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原理圖下載高性價比無人機載合成孔徑雷達系統(tǒng)

1445913 2025-02-27 | pdf | 1.41 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

系統(tǒng)成本構成包括：無人機約200歐元，兩片雷達電路板600歐元。

該合成孔徑雷達無人機系統(tǒng)成像距離至少可達1.5公里，若提升飛行高度探測范圍可進一步擴展。整套系統(tǒng)（含雷達、無人機及電池）總重不足1千克，具備HH、HV、VH、VV全極化測量能力?；谔荻茸钚§氐淖跃劢?a href='http://www.www27dydycom.cn/v/tag/2562/' target='_blank' class='arckwlink_none'>算法配合非RTK級GPS與慣性測量單元（IMU）傳感器數(shù)據(jù)，即可利用寬波束天線獲取高質(zhì)量成像。

這里我們把設計原理簡單概述一下：

雷達設計

無人機框架尺寸

本項目的核心設計目標在于實現(xiàn)無人機載微型合成孔徑雷達系統(tǒng)的最優(yōu)成像性能，同時滿足三大技術約束：微型化適配（可集成于7英寸FPV無人機）、低成本控制（預算<500歐元）以及材料受限（強制使用FR4基板）。預算限制排除了低損耗射頻材料的應用可能，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成嚴峻挑戰(zhàn)。

FMCW（左）與脈沖雷達（右）架構框圖對比示意圖

在既有技術積累基礎上，主要考慮兩種架構方案：

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670ns脈寬限制）

平均發(fā)射功率受限導致信噪比下降

超短脈沖序列增加成像算法復雜度

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 設計

FMCW 雷達架構

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，結合發(fā)射端開關可實現(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。

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，混頻器沒有鏡像抑制功能。這導致傳輸信號頻率上下兩側的頻率都會被轉(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。

PCB部分

KiCad 中的3D模型

PCB 有六層，通過高密度元件布局實現(xiàn)空間最小化。由于單面組裝比雙面組裝成本低，除底部需手動焊接的SD卡接口外，其余元件均集中布置于頂層。

與我以前的許多雷達一樣，射頻部分在 PCB 和整個設計工作中占的空間相對較小。數(shù)字器件和穩(wěn)壓器占據(jù)了 PCB 的大部分空間。

組裝完的 PCB

本雷達采用寬壓輸入設計，直接兼容無人機電池供電系統(tǒng)，支持12-30V直流輸入范圍。通過優(yōu)化電源拓撲結構，省去外置DC/TC穩(wěn)壓模塊，顯著提升系統(tǒng)集成度與能效表現(xiàn)。

由于空間有限，沒有足夠的空間安裝四個 SMA 連接器，我也不想使用任何微型射頻連接器。最上面的兩個連接器是用于 H 極化和 V 極化天線輸入的可切換 TX 輸出，最下面的第三個連接器是 RX 輸入。RX 極化開關位于外部 PCB 上，與 PCB 板右下方的三個四針 JST 連接器之一相連。另一個 JST 連接器用于連接飛行控制器的串行端口，第三個連接器目前未使用，但可用于連接 GPS 等設備。

還有兩個 USB-C 連接器：一個用于 JTAG 編程和調(diào)試 FPGA，另一個連接 USB3 到 FIFO 橋接芯片，可將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)?PC。無人機使用時不需要它，但在測試和其他應用中很有用。

PCB 尺寸為 113 x 48 毫米。寬度剛好可以裝在無人機上，而長度則可以稍長一些。

SD 卡插接 PCB

我確實犯了一個錯誤：把 SD 卡的引腳誤連接到 1.8 V I/O 端口，而它們應該連接到 3.3 V I/O，SD 卡在這種較低電壓下無法工作。雷達可以不使用 SD 卡，而是將數(shù)據(jù)存儲到 EMMC 中，然后通過 USB 讀取數(shù)據(jù)，但使用 SD 卡要方便得多。我真的不想再訂購一塊 PCB 來彌補這個錯誤，于是我設計了一塊帶有電平轉(zhuǎn)換器的小型插接 PCB，焊接在之前的 SD 卡封裝上，從而彌補了這個錯誤。