電子發燒友網>電子資料下載>電子資料>原理圖下載高性價比無人機載合成孔徑雷達系統

原理圖下載高性價比無人機載合成孔徑雷達系統

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

資料介紹

系統成本構成包括：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（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。基于梯度最小熵的自聚焦算法配合非RTK級GPS與慣性測量單元（IMU）傳感器數據，即可利用寬波束天線獲取高質量成像。

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無人機載微型合成孔徑雷達系統的最優成像性能，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，電子系統與天線均需采用常規FR4基板實現。

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。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。

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

改良型雙斜坡發生器設計可生成低頻中頻信號，規避高速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

需配置獨立收發天線（占用更多空間）

2. FMCW雷達方案：

支持全雙工收發，顯著提升信噪比

掃頻時長僅受合成孔徑采樣速率約束（可達數百微秒級）

需確保回波信號與發射掃頻信號的時域重疊

單次掃頻可捕獲更多回波能量，有利于提升信號質量

FMCW雷達優勢：

在近距離（<數公里）、低速平臺場景下性能優勢顯著

狹長空間可并置微型收發天線

成本效益比優于脈沖方案

綜合評估表明，在微型化、低成本約束下，FMCW架構更適配本項目需求。其連續波特性可突破脈沖雷達的時域限制，在有限空間內實現更優的成像性能與系統集成度。

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（PLL）生成，經可變衰減器調節后由功率放大器（PA）放大。大部分信號傳輸至發射天線，通過極化切換開關選擇垂直（V）或水平（H）極化模式。部分發射信號耦合至接收混頻器，與經低噪聲放大器（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，結合發射端開關可實現HH/HV/VH/VV四種極化組合的收發模式。混頻器輸出的低頻信號經放大后由模數轉換器（ADC）數字化，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。

接收機采用直接轉換架構，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。考慮到僅能提高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（水平發射水平接收）、HV（水平發射垂直接收）、VH（垂直發射水平接收）和VV（垂直發射垂直接收）。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，一個端口發射H極化信號，另一個端口發射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。數字器件和穩壓器占據了 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，支持12-30V直流輸入范圍。通過優化電源拓撲結構，省去外置DC/TC穩壓模塊，顯著提升系統集成度與能效表現。

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 編程和調試 FPGA，另一個連接 USB3 到 FIFO 橋接芯片，可將數據快速傳輸到 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，而是將數據存儲到 EMMC 中，然后通過 USB 讀取數據，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。