最高輸出功率的廉價功率放大器可以輸出大約30 dBm的功率。同時,接收端的低噪聲放大器也可以以較低的價格獲得1 - 2 dB的噪聲系數(shù)。

接收機采用直接轉(zhuǎn)換架構(gòu),混頻器沒有鏡像抑制功能。這導(dǎo)致傳輸信號頻率上下兩側(cè)的頻率都會被轉(zhuǎn)換為相同的輸出頻率。這并不是理想的情況,因為接收帶外的噪聲會增加接收機的噪聲底,使其提高3 dB。如果采用IQ采樣接收機,可以抑制另一個邊帶,但這需要兩個混頻器和ADC??紤]到僅能提高3 dB的信噪比,并不值得增加成本和PCB空間。

極化切換允許選擇用于發(fā)射和接收的極化方式。H代表水平極化,V代表垂直極化。通過這種方式,可以測量四種極化方式:HH(水平發(fā)射水平接收)、HV(水平發(fā)射垂直接收)、VH(垂直發(fā)射水平接收)和VV(垂直發(fā)射垂直接收)。不同的目標對不同極化的反射能力不同,這在遙感中被用來確定反射目標的特性。例如,許多平滑的目標通常反射與其自身極化相同的信號,目標的形狀決定了它反射更多HH還是VV分量。森林和植被通常比道路和裸地有更高的交叉極化(HV和VH)反射分量,這是由于植被內(nèi)部的多次反射造成的。

盡管在框圖中H和V天線是分開繪制的,但這并不意味著系統(tǒng)需要四個天線。實際上,可以設(shè)計一個具有兩個端口的天線,一個端口發(fā)射H極化信號,另一個端口發(fā)射V極化信號。雙極化天線并不一定比單極化天線占用更多的空間。

配置雙接收機可同步接收H/V極化信號,優(yōu)勢包括:消除接收端極化開關(guān)損耗、延長單次測量時間(提升信噪比)、加速掃頻周期(無需切換接收極化)。但綜合考慮成本效益,此方案暫未采用。

TX-RX 泄漏

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射頻功率提升通常能改善信噪比,但調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達因同時收發(fā)的工作特性,需特別關(guān)注收發(fā)通道泄漏問題。接收機需滿足雙重要求:既要能檢測-174 dBm/Hz的熱噪聲基底,又要避免因發(fā)射天線泄漏的射頻功率導(dǎo)致飽和。典型低噪聲放大器(LNA)的飽和輸入功率約為-20 dBm,當發(fā)射功率為+30 dBm時,收發(fā)隔離度需超過50 dB才能防止接收機飽和。若接收鏈路其他組件(如模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)先于LNA達到飽和,則需進一步提高隔離度。

在無人機等空間受限場景中,若天線隔離度不足,可通過功放(PA)前的可變衰減器降低發(fā)射功率。該調(diào)整雖會影響接收混頻器的本振(LO)功率,但現(xiàn)代混頻器的LO輸入功率范圍通常設(shè)計有足夠裕量,不會構(gòu)成實質(zhì)性問題。

鏈路預(yù)算分析

接收機輸入端的接收功率方程可表示為:

wKgZO2e77ZaAHXVrAAAM4VD7q00521.png

其中,Pt為發(fā)射功率,G為天線增益,λ為波長,σ為目標雷達截面積(RCS),r為目標距離。該公式描述單脈沖接收功率。合成孔徑通過移動過程中發(fā)射多個脈沖形成,所有脈沖可相干疊加以提高信噪比。若圖像由n個脈沖合成,則總接收功率可乘以n。

目標雷達截面積σ取決于雷達分辨率與地表對雷達波的反射能力,可分解為:σ=δxδyσ0,式中δx為距離向分辨率,δy為方位向分辨率,σ0為單位面積地表反射率。在本案例中δx≈δy≈0.3m,具體值受雷達參數(shù)、距離及成像幾何影響。地表反射率與材質(zhì)和入射角相關(guān):當入射角為90°(法線方向)時反射最強,此時鏡面反射回波顯著;入射角減小時反射率逐漸降低。典型地表反射率范圍為 -20 至 0 dBsm(中等入射角條件下)。

接收機最小可檢測功率受限于接收機的熱噪聲,其表達式為kTBF,其中k為玻爾茲曼常數(shù),T為接收機溫度,B為噪聲帶寬,F(xiàn)為接收機噪聲系數(shù)。需注意噪聲帶寬B與射頻帶寬無直接關(guān)聯(lián),其定義為信號與噪聲可分離的最小帶寬。通過傅里葉變換剔除信號頻帶外噪聲分量后,剩余噪聲不影響檢測性能。FFT 頻率分辨率由掃頻時間ts決定,即1/ts。

令接收功率Pr等于噪聲功率,通過求解得到的 σ0 稱為噪聲等效散射截面積(NESZ),這是一個常用于比較合成孔徑雷達性能的參數(shù)。:

wKgZO2e77ZaASkJoAAAWIDw8-I4791.png

脈沖數(shù)n可表示為測量時間tm與脈沖重復(fù)頻率(PRF)的乘積(n=tmPRF),或等效為飛行軌跡長度lm與無人機速度v的關(guān)系(n = lmPRF/v)。在條帶成像模式下,脈沖數(shù)受天線波束照射時間限制;而四旋翼無人機采用聚束成像時,可通過持續(xù)指向目標突破此限制。

系統(tǒng)參數(shù)表:

wKgZO2e77ZeAQTgIAAAuASQ-SPQ153.png

wKgZO2e77ZeAZHrsAABOT9dRa04222.png

NESZ與探測距離關(guān)系

基于上述參數(shù)的NESZ-距離曲線表明:通過優(yōu)化掃頻時長和合成脈沖數(shù)可小幅改善性能。衛(wèi)星SAR系統(tǒng)通常要求 NESZ≤-20 dBsm 以獲得優(yōu)質(zhì)圖像,本系統(tǒng)在1-2 km范圍內(nèi)可達到可接受的成像質(zhì)量。

脈沖重復(fù)頻率(PRF)

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在6 GHz射頻頻率下,不同時分復(fù)用通道數(shù)量對應(yīng)的無混疊最小脈沖重復(fù)頻率

雷達成像質(zhì)量依賴于接收信號的相位信息完整性。為避免相位模糊,需確保相鄰脈沖采樣間隔引起的相位變化不超過180°。當目標位于天線波束中心90°方位角時(沿運動方向),若平臺位移導(dǎo)致相鄰測量間的雙程路徑差超過半波長(對應(yīng)180°相位差),則不同方位角目標將產(chǎn)生相位混疊現(xiàn)象。具體而言,當收發(fā)天線同步運動時,平臺位移量達四分之一波長將導(dǎo)致信號傳播路徑差半個波長,此時±90°方位目標將產(chǎn)生相同的180°相位差異。位移量進一步增加將加劇圖像混疊程度。

如果天線具有很強的方向性,那么可以使用更大的測量間距。方向性好的天線不會向大角度方向輻射信號,從而避免了由于大角度導(dǎo)致的圖像混疊。天線的方向性越好,測量間距就可以越大。然而,由于無人機的空間限制以及天線方向性與其尺寸相關(guān),可能無法設(shè)計出非常方向性的天線,因此最大測量間距可能只能達到四分之一波長左右。

典型四旋翼無人機巡航速度為10 m/s,但可根據(jù)需求靈活調(diào)整。在6 GHz工作頻率下,四分之一波長對應(yīng)12.5 mm(0.5英寸),當飛行速度為10 m/s時,為滿足每12.5 mm位移完成一次采樣,脈沖重復(fù)頻率(PRF)需至少達到800 Hz??紤]到系統(tǒng)采用四極化時分復(fù)用設(shè)計,實際需在單個PRF周期內(nèi)完成全部四個極化通道的測量。 PRF與掃頻時間約束關(guān)系:

四通道時分復(fù)用要求總PRF ≥ 4×800 Hz = 3.2 kHz

對應(yīng)最大單掃頻時間 ≤ 312.5 μs(含PLL鎖相時間余量)

實際工程中需預(yù)留PLL穩(wěn)定時間(約20-30 μs),因此有效掃頻時間上限約為280 μs。該參數(shù)直接影響系統(tǒng)探測距離分辨率,需在硬件設(shè)計中重點優(yōu)化。

需要的 ADC 采樣頻率 wKgZO2e77ZeAcxRFAADssUzrpkg683.png 250 μs掃頻時長的調(diào)頻連續(xù)波雷達系統(tǒng),在不同探測距離與射頻帶寬下的ADC采樣速率需求 在調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達系統(tǒng)中,接收信號與發(fā)射掃頻信號混頻后,將產(chǎn)生與目標距離相關(guān)的中頻信號。設(shè)目標距離為r(單位:m),則中頻頻率f可通過下式計算: wKgZO2e77ZeADrCuAAAJHpnODYk354.png

B為射頻掃頻帶寬(單位:Hz)

c為光速(3×10? m/s)

ts為掃頻時長(單位: s)

系統(tǒng)距離分辨率由射頻帶寬決定,其關(guān)系式為:

wKgZO2e77ZeAGXV9AAAGSDc-VKc032.png

典型參數(shù)示例:

150 MHz帶寬對應(yīng)1米距離分辨率

300 MHz帶寬實現(xiàn)0.5米高分辨率

假設(shè)系統(tǒng)配置如下:

射頻帶寬 B = 300MHz(0.5米分辨率)

掃頻時長 ts = 280 μs(根據(jù)前文計算值)

最大探測距離 r =2 km

代入公式計算得中頻頻率:

wKgZO2e77ZeAWgYpAAAX0YzbnTI681.png

根據(jù)奈奎斯特采樣定理,ADC采樣頻率需滿足:

wKgZO2e77ZeATFHoAAAJbK_EHbQ170.png

其中:

2f=28 MHz 為奈奎斯特最低采樣頻率

Δf 為抗混疊濾波器滾降余量(通常預(yù)留25%-50%)

因此實際工程中需選擇:

wKgZO2e77ZeASI67AAAI_60D14o161.png

該參數(shù)既能滿足28 MHz的基礎(chǔ)采樣需求,又可提供約78%的頻譜余量用于實現(xiàn)高質(zhì)量的抗混疊濾波。本設(shè)計最終選定50 MHz采樣頻率,在保證系統(tǒng)性能的同時為硬件實現(xiàn)留出充分裕度。

原文轉(zhuǎn)載自 https://hforsten.com/homemade-polarimetric-synthetic-aperture-radar-drone.html,已進行翻譯及校對優(yōu)化

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    知語科技無人機反制系統(tǒng)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

    隨著無人機的普及,無人機違規(guī)飛行事件頻繁發(fā)生,給公共安全和隱私帶來了嚴重威脅。無人機反制系統(tǒng)作為應(yīng)對這問題的有效手段,得到了廣泛的應(yīng)用。
    的頭像 發(fā)表于 07-09 16:30 ?594次閱讀
    知語科技<b class='flag-5'>無人機</b>反制<b class='flag-5'>系統(tǒng)</b>的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

    無人機主動防御系統(tǒng)不起作用嗎

    主動防御系統(tǒng)的工作原理 雷達探測 無人機主動防御系統(tǒng)首先需要通過雷達探測到敵方無人機的存在。
    的頭像 發(fā)表于 07-08 09:57 ?935次閱讀

    無人機主動防御系統(tǒng)有哪些

    無人機主動防御系統(tǒng)種用于保護無人機免受攻擊的系統(tǒng)。隨著無人機在軍事、民用和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用
    的頭像 發(fā)表于 07-08 09:50 ?1899次閱讀
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