자체 제작한 Polarimetric Synthetic Aperture Radar 드론

자작 편광 합성 개구 레이더 드론

소개

• 저자는 여러 자작 레이더를 만들고 지상에서 합성 개구 이미징 테스트를 수행해 왔음.
• 드론에 레이더를 장착하여 공중에서 합성 개구 이미지를 캡처하고자 했음.
• 과거에는 중형 드론의 가격이 높았으나, 최근에는 중국산 FPV 드론 가격이 크게 하락했음.
• 저자는 저렴한 중국산 7인치 FPV 키트와 소형 GPS+컴퍼스 모듈을 구매하여 경량 합성 개구 레이더 시스템을 만들고자 함.

합성 개구 이미징

• 단일 채널 레이더는 목표물의 거리만 측정할 수 있으며 각도를 감지할 수 없음.
• 여러 수신 채널을 선형으로 배열하면 목표물의 각도에 따라 신호가 약간 다른 거리를 이동하여 위상 변화를 일으킴.
• 합성 개구 레이더는 단일 채널 레이더를 드론에 장착하여 비행 중 측정을 수행하고, 뛰어난 각도 해상도를 제공하는 큰 합성 개구를 생성할 수 있음.

레이더 설계

• 레이더 설계 목표는 FPV 드론에 맞추고 최소 예산(<500 EUR)으로 최상의 이미징 성능을 얻는 것임.
• 드론의 크기가 작아 레이더의 최대 크기가 제한됨.
• 여러 레이더 아키텍처가 있으며, FMCW 레이더는 단거리 및 느리게 움직이는 플랫폼에 유리함.

RF 설계

• FMCW 레이더는 송신 및 수신 안테나를 동시에 사용할 수 있어 신호 대 잡음비(SNR)를 개선할 수 있음.
• 송신 및 수신 안테나의 편광을 선택할 수 있는 편광 스위치가 있음.
• 송신 전력, 안테나 이득, 파장, 목표물의 레이더 단면적, 거리 등을 고려하여 수신 전력을 계산할 수 있음.

링크 예산

• 수신 전력은 송신 전력, 안테나 이득, 파장, 목표물의 레이더 단면적, 거리 등을 고려하여 계산됨.
• 합성 개구는 이동 중 여러 펄스를 전송하여 형성되며, 이는 신호 대 잡음비를 증가시킴.

펄스 반복 주파수

• 레이더 이미지 형성은 수신 신호의 위상 정보를 기반으로 함.
• 최대 위상 차이가 180도를 넘지 않도록 해야 하며, 이는 측정 간격이 1/4 파장 이상일 때 발생할 수 있음.

필요한 ADC 샘플링 주파수

• FMCW 레이더는 수신 신호를 송신 스윕의 복사본과 혼합하여 믹서 출력에서 사인파 신호를 생성함.
• 최대 목표 거리와 RF 대역폭에 따라 필요한 ADC 샘플링 속도를 계산할 수 있음.

FPGA

• FPGA는 데이터 양과 스윕 생성의 엄격한 타이밍 요구 사항을 처리하기 위해 필요함.
• Zynq 7020 FPGA를 사용하여 FPGA 패브릭과 듀얼 코어 ARM 프로세서를 결합함.

PCB

• PCB는 6층으로 설계되었으며, 가능한 한 작게 설계됨.
• 드론의 배터리에 직접 연결할 수 있도록 설계됨.

드론 전자 장치

• 드론 키트에 포함된 비행 컨트롤러는 Speedybee F405 V3임.
• ArduPilot 소프트웨어를 사용하여 자율 비행을 지원함.

안테나

• 안테나의 빔 폭이 넓을수록 SAR 이미지의 해상도가 향상됨.
• 드론 SAR의 경우 안테나의 크기가 제한적이므로 큰 안테나를 드론에 장착하기 어려움.
• 스택형 패치 안테나를 사용하여 듀얼 편광, 넓은 대역폭, 높은 이득을 제공함.