低成本小型化全极化SAR无人机系统设计与实现
作者基于地面合成孔径雷达（SAR）成像经验，希望将雷达搭载到无人机实现空中成像。早期因中型无人机（如DJI S900）成本过高（约15,000英镑）而搁置。近年小型FPV无人机价格大幅下降（约100欧元），可承载1kg有效载荷，促使项目重启。
技术原理
合成孔径成像
单通道雷达通过移动形成虚拟大孔径，提升角分辨率（公式：Δθ≈λ/D）。
横向分辨率公式：Δy = 2r·sin(Δθ)，需飞行轨迹长度（L）满足Δθ=λ/L。
雷达架构选择
FMCW雷达：优于脉冲雷达，支持同时收发，提升信噪比（SNR），适合短距离、慢速平台。
极化开关：支持HH/HV/VH/VV四种极化组合，通过双端口天线实现双极化，增强目标反射特性分析。
关键参数
频率：6GHz（低成本组件易获取）。
带宽：500MHz（距离分辨率0.3m）。
功率：30dBm发射功率，需50dB以上TX-RX隔离防止接收器饱和。
ADC采样率：50MHz（支持2km最大距离）。
硬件设计
雷达系统
架构：基于Zynq 7020 FPGA（集成ARM处理器），实现高速数据采集（50MHz ADC）与存储（SD卡/EMMC）。
PCB设计：6层板，尺寸113x48mm，集成PLL、功率放大器（PA）、低噪放（LNA）及极化开关。
散热：铝基板PCB散热器解决PA发热问题。
天线设计
双极化堆叠贴片馈电喇叭天线：
结构：双层贴片+金属喇叭，尺寸45x45mm（贴片），65x65mm（喇叭孔径）。
性能：10dB增益，4.5-6.2GHz带宽，-10dB旁瓣抑制，降低TX-RX泄漏。
极化隔离：通过H形缝隙耦合和90度馈电布局实现。
无人机平台
机型：7英寸FPV四轴飞行器，负载能力1kg，成本约100欧元。
导航系统：Speedybee F405 V3飞控+GPS/IMU，集成ArduPilot固件支持自主飞行与聚光灯成像（ROI跟踪）。
通信：ExpressLRS无线电链路，单链路实现遥控与MAVLink遥测。、
软件与算法
图像形成
反投影算法：GPU加速（CUDA），极坐标投影优化计算量（RTX3090Ti处理1km²图像需<1秒）。
自动对焦：基于PyTorch的反向传播优化，校正GPS/IMU定位误差，提升图像清晰度。
数据采集
参数：扫描长度200-400μs，PRF 715Hz-1kHz，每次任务采集51,200次扫描。
极化切换：时分复用四种极化，帧重叠512扫描生成视频SAR。
实验结果
成像性能
分辨率：0.3m（距离）×0.3m（横向）。
NESZ（噪声等效σ0）：-20dBsm（1-2km范围适用）。
极化分析：HH/VV反射强于HV/VH，地物（如道路、建筑）极化特性明显，植被交叉极化反射均匀。
实测案例
单极化（VV）：未自动对焦图像模糊，优化后细节清晰（如电线、树木阴影）。
全极化：RGB合成图像显示地物极化差异，校准后可用于目标分类。
视频SAR：八边形轨迹生成动态影像，帧率10倍加速，展现目标多角度反射特性。
挑战与创新
技术难点
尺寸限制：雷达需适配小型无人机，天线设计兼顾增益与隔离。
成本控制：FR4材料替代低损耗射频基板，牺牲部分性能（约0.5-1dB增益损失）。
数据存储：FPGA直接写入SD卡，通过开源控制器（sdspi）突破25MB/s速率限制。
创新点
堆叠贴片喇叭天线：低成本实现双极化与宽带宽。
自动对焦优化：结合深度学习框架提升算法泛用性。
系统集成：FPV无人机+开源飞控+自制雷达的全栈方案，总成本<500欧元。
应用前景
- 遥感监测：森林覆盖、地表变化、灾害评估。
- 基础设施巡检：电力线、桥梁、管道检测。
- 极地/夜间作业：克服光学传感器局限，实现全天候成像。
