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。公众号后台输入“自制sar”，获取原作者博客、开源地址内容 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。公众号后台输入“自制sar”，获取原作者博客、开源地址内容 

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