Selbstgebauter polarimetrischer Synthetic-Aperture-Radar-Drohne

Selbstgebaute polarimetrische Synthetic-Aperture-Radar-Drohne

Einführung

• Der Autor hat mehrere selbstgebaute Radarsysteme entwickelt und am Boden Tests zur Synthetic-Aperture-Bildgebung durchgeführt.
• Er wollte ein Radar an einer Drohne montieren, um aus der Luft Synthetic-Aperture-Bilder aufzunehmen.
• Früher waren mittelgroße Drohnen teuer, doch in letzter Zeit sind die Preise für chinesische FPV-Drohnen stark gefallen.
• Der Autor kaufte ein günstiges chinesisches 7-Zoll-FPV-Kit und ein kleines GPS+Kompass-Modul, um ein leichtes Synthetic-Aperture-Radar-System zu bauen.

Synthetic-Aperture-Bildgebung

• Ein Einkanal-Radar kann nur die Entfernung zu einem Ziel messen und keinen Winkel erfassen.
• Wenn mehrere Empfangskanäle linear angeordnet werden, legt das Signal je nach Zielwinkel geringfügig unterschiedliche Distanzen zurück, was Phasenänderungen verursacht.
• Ein Synthetic-Aperture-Radar kann ein Einkanal-Radar auf einer Drohne montieren, während des Flugs Messungen durchführen und so eine große synthetische Apertur erzeugen, die eine hervorragende Winkelauflösung bietet.

Radardesign

• Das Ziel des Radardesigns war, in eine FPV-Drohne zu passen und mit minimalem Budget (<500 EUR) die bestmögliche Bildgebungsleistung zu erzielen.
• Aufgrund der kleinen Drohnengröße ist auch die maximale Größe des Radars begrenzt.
• Es gibt mehrere Radararchitekturen, und FMCW-Radar ist für kurze Distanzen und langsam bewegte Plattformen vorteilhaft.

RF-Design

• Bei FMCW-Radar können Sende- und Empfangsantennen gleichzeitig verwendet werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern kann.
• Es gibt einen Polarisationsschalter, mit dem sich die Polarisation der Sende- und Empfangsantennen auswählen lässt.
• Die Empfangsleistung kann unter Berücksichtigung von Sendeleistung, Antennengewinn, Wellenlänge, Radarquer­schnitt des Ziels, Entfernung und weiteren Faktoren berechnet werden.

Link-Budget

• Die Empfangsleistung wird unter Berücksichtigung von Sendeleistung, Antennengewinn, Wellenlänge, Radarquerschnitt des Ziels, Entfernung und weiteren Faktoren berechnet.
• Die synthetische Apertur wird durch das Senden mehrerer Pulse während der Bewegung gebildet, was das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht.

Pulswiederholfrequenz

• Die Radarbildgebung basiert auf den Phaseninformationen des empfangenen Signals.
• Die maximale Phasendifferenz darf 180 Grad nicht überschreiten; dies kann auftreten, wenn der Messabstand größer als 1/4 der Wellenlänge ist.

Erforderliche ADC-Abtastfrequenz

• FMCW-Radar mischt das Empfangssignal mit einer Kopie des Sendesweeps und erzeugt so am Mischer-Ausgang ein sinusförmiges Signal.
• Die erforderliche ADC-Abtastrate kann anhand der maximalen Zielentfernung und der RF-Bandbreite berechnet werden.

FPGA

• Ein FPGA ist erforderlich, um die Datenmenge und die strengen Timing-Anforderungen bei der Sweep-Erzeugung zu bewältigen.
• Verwendet wird ein Zynq 7020 FPGA, das FPGA-Fabric und einen Dual-Core-ARM-Prozessor kombiniert.

PCB

• Das PCB wurde mit 6 Lagen ausgelegt und so klein wie möglich gestaltet.
• Es ist so ausgelegt, dass es direkt an die Drohnenbatterie angeschlossen werden kann.

Drohnenelektronik

• Der im Drohnen-Kit enthaltene Flight Controller ist ein Speedybee F405 V3.
• Er unterstützt autonomen Flug mit der Software ArduPilot.

Antenne

• Je breiter die Strahlbreite der Antenne ist, desto besser wird die Auflösung des SAR-Bilds.
• Bei Drohnen-SAR ist die Antennengröße begrenzt, daher ist es schwierig, große Antennen an der Drohne zu montieren.
• Eine gestapelte Patch-Antenne wird verwendet, um Dual-Polarisation, große Bandbreite und hohen Gewinn zu bieten.

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• In letzter Zeit sind die Preise für kleine FPV-Drohnen stark gefallen. In China kann man 5-Zoll- und 7-Zoll-Propeller-Quadcopter ohne Akku und RC-Controller für etwa 100 Euro kaufen.

  • Trotz ihrer geringen Größe können sie eine Nutzlast von über etwa 1 kg heben, was für ein kleines Radar ausreicht.
  • Der Grund für den Preisverfall ist, dass China große Mengen an beide Seiten in der Ukraine verkauft. China profitiert von Skaleneffekten, und Russland wie die Ukraine verbrauchen jeden Monat etwa 100.000 Drohnen. Die meisten Teile werden aus China beschafft.

• Als DIYer bin ich beeindruckt, wie gut Henrik die komplexen Teile wie Signalverarbeitung, Hardware, GPU-Beschleunigung und Algorithmus-Optimierung umgesetzt hat. Ich wünschte, die HN-Community hätte einen Preis für solche erstaunlichen Leistungen.

• Das ist das erste Mal, dass ich einen SAR-Algorithmus erklärt gesehen habe. Die SAR-Projekte, die ich bisher gesehen habe, haben diesen Teil eher oberflächlich behandelt.

  • Ich frage mich, ob jemand anderes noch weiteres Material dazu gesehen hat. Ich habe vor, das verlinkte Paper durchzuarbeiten.
  • Es scheint, als ließen sich die Positionsprobleme weitgehend mit Autofokus lösen. Auch das sehe ich hier zum ersten Mal.

• Ich habe viele SAR-Bilder aus deutlich teureren Systemen gesehen, aber noch nie Bilder, die so gut sind. Wirklich erstaunliche Arbeit.

• Mit einem Upvote allein lässt sich der Wert dieser Arbeit nicht angemessen ausdrücken. Ein wirklich erstaunlicher Beitrag. Danke.

• Deshalb lese ich Hacker News.

  • Jeden Monat erscheint ein neuer Artikel, der mein Raketenabwehrsystem im Vorort verbessert und dafür sorgt, dass die Nachbarn ihre Hunde nicht auf meinen Rasen bringen.
  • Es war immer eine Herausforderung, das Gelände meiner Nachbarschaft zu kartieren, damit meine Raketen die richtigen Kriminellen finden. Jetzt kann ich dafür Drohnen einsetzen.
  • Es ist ein Verteidigungssystem mit Raketen, nicht ein Verteidigungssystem gegen Raketen. Das wäre albern.

• Wirklich ein erstaunliches Projekt. Eine hervorragende Synthese von Technologien, um ein cooles Projekt zu bauen. Beeindruckend.

• Falls man eine 100-Meter-Antenne bräuchte: Könnte man mehrere Drohnen verwenden, um eine 100-Meter-Parabelbahn zu koordinieren und so etwas Näherungsweises zu erzeugen?

• Mit diesem Projekt könnte man auch nachts Russen hinter Bäumen sehen.

  • Werden chinesische Drohnen bald europäische Städte angreifen und rund um die Uhr Zivilisten jagen können?

• Wirklich ein beeindruckendes Projekt und großartige Ergebnisse. Danke fürs Teilen auf HN.