硬核DIY，从零打造一台低成本全功能无人机载SAR成像系统

最近刷到一个国外老哥自制无人机机载SAR的技术博客，花了几天时间研究琢磨，输出一篇文章记录实现方法、技术原理及实际测试表现。

这个项目以极低的成本（无人机约200欧元，雷达PCB约600欧元）和约10个月的业余时间投入，成功实现了一套重量不足1公斤、成像距离超过1.5km、具备全极化和视频成像能力的高性能无人机载SAR系统。

该项目虽然预算和规模远小于常规商用或科研级SAR系统，但通过精心设计和优化，也取得了显著的效果。

原作者大神已将相关技术开源。

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为什么选择合成孔径雷达

传统雷达通过测量目标距离和角度来定位目标，但雷达天线尺寸限制了角度分辨率。根据雷达公式：

其中λ为波长，D为天线直径。

例如，要在1公里距离处获得1米分辨率，需要0.03°的角分辨率，这要求天线尺寸约为100米。合成孔径雷达技术通过移动单个雷达并进行多次测量，能够达到与大型多通道雷达系统相同的成像效果。

无人机SAR可获得地面特征的重要信息，特别适用于地形测绘、植被观测与灾害评估等领域。

无人机平台与硬件选型

作者首先考虑到成本和尺寸，选择了一款低价的中国产7英寸环翼FPV无人机，仅需约100欧元（不含电池与遥控器）。

小型FPV无人机虽体积小，但起重能力却出乎意料地强悍，可以轻松承载1kg以内的有效载荷。

小型无人机平台选择成本低且负载能力较好。

同时选择了价格更低的GPS与指南针模块，实现无人机的自主飞行控制。

飞控采用了开源的ArduPilot软件，可以实现复杂的自主飞行任务控制和精细的位置导航，搭配常见的Mission Planner地面站软件用于任务规划。

飞控模块使用Speedybee F405 V3，搭载ArduPilot固件。

FMCW 雷达系统设计

该SAR系统采用的是调频连续波（FMCW）结构，而非常见的脉冲雷达。这是综合考量分辨率要求、低成本ADC采样器件以及小尺寸空间限制后的最优选择。

相比脉冲雷达，FMCW雷达可以同时发射与接收信号，从而拥有更佳的信噪比表现。

设计采用6GHz射频频率，最大发射功率约为30 dBm，接收端由低噪放大器（LNA）与直接混频器组成，并配备极化开关，可以测量HH、HV、VH和VV四种极化组合信号。

尽管系统中还有一定的收发端泄露（TX-RX Leakage）问题，但作者通过设计极化开关和天线隔离板，使得泄露信号压制到合理水平内，不至于使LNA饱和。

天线与结构设计

受无人机小尺寸限制，传统的号角天线无法使用，普通FR4材质PCB贴片天线带宽不足且增益低。

因此，作者设计了一种基于槽耦合叠层贴片天线结构，并增加了金属板环绕形成了贴片馈电号角复合结构。

这种混合方案确保了较大的带宽与较高的增益（约10 dBi），符合尺寸要求、性能要求，且制作简单、成本低廉。

FPGA和数字信号处理设计方案

该雷达数据量大且实时性要求极强，故而采用了FPGA来实现高速信号处理。

最好使用了Zynq 7020 FPGA，内置ARM双核CPU处理飞控通讯与数据存储。

受芯片I/O接口限制，额外在FPGA端实现了高速SD卡与eMMC接口用于高速数据存储，增强了系统灵活性。

成像算法与GPU加速

SAR图像重建采用反投影（Backprojection）方法，高质量成像依赖于高精度位置导航。

由于GPS精度不足以支持厘米精度定位，作者使用了一种基于梯度优化与熵最小化的自聚焦算法，利用雷达数据本身实现高精度位置校正。

同时专门开发了基于GPU（CUDA）的加速计算库（已开源于Github）。

这使得图像处理速度得到显著提升，即便几十亿次复杂计算，也可以在数秒内完成，有效提高了算法的实用性。

实际飞行测试与结果呈现

单极化成像测试

在开阔地进行测试，无人机在110米高度直线飞行500米，速度5 m/s。雷达配置为VV极化，扫频长度400微秒，带宽500 MHz。

距离压缩后的原始数据显示了从地面100米处的强反射以及远距离的微弱反射信号。

未经自聚焦的SAR图像已能识别地理特征，但仍然模糊。

经过30次最小熵梯度优化自聚焦后，图像质量显著改善。低视角导致高大结构投下长阴影，图像中可清晰识别地面细节。

全极化测量

在另一地点进行了全极化测量，雷达快速切换四种极化状态。扫频长度减少至200微秒，每种极化的脉冲重复频率为715 Hz。

四种极化图像显示，交叉极化图像（HV和VH）由于交叉极化分量较小而幅度较弱。

彩色极化图像显示地面呈紫色，表明其反射VV和HH极化优于交叉极化分量。森林区域呈白色，表明各极化反射相对均匀。

视频SAR

通过八边形飞行轨迹并将天线指向中心，可从一次长基线测量中合成多幅小基线图像，制作成视频SAR。每帧使用1024次雷达扫频，帧间重叠512次扫频。

视频显示桥梁和电力线在90度角时产生强反射，移动的亮点实际上是护栏的闪烁反射。

成像几何分析

在120米飞行高度限制下，2公里距离处的掠射角仅3.4度。

10米高的树木在此角度下投下170米长的阴影，限制了远距离地面目标的观测能力。

总结

该合成孔径雷达无人机系统成功实现了以下技术指标：

• 成像距离：至少1.5公里，更高飞行高度下可能更远
• 系统重量：包括雷达、无人机和电池在内不到1公斤
• 极化能力：支持HH、HV、VH、VV四种极化测量
• 自聚焦技术：基于梯度的最小熵自聚焦算法能够仅使用非RTK GPS和IMU信息产生高质量图像
• 系统成本：无人机约200欧元，两块雷达PCB约600欧元，总成本控制在合理范围内

该系统在宽天线波束条件下，通过先进的自聚焦算法克服了定位精度限制，展现了优异的成像性能。

相关的可微分GPU图像形成库已在Github开源发布，为进一步的研究和应用提供了技术基础。

原作者大神已将相关技术开源。

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