系統(tǒng)成本構(gòu)成包括：無人機(jī)約200歐元，兩片雷達(dá)電路板600歐元。

該合成孔徑雷達(dá)無人機(jī)系統(tǒng)成像距離至少可達(dá)1.5公里，若提升飛行高度探測(cè)范圍可進(jìn)一步擴(kuò)展。整套系統(tǒng)（含雷達(dá)、無人機(jī)及電池）總重不足1千克，具備HH、HV、VH、VV全極化測(cè)量能力。基于梯度最小熵的自聚焦算法配合非RTK級(jí)GPS與慣性測(cè)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(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單概述一下：

雷達(dá)設(shè)計(jì)

無人機(jī)框架尺寸

本項(xiàng)目的核心設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)載微型合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的最優(yōu)成像性能，同時(shí)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(jī)）、低成本控制（預(yù)算<500歐元）以及材料受限（強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。

無人機(jī)尺寸較小制約了雷達(dá)設(shè)計(jì)：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(dá)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(duì)硬件集成構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

FMCW（左）與脈沖雷達(dá)（右）架構(gòu)框圖對(duì)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(dá)方案：

既往研制的64×132mm脈沖雷達(dá)雖寬度稍大但具備優(yōu)化空間

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

擴(kuò)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(jì)可生成低頻中頻信號(hào)，規(guī)避高速ADC需求（SAR雷達(dá)常用方案）

脈沖雷達(dá)固有缺陷：

受限于時(shí)分離收發(fā)機(jī)制，最大脈寬受目標(biāo)往返時(shí)延約束（100m最小作用距離對(duì)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(dú)立收發(fā)天線（占用更多空間）

2. FMCW雷達(dá)方案：

支持全雙工收發(fā)，顯著提升信噪比

掃頻時(shí)長僅受合成孔徑采樣速率約束（可達(dá)數(shù)百微秒級(jí)）

需確?；夭ㄐ盘?hào)與發(fā)射掃頻信號(hào)的時(shí)域重疊

單次掃頻可捕獲更多回波能量，有利于提升信號(hào)質(zhì)量

FMCW雷達(dá)優(yōu)勢(shì)：

在近距離（<數(shù)公里）、低速平臺(tái)場(chǎng)景下性能優(yōu)勢(shì)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(píng)估表明，在微型化、低成本約束下，F(xiàn)MCW架構(gòu)更適配本項(xiàng)目需求。其連續(xù)波特性可突破脈沖雷達(dá)的時(shí)域限制，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的成像性能與系統(tǒng)集成度。

RF 設(shè)計(jì)

FMCW 雷達(dá)架構(gòu)

上圖展示了采用雙極化天線的FMCW雷達(dá)射頻模塊框圖。掃頻信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)HH/HV/VH/VV四種極化組合的收發(fā)模式。混頻器輸出的低頻信號(hào)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?yàn)樵谠擃l率下有大量?jī)r(jià)格低廉的消費(fèi)級(jí)射頻元件可供選擇。在這個(gè)頻率下，最高輸出功率的廉價(jià)功率放大器可以輸出大約30 dBm的功率。同時(shí)，接收端的低噪聲放大器也可以以較低的價(jià)格獲得1 - 2 dB的噪聲系數(shù)。

接收機(jī)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(hào)頻率上下兩側(cè)的頻率都會(huì)被轉(zhuǎn)換為相同的輸出頻率。這并不是理想的情況，因?yàn)榻邮諑獾脑肼晻?huì)增加接收機(jī)的噪聲底，使其提高3 dB。如果采用IQ采樣接收機(jī)，可以抑制另一個(gè)邊帶，但這需要兩個(gè)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(cè)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(biāo)對(duì)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(biāo)的特性。例如，許多平滑的目標(biāo)通常反射與其自身極化相同的信號(hào)，目標(biāo)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(gè)天線。實(shí)際上，可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有兩個(gè)端口的天線，一個(gè)端口發(fā)射H極化信號(hào)，另一個(gè)端口發(fā)射V極化信號(hào)。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(jī)可同步接收H/V極化信號(hào)，優(yōu)勢(shì)包括：消除接收端極化開關(guān)損耗、延長單次測(cè)量時(shí)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(shí)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(dòng)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(dá)一樣，射頻部分在 PCB 和整個(gè)設(shè)計(jì)工作中占的空間相對(duì)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(dá)采用寬壓輸入設(shè)計(jì)，直接兼容無人機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(gè) 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(gè)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(gè)連接器是 RX 輸入。RX 極化開關(guān)位于外部 PCB 上，與 PCB 板右下方的三個(gè)四針 JST 連接器之一相連。另一個(gè) JST 連接器用于連接飛行控制器的串行端口，第三個(gè)連接器目前未使用，但可用于連接 GPS 等設(shè)備。

還有兩個(gè) USB-C 連接器：一個(gè)用于 JTAG 編程和調(diào)試 FPGA，另一個(gè)連接 USB3 到 FIFO 橋接芯片，可將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)?PC。無人機(jī)使用時(shí)不需要它，但在測(cè)試和其他應(yīng)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(jī)上，而長度則可以稍長一些。

SD 卡插接 PCB

我確實(shí)犯了一個(gè)錯(cuò)誤： 把 SD 卡的引腳誤連接到 1.8 V I/O 端口，而它們應(yīng)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(dá)可以不使用 SD 卡，而是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(bǔ)這個(gè)錯(cuò)誤，于是我設(shè)計(jì)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(bǔ)了這個(gè)錯(cuò)誤。

雷達(dá) PCB 下的鋁制 PCB 散熱器

如果發(fā)射占空比較高，功率放大器會(huì)變得很熱。為了保持低溫，我訂購了定制的鋁基板 PCB，用螺栓固定在雷達(dá) PCB 板下面。在功率放大器下面去掉阻焊層，在 PCB 和散熱片之間放置隔熱墊。5 塊電路板只花了 4 美元，而且效果很好。

更詳細(xì)的方案歡迎大家移步到詳情頁：

http://www.asorrir.com/d/6464726.html

無人機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)研制的設(shè)計(jì)原理

http://www.asorrir.com/d/6466347.html

電子設(shè)計(jì)及天線部分

http://www.asorrir.com/d/6467774.html

無人機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圖像生成

http://www.asorrir.com/d/6468688.html

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