微型低成本高分辨SAR系统，可安装在“小型无人机”或“车辆”上 留言

合成孔径雷达(SAR)已经广泛应用于地球科学研究。SAR系统不同于可见光，它可以穿透云层进行观测。但现有SAR系统的费用昂贵，限制了使用它们进行需要经常重访的研究，并且现有天基SAR系统空间分辨率也十分有限。

这些问题可以通过在小型无人机(UAV)上应用一种微型、低成本、高分辨SAR系统得以解决。这种传感器非常适合需要高分辨率和频繁重访的重点研究。

图1. 微型SAR的射频组件照片。为了减轻重量，没有加装外壳。

杨百翰大学(BYU)已经成功开发了一种廉价、紧凑、低功耗的微型SAR(microSAR)系统。该微型SAR系统为一种小型UAV(翼展6英尺)而设计，系统比一个雪茄盒还要小，其中的低功率系统专门为低空飞行(300米)设计(系统实物如图1-3所示)。

图2. 微型SAR数据采集模块，它由一个PC104 A/D采集卡和一个单片机组成。数据存储在CF卡中。

该系统设计为“开机即遗忘”，可连续采集数据超一个小时。数据存储在一个紧凑型闪存(CF)卡上。飞行结束后，闪存盘数据装载到一个笔记本电脑上，然后使用专门开发的SAR成像和自聚焦软件。在一般笔记本电脑上的处理时间与数据采集时间相当，GPS位置信息和速度信息由UAV提供。

图3. 微型SAR天线由两个用高频电路板材料制成的平板组成。每一个都使用一条RF电缆连接到RF组件。它们安装在与飞行方向一致的长方向上，辐射面(如图)指向飞行器的一侧。

微型SAR系统天线为收发分置，功能框图如图4所示，整个实物系统如图5所示。射频(RF)子系统(图1)由一个3×3.4×3(英寸)堆栈式的微带电路板组成，使用尽量少的附件来减轻重量。使用线性调频连续波(LFM-CW)，工作在未授权的5.4 GHz 无线网络频段，发射功率1W，工作带宽90MHz。

图4. 微型SAR系统框图

一个简单的中频(IF)检波系统用于去斜。工作在300-1000英尺飞行高度和20-50m/s飞行速度的微型SAR系统，条带宽度为200-300m，单视图像的空间分辨率为0.1×0.6(m)，后期平滑处理后的图像分辨率为1×1(m)，最大探测距离为700m。

图5. 微型SAR系统完整实物图，准备搭载到小型UAV上。

特别设计的FPGA基于A/D板处理收集和存储数据(如图2所示)。可以收集去斜后的SAR数据，采样速率为330K samples/sec，并将数据存储在可拆卸的CF卡中。两块相同的微带天线(图3所示)，每一块大小约为4×12(英寸)，安装在UAV机身上。一条射频同轴电缆(使用SMA连接器)将每个天线与射频子系统相连。

目前设计使用DC/DC转换器将UAV提供的+18V直流(DC)标称电压转换为微型SAR系统所需的各种电压，运行期间的标称功耗是16w。包括天线和电缆在内的系统总重量小于2公斤。

图6. 将测试系统装载到车辆上(“car-SAR”)，注意天线的方向相对于运动和贴片的方向。

该成像系统的初次测试是在学校附近的峡谷中完成的，系统安装在了一辆汽车上(可称之为“car-SAR”，如图6所示)。测试是从高速公路上拍摄峡谷壁，模拟UAV的飞行，一个简单的成像结果如图7所示。另外，搭载该系统的小型UAV已经成功地在北冰洋上空和当地运行。图8为使用有人驾驶飞机本场飞行所成的图像。

图7. “car-SAR”所成的像，图为犹他州的Provo峡谷。峡谷上弯弯曲曲的公路形成了模糊的剖面。峡谷壁自然呈梯田状，在图像中呈显为分层状。

图8. 小型有人驾驶飞机上的微型SAR系统所成的图像，位于犹他州本杰明(Benjamin，UT)附近。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）