超小型合成孔径雷达P-SAR的研制与基本性能

超小型合成孔径雷达P-SAR的研制与基本性能
张涛1，2，3姚宜斌1邹进贵1，3周吕1徐进军1
(1.武汉大学测绘学院湖北武汉 430079；2.武汉大学测绘仪器设备研发中心湖北武汉 430079；
3.武汉大学测绘国家级实验教学示范中心湖北武汉 430079)
摘要：由于通常的合成孔径雷达结构复杂，尺寸与自重大，价格高，因此主要在卫星和大中型飞机上作为
探测器以及在军事上使用。

而如今，无人机(包括固定翼以及旋翼机）发展极为迅速，无人机上配置的光学
传感器已经十分丰富（被动传感器如普通相机、高光谱相机、热红外相机、紫外相机，以及主动的激光雷达
等），但是一直缺乏一种合适的微波雷达作为无人机载荷。

虽然目前也有一些小型合成孔径雷达，但是由于
价格或者重量等原因，并不适合用于民用无人机。

为填补这一产品空白，我院研制了一种重量、体积、功耗、
价格都适合于民用无人机的超小型合成孔径雷达，称为P-SAR，不仅可以用于遥感测绘、军事侦察，同时也
是一种很好的教学实验仪器。

本文首先简单介绍了超轻型合成孔径雷达P-SAR的基本原理与结构以及主要特
点，而后对P-SAR的主要性能做了测试。

最后，对P-SAR的应用前景做了分析。

关键词：合成孔径雷达无人机旋翼机线性调频等幅波天线
基金项目：家重点研发计划项目( 2016YFB0501803)；武汉大学实验项目( WHU-2017-SYJS-04)
1 引言
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar ，SAR）是20世纪50年代末研制成功的一种微波传感器，最初主要用于军事，是微波传感器中发展最迅速和最有成效的一种[1]。

作为一种主动式传感器，SAR的波长比光学传感器长的多，因此SAR技术和其他遥感技术相比，具有不受光照和天气条件的限制，可以全天时、全天候对地观测，还可以穿透一定的地表和植被获取隐藏的信息优势。

因此，SAR 也是战场上的不可缺少的重要装备，星载SAR和机载SAR装备可以迅速获得地面情况，完成军情侦察，对空SAR可以获取和跟踪空中目标，而弹载SAR可以准确完成地形匹配工作，实现精确制导[2]。

现在，SAR已经不单用于军事用途，在民用遥感应用方面也有着重要地位，在资源调查、地质测绘、农业、林业、海洋科学、防灾救灾等各个领域都有着无可替代的地位，LightSAR（美国）、ENVTSAT （欧洲空间局）、ALOS（日本）等航天遥感计划都将SAR作为主要传感器[3]。

SAR通过飞行平台的运动实现合成孔径，属于成像雷达。

合成孔径技术一方面减小了飞行器的载荷，降低了生产工艺难度，同时大幅提高了成像质量，使得获取的信息量大为增加，因此得到了许多科学家的关注，使得SAR装备以及成像理论和技术迅速发展。

随着技术的进步以及航天航空器的小型化，特别是近年来无人机的迅猛发展，人们也希望将SAR 设备小型化并已经有一些产品出现，而国内外许多公司、高校以及科研单位也一直在进行类似于Mini -SAR的研制工作，其目标就是为小型卫星以及无人机研制SAR传感器，他们的研发都卓有成效，并且有很多产品已经成功，例如SAR AERO的一系列机载SAR，最轻巧的产品重量为1.8kg（不含天线），功耗15W，分辨率可达0.3m，售价约为25万美元；Imsar研制的系列产品，重量为2.93kg，功耗46W，分辨率也是0.3m；方元民科技的MiniSAR，重量小于3kg，功耗小于25W，分辨率0.5m。

这些SAR产品都比较适合安装在无人机上作业。

由于项目需要，我们需要一款尺寸与重量更小、功耗更省、成本更低的SAR，以便搭载在廉价的民用无人机上作业，而市场上的SAR产品均无法满足要求。

因此，我们自行研制了一款超轻型SAR，由于在总质量、体积、功耗等各个方面都属于超轻量级，因此定位在Pico（皮）级别，即Pico SAR，并以此命名为P-SAR，其主要参数如下：
重量：1kg（含电源）
自带电源连续工作时间：1h
测绘带宽：300m（飞行高度200m，配置H1008天线,天线倾角45度，侧斜视）
1500m（飞行高度1000m，配置H1008天线，天线倾角45度，侧斜视）
功耗：小于15W
频段：C波段
极化模式：HH，VV，HV组合，由天线决定
存储能力：自带存储，可以存储10个小时的数据
分辨率：距离向理论最高0.25m，方位向0.3m
扫描特性：条带
其他性能：一发射双接收，当纵向安装天线的时候，可以根据单次飞行数据生成高程模型，当横向安装天线的时候，可以发现动态目标
该P-SAR采用新型射频集成电路和数字信号处理芯片优化设计而成，在性能和成本之间取得了很好的平衡。

经过地面测试以及旋翼无人机实际搭载飞行测试，效果良好，可以满足多种行业需求。

2 P-SAR原理与结构简介
P-SAR采用了LFMCW（Linear Frequency Modulation Continuous Wave，线性调频等幅波）方式。

LFMCW波形形成采用了先进的数字频率合成方式，频率变化速率高，性能稳定，线性度好，为测量数据的质量提供了基本保证。

全部元器件使用通用型器件，比较容易采购并且价格适中。

图1是P-SAR 的原理结构图。

由片上系统SOC 控制整个系统的运行，SOC通过SPI总线控制PLL/VCO产生LFMCW波形，LFMCW波形经过耦合器Coupler后，大部分能量经过功率放大器PA输送到发射天线TX Antenna，少量信号传递给混频器Mixer的本地振荡LO。

电波经过目标反射回来后，经过RX Antenna1和RX Antenna2两个接收天线，分别通过低噪声放大器LNA放大，进入各自的混频器Mixer，与LO信号混频后，经过放大、滤波，通过模拟数字转换器端口ADC进入SOC，经过SOC处理后，经过USB总线，通过无线链路Data link传送到地面设备。

图1 P-SAR 原理结构图
LFMCW使用的信号表达式为[5]：
s(t)=rect(t T⁄)exp⁡*jπKt2+ (1)
其中，信号持续时间为T s，振幅为常量，K 是线性调制率，单位是Hz/s，K与T的乘积即为带宽。

t是时间。

而实际上，射频电路发射的只有实信号，因此，只需讨论：
s(t)=sin(2π(Kt+f s)t) (2)
其中，信号持续时间为T s，振幅为常量，起始频率为f s，K是线性调制率，单位是Hz/s，带宽为K和T的乘积，时间为t。

在SOC控制下，系统周期性发射LFMCW信号，同时接收目标的反射电波，由于电磁波从发射到目标反射回接收天线以光速c进行传播，假设目标反射回来的延迟时间为t d,目标的距离为dist,则：t d=2(dist c⁄)⁡⁡⁡⁡⁡ (3)
将接收到的反射电磁波与正在发射的电磁波进行混频操作，即可得到两种电磁波的和频与差频，和频频率太高，没有处理的意义，被滤除，而差频反映了目标的距离。

目标的反射信号频率与此时发射信号频率的差频f diff为：
f diff=⁡t d⁡⁡K⁡ (4)
由公式3和公式4可得：
⁡dist=⁡c⁡f diff(2K)
⁄⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡ (5) 公式5揭示了差频频率与距离的关系，而线性调制率K是人为设定的，因此由公式5可以直接获取目标距离。

由离散时域到频域的转换可以通过DFT ( Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)实现。

而最终的聚焦成像也已经是比较成熟的技术，方法也有很多，例如在参考文献[6][7][8][9][10]中有很全面的介绍。

从减轻自身重量上来说，理应选择单天线收发切换的模式[4]，但是，由于P-SAR是挂载在超低空飞行器上的，作用距离一般不会超过1000m，此时，发射、接收时间就只有几μs，采样时间同样在这个时间范围内，因此必须达到相当的功率才可以累计到足够的能量，这对频率合成以及功率放大模块
提出了很高的要求，同时会增加功耗。

综合衡量以
后，采用收发天线独立的方式更为适合，当然，这样必须在天线设计和选型上多做一些工作，以减轻重量。

为了能扩展P-SAR的应用，充分利用宝贵的飞行作业时间，P-SAR采用了单发射-双接收的模式，两个独立的接收通道严格同步工作，根据作用的不同，可以选择两个接收天线的类型和相对位置关系。

例如当用于分析目标的极化特性时，可以选择两个接收天线分别为不同极化方向，并且上下竖直安装。

由于民用无人机特别是旋翼机飞行高度有限，为了扩大测绘带宽、提高测绘效率，天线在垂直方向的主波瓣宽度不宜过窄。

经设计仿真与实际测试，Patch阵列天线和波导喇叭天线这两种天线在选用合适的参数后都比较适合。

为了减小风阻，在固定翼飞机上建议使用Patch阵列天线，而旋翼机的飞行原理与固定翼有着很大区别，通常的速度不是很快，因此对风阻的要求不像固定翼那么严格，采用波导喇叭天线是一种很好的选择，因为波导喇叭天线的各个参数都比较好控制。

P-SAR使用的一种
H1008波导喇叭天线的反射性能测试如图2。

该天线也是自行设计制作的。

图2 H1008天线反射性能
3 P-SAR实际测试结果
在经过大量的地面调测实验后，开始陆续在多个区域展开了试飞成像实验。

飞行载体为大疆M600六旋翼无人机。

为了使得平台在工作中更为稳定，一开始的测试是将
P-SAR挂载在RONIN MX云台上，但是经测试发现该云台的自重太大（超过3kg,而P-SAR重量也只有1kg），严重影响了续航能力，因此后来选择了无云台直接挂载模式。

得益于大疆M600的优异的飞行姿态稳定性，经测试，即使是直接挂载，在风速不太大（小于6级风）的时候，仍可以获得较好的效果。

飞行操控与路线规划都可以通过大疆搭配的DJI GS PRO软件完成，十分方便。

图3是P-SAR安装在大疆M600旋翼上的情形，左下角是在飞行作业的时候的状态。

图3 P-SAR安装在大疆M600旋翼机上的状态，左下角是作业状态图4是在P-SAR搭载在M600上进行水田合成孔径雷达成像的成果。

可见水体呈现明显的低散射回波特性，农作物分界线清晰可见，不同的作物其反射特性也不一样，区别很明显。

图4 P-SAR水田作业成像结果（HH极化）
图5是P-SAR搭载在M600上在复杂地物区域的成像结果，该片区域既有水域，也有建筑物和多种植物等。

图5 P-SAR在复杂地物区域的成像结果（HH 极化）
将P-SAR图像与光学图像叠加后得到图6。

在图6中，为了突出P-SAR成像与光学图像的对比，图像右侧运动场上，有一半是光学成像（边缘），另一半是P-SAR成像（中间），可以看出，在P-SAR 的图像中，足球球门呈现金属物特有的强反射特征，清晰可见，对比光学成像结果，照片中的球门对比度不高，不容易发现，这充分体现了微波雷达对地物识别能力的优势。

图6 P-SAR 雷达图像与光学图像叠加效果
不同波长的电磁波对于不同的材质有着移动的穿透性。

因此微波雷达不仅可以探测物体表面，还可以穿透一定厚度的外层。

这个特性可以用于发现掩体或者伪装下的金属目标（例如迷彩布下的坦克，炮衣覆盖的火炮等）。

P-SAR 采用的C 波段在穿
透力特性上属于中间类型[1]。

由于P-SAR 设计成了双天线单次同时接收模式，因此可以方便地进行配准并进行高程数据的提取。

图7是P-SAR 形成的高程模型，灰度值反映了高程。

但是由于飞行器限制，天线基线太短，而且算法本身仍在优化，因此本次实验形成的高程数据质量并不理想。

图7 P-SAR 获取的高程模型
4 结束语
本院研制的超小型合成孔径雷达P-SAR 在重量、体积、功耗上十分适合装载于民用无人机上，可以实现超低空微波雷达成像，其对地物的分辨有着光学传感器无法做到的优势，特别是对于金属目标的敏感性。

作为民用无人机的载荷，可以广泛用于应急测绘、灾后调查、灾害预报、资源调查、海洋调查、农业调查，也可以用于军事侦察。

另外，其成本也降到了前所未有的程度，大约相当于目前主流产品的1/10，不仅利于生产行业的普及，同时对遥感、测绘相关专业的教学也具有重大意义。

当然，同时也要认识到的是，其成像质量等指标仍然有可以提高的余地，在今后的工作中，应该进一步研究，不遗余力地为测绘设备国产化作出努力。

参考文献：
[1] 李平湘，杨杰.雷达干涉测量原理与应用(第2版)[M].北京: 测绘出版社，2016. [2] 刘永坦.雷达成像技术[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，1999.
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参考文献：
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