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