“一起來(lái)看看實(shí)測(cè)的效果。”

測(cè)量 在ArduPilot Mission Planner中配置任務(wù)

任務(wù)已通過(guò) ArduPilot Mission Planner 預(yù)先編程設(shè)定。無(wú)人機(jī)將自動(dòng)飛越預(yù)設(shè)航點(diǎn)，任務(wù)中還包含設(shè)置ROI（關(guān)注區(qū)域）的命令以確保天線始終指向該區(qū)域，并通過(guò)任務(wù)中的 digicam 配置命令啟動(dòng)雷達(dá)測(cè)量。該命令原本用于配置普通相機(jī)，但我對(duì)雷達(dá)微控制器進(jìn)行了編程，使其能夠響應(yīng)此命令。利用現(xiàn)有命令可輕松實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與現(xiàn)有 ArduPilot 軟件的協(xié)同工作。

為實(shí)現(xiàn)聚光燈成像模式所需的 ROI 設(shè)置，需要對(duì) ArduPilot 固件進(jìn)行補(bǔ)丁修改。默認(rèn)情況下無(wú)人機(jī)頭部始終指向 ROI，而無(wú)法配置為僅天線指向 ROI。該補(bǔ)丁已作為 PR 提交至 ArduPilot 的 Github 倉(cāng)庫(kù)。

飛行中的無(wú)人機(jī)

場(chǎng)景為一片開闊的野外場(chǎng)地。在天線指向方位約1.5公里外可見森林邊緣。無(wú)人機(jī)以5米/秒的速度沿直線飛行，保持110米高度，航程約500米。雷達(dá)參數(shù)設(shè)置為：僅發(fā)射VV極化波，掃描時(shí)長(zhǎng)400微秒，工作帶寬500 MHz，脈沖重復(fù)頻率1 kHz。 范圍壓縮原始數(shù)據(jù)

距離壓縮（傅里葉變換）后的采集數(shù)據(jù)看起來(lái)并不直觀。由于天線波束較寬，每次掃描會(huì)捕獲不同角度的多個(gè)目標(biāo)，因此數(shù)據(jù)并不呈現(xiàn)傳統(tǒng)圖像形態(tài)。

在零距離處存在顯著的發(fā)射-接收（TX-RX）泄漏響應(yīng)，隨后在100米處可見地面反射信號(hào)。盡管天線正下方的增益遠(yuǎn)小于波束中心，但由于反射角度和近距離效應(yīng)，正下方的反射信號(hào)依然非常強(qiáng)烈。在較大的距離上，反射信號(hào)大多低于單次掃描的噪聲水平。然而，在圖像形成過(guò)程中，會(huì)將多次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，這樣可以提高信噪比，從而使得遠(yuǎn)處的一些目標(biāo)也能夠在最終形成的圖像中顯現(xiàn)出來(lái)。某些大型孤立物體清晰可見，其與雷達(dá)的距離會(huì)隨著無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變化。

通過(guò) GPS 和 IMU 記錄的無(wú)人機(jī)位置和天線指向矢量

理想情況下，飛行軌跡應(yīng)為直線，但由于風(fēng)力等環(huán)境因素存在一定擾動(dòng)。該無(wú)人機(jī)重量極輕，即使微風(fēng)也容易對(duì)其飛行姿態(tài)產(chǎn)生影響。由于感興趣區(qū)域（ROI）設(shè)置距離較遠(yuǎn)，測(cè)量過(guò)程中天線指向方向僅產(chǎn)生數(shù)度的微小變化。

未聚焦的 SAR 圖像

上圖展示了未經(jīng)自動(dòng)聚焦處理的SAR圖像，該圖像基于成像算法內(nèi)部使用的偽極坐標(biāo)系生成。所謂"偽極坐標(biāo)"是指其角度軸采用弧度的正弦值而非直接弧度值，這種坐標(biāo)系在計(jì)算效率上略優(yōu)于常規(guī)極坐標(biāo)系。該圖像由51,200次掃描數(shù)據(jù)合成，分辨率達(dá)到6000×20000像素。

相較于原始數(shù)據(jù)，處理后的圖像質(zhì)量可謂天壤之別。雖然各類地形特征已清晰可辨，但由于采用極坐標(biāo)形式，與常規(guī)地圖的直觀對(duì)比仍存在困難。

未聚焦的 SAR 圖像

通過(guò)將偽極坐標(biāo)圖像投影至笛卡爾網(wǎng)格，可獲取笛卡爾坐標(biāo)系圖像。相較于直接在笛卡爾網(wǎng)格上成像，這種投影轉(zhuǎn)換具有顯著的速度優(yōu)勢(shì)?；跓o(wú)人機(jī)電子羅盤的方位測(cè)量數(shù)據(jù)，圖像已進(jìn)行北向校準(zhǔn)處理。由于旋轉(zhuǎn)校正操作，圖像左角存在小范圍數(shù)據(jù)缺失。

當(dāng)前成像結(jié)果仍存在明顯模糊現(xiàn)象。這表明僅依賴GPS和慣性測(cè)量單元（IMU）的定位精度尚不足夠，需通過(guò)自聚焦算法優(yōu)化處理才能獲得高清晰度的聚焦圖像。

自動(dòng)聚焦的 SAR 圖像

經(jīng)過(guò)30次最小熵梯度優(yōu)化自聚焦迭代處理后，圖像質(zhì)量顯著提升。盡管五次迭代可能已足夠收斂，但增加迭代次數(shù)仍能略微提升成像效果。由于每次迭代均需執(zhí)行反投影算法的前向與反向計(jì)算，該處理過(guò)程耗時(shí)數(shù)分鐘。

受低入射角影響，樹木等高大物體在圖像中投射出長(zhǎng)陰影。圖像振幅未進(jìn)行歸一化處理，因此靠近坐標(biāo)原點(diǎn)的區(qū)域呈現(xiàn)較高亮度。天線輻射方向圖特征在圖像中亦有明顯體現(xiàn)：波束中心略微右傾，而圖像左側(cè)區(qū)域因偏離波束中心導(dǎo)致天線增益顯著降低，故該區(qū)域亮度較低。

合成孔徑雷達(dá)圖像細(xì)節(jié)對(duì)比。無(wú)自動(dòng)對(duì)焦（左）和使用最小熵優(yōu)化自動(dòng)對(duì)焦（右）

放大觀察處理后的雷達(dá)圖像可見豐富細(xì)節(jié)。對(duì)比300×300米區(qū)域的自動(dòng)聚焦處理效果可見，經(jīng)優(yōu)化的圖像能清晰呈現(xiàn)農(nóng)田地表細(xì)節(jié)，而未進(jìn)行自聚焦處理的圖像該區(qū)域僅呈現(xiàn)模糊影像。

嘗試采用相位梯度自聚焦算法時(shí)，其處理效果欠佳，所得圖像質(zhì)量與未進(jìn)行自聚焦處理的原始圖像基本相當(dāng)。

圖像左下角的三條線性特征對(duì)應(yīng)高壓輸電線。此類目標(biāo)僅在雷達(dá)波束與其呈90度正交角時(shí)具備可探測(cè)性，其他入射角度下因反射率過(guò)低而無(wú)法成像。

原始及優(yōu)化后的速度

對(duì)比優(yōu)化處理前后的無(wú)人機(jī)飛行速度參數(shù)可見，各方向速度分量的調(diào)整幅度并不顯著。其中沿軌跡方向與距離方向的速度分量均呈現(xiàn)小幅調(diào)整，而高度方向速度分量基本維持不變。

全極化測(cè)量

SAR成像區(qū)域的谷歌地圖衛(wèi)星截圖

在另一地點(diǎn)采用全極化模式（四種極化組合）進(jìn)行了補(bǔ)充測(cè)量。雷達(dá)系統(tǒng)仍沿自主規(guī)劃的直線航跡飛行，但此次快速切換四種極化狀態(tài)。掃描時(shí)長(zhǎng)縮短至200微秒，各極化通道的脈沖重復(fù)頻率保持715赫茲，其余參數(shù)與前期實(shí)驗(yàn)一致。成像處理仍采用 51,200 次掃描數(shù)據(jù)。

四種極化模式下的SAR圖像對(duì)比

四組極化圖像呈現(xiàn)高度相似性，主要差異體現(xiàn)在交叉極化圖像（HV與VH）的振幅較弱，這源于目標(biāo)對(duì)交叉極化信號(hào)的反射率普遍低于同極化分量。

極化合成SAR圖像（經(jīng)自聚焦處理）

不同于單獨(dú)顯示各極化圖像，常規(guī)做法是將不同極化信息映射至RGB顏色通道進(jìn)行融合顯示。該彩色合成圖像能直觀反映目標(biāo)對(duì)不同極化電磁波的反射特性：地面區(qū)域呈現(xiàn)紫色調(diào)，表明其對(duì)VV和HH極化波的反射優(yōu)于交叉極化分量；建筑物及道路沿線燈桿亦呈現(xiàn)類似特征；森林區(qū)域顯示為白色，說(shuō)明其對(duì)各極化波的反射強(qiáng)度基本相當(dāng)。由于未對(duì)天線方向圖效應(yīng)及各極化切換狀態(tài)的通道差異進(jìn)行校準(zhǔn)，部分觀測(cè)差異可能源自硬件特性。更高精度的測(cè)量需實(shí)施系統(tǒng)校準(zhǔn)。

圖中（200, 500）米坐標(biāo)區(qū)域密集點(diǎn)狀特征對(duì)應(yīng)一處園藝區(qū)，其內(nèi)每棵小型樹木均圍有金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

SAR圖像中位于(-50, -80)米坐標(biāo)處的地面實(shí)景照片（朝向負(fù)Y軸方向）

測(cè)量期間地表覆蓋少量積雪。該可見光照片拍攝視角與SAR圖像頂部俯視方向一致。圖中左側(cè)的小片樹林對(duì)應(yīng)SAR圖像中部的樹叢區(qū)域。

視頻SAR成像

無(wú)人機(jī)執(zhí)行八角形航跡的航點(diǎn)規(guī)劃，紅色標(biāo)記為天線指向的感興趣區(qū)域（ROI）

此前的測(cè)量通過(guò)長(zhǎng)基線數(shù)據(jù)合成了單幅高分辨率圖像。而通過(guò)單次長(zhǎng)時(shí)測(cè)量獲取多段短基線數(shù)據(jù)，可生成多幅連續(xù)圖像并進(jìn)一步合成視頻序列。

反投影算法對(duì)飛行軌跡無(wú)線性要求，因此本次實(shí)驗(yàn)編程控制無(wú)人機(jī)沿八角形航跡飛行，并保持天線始終指向八角形中心。

每幀圖像由1024次雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)生成，其中512次掃描與前幀數(shù)據(jù)重疊。由于單幀數(shù)據(jù)量少于全分辨率圖像，視頻幀的噪聲水平較高且角分辨率有所下降。視頻播放速度約為實(shí)際速率的10倍。采用全極化模式，色彩編碼方案與前述極化SAR圖像一致。

各幀獨(dú)立進(jìn)行自動(dòng)聚焦處理且未實(shí)施幀間配準(zhǔn)，導(dǎo)致視頻中偶現(xiàn)輕微抖動(dòng)或跳變現(xiàn)象。八角形航跡的拐角區(qū)域?qū)Τ上袼惴ㄌ魬?zhàn)較大，需同時(shí)精確解算沿軌與跨軌方向的位置信息以保障圖像質(zhì)量。由于各幀基線長(zhǎng)度存在差異（僅掃描次數(shù)相同），不同幀間的角分辨率可能有所波動(dòng)。

自然目標(biāo)（如地面與森林）在各幀中表現(xiàn)穩(wěn)定，但視頻中可觀察到若干強(qiáng)反射現(xiàn)象：例如橋梁與輸電線在雷達(dá)波束正交時(shí)產(chǎn)生顯著回波。橋梁護(hù)欄的閃爍效應(yīng)形成移動(dòng)亮斑。不同極化通道的天線方向圖差異亦可見于目標(biāo)色彩變化——同一目標(biāo)在波束中心與邊緣區(qū)域可能呈現(xiàn)輕微色差。

成像幾何關(guān)系

飛行高度120米時(shí)的雷達(dá)入射角

在無(wú)特殊許可情況下，無(wú)人機(jī)最大飛行高度限制為120米。SAR成像通常采用10至50度入射角。當(dāng)入射角接近90度（垂直下視）時(shí)，反射功率較高，但鄰近目標(biāo)的距離差異極小導(dǎo)致距離分辨率劣化。低入射角雖能提升距離分辨率，但受低掠射角影響，回波功率顯著降低。極端低入射角下的反射功率較常規(guī)45度入射角可能衰減10至20分貝，極大限制雷達(dá)探測(cè)距離。

另一關(guān)鍵問(wèn)題是高大物體引發(fā)的陰影效應(yīng)。例如，120米飛行高度下，2公里距離處的掠射角僅為3.4度。此時(shí)10米高的樹木將投射長(zhǎng)達(dá)170米的陰影，完全遮蔽其后方的地面回波。所有測(cè)量數(shù)據(jù)中均清晰呈現(xiàn)此現(xiàn)象，尤其在極化測(cè)量中，遠(yuǎn)距離處僅能識(shí)別建筑物頂部結(jié)構(gòu)。

結(jié)論

該合成孔徑雷達(dá)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)成像距離至少可達(dá)1.5公里，若提升飛行高度探測(cè)范圍可進(jìn)一步擴(kuò)展。整套系統(tǒng)（含雷達(dá)、無(wú)人機(jī)及電池）總重不足1千克，具備HH、HV、VH、VV全極化測(cè)量能力?；谔荻茸钚§氐淖跃劢顾惴ㄅ浜戏荝TK級(jí)GPS與慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器數(shù)據(jù)，即可利用寬波束天線獲取高質(zhì)量成像。系統(tǒng)成本構(gòu)成包括：無(wú)人機(jī)約200歐元，兩片雷達(dá)電路板600歐元，以及本人利用業(yè)余時(shí)間持續(xù)10個(gè)月的研發(fā)投入?？紤]到系統(tǒng)的低成本，其性能表現(xiàn)令我十分滿意。

原文轉(zhuǎn)載自 https://hforsten.com/homemade-polarimetric-synthetic-aperture-radar-drone.html，已進(jìn)行翻譯及校對(duì)優(yōu)化 附：原理圖 PDF 下載：

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