自作の Polarimetric Synthetic Aperture Radar ドローン

 (hforsten.com)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2025-02-18 | 1件のコメント | WhatsAppで共有

自作の偏波合成開口レーダー・ドローン

紹介

  • 著者はこれまで複数の自作レーダーを製作し、地上で合成開口イメージングのテストを行ってきた。
  • ドローンにレーダーを搭載し、空中から合成開口画像を取得したいと考えた。
  • 以前は中型ドローンの価格が高かったが、最近は中国製 FPV ドローンの価格が大きく下がった。
  • 著者は低価格な中国製 7 インチ FPV キットと小型の GPS+コンパスモジュールを購入し、軽量な合成開口レーダーシステムを作ろうとした。

合成開口イメージング

  • 単一チャネルのレーダーは目標物までの距離しか測定できず、角度は検知できない。
  • 複数の受信チャネルを線形に並べると、目標物の角度に応じて信号がわずかに異なる距離を移動し、位相変化を引き起こす。
  • 合成開口レーダーは単一チャネルのレーダーをドローンに搭載して飛行中に測定を行い、優れた角度分解能を持つ大きな合成開口を生成できる。

レーダー設計

  • レーダー設計の目標は FPV ドローンに収め、最小限の予算（<500 EUR）で最高のイメージング性能を得ることだった。
  • ドローンのサイズが小さいため、レーダーの最大サイズは制限される。
  • レーダーには複数のアーキテクチャがあり、FMCW レーダーは短距離かつ低速で移動するプラットフォームに有利である。

RF 設計

  • FMCW レーダーは送信アンテナと受信アンテナを同時に使用できるため、信号対雑音比（SNR）を改善できる。
  • 送信アンテナと受信アンテナの偏波を選択できる偏波スイッチがある。
  • 送信電力、アンテナ利得、波長、目標物のレーダー断面積、距離などを考慮して受信電力を計算できる。

リンクバジェット

  • 受信電力は送信電力、アンテナ利得、波長、目標物のレーダー断面積、距離などを考慮して計算される。
  • 合成開口は移動中に複数のパルスを送信して形成され、これによって信号対雑音比が向上する。

パルス繰り返し周波数

  • レーダー画像形成は受信信号の位相情報に基づいている。
  • 最大位相差が 180 度を超えないようにする必要があり、これは測定間隔が 1/4 波長以上のときに発生する可能性がある。

必要な ADC サンプリング周波数

  • FMCW レーダーは受信信号を送信スイープのコピーと混合し、ミキサー出力で正弦波信号を生成する。
  • 最大目標距離と RF 帯域幅に応じて必要な ADC サンプリング速度を計算できる。

FPGA

  • FPGA はデータ量とスイープ生成における厳しいタイミング要件を処理するために必要である。
  • Zynq 7020 FPGA を使用し、FPGA ファブリックとデュアルコア ARM プロセッサを組み合わせている。

PCB

  • PCB は 6 層で設計され、可能な限り小さく設計された。
  • ドローンのバッテリーに直接接続できるように設計されている。

ドローン電子機器

  • ドローンキットに含まれるフライトコントローラーは Speedybee F405 V3 である。
  • ArduPilot ソフトウェアを使用して自律飛行をサポートする。

アンテナ

  • アンテナのビーム幅が広いほど、SAR 画像の分解能は向上する。
  • ドローン SAR の場合、アンテナのサイズに制約があるため、大型アンテナをドローンに搭載するのは難しい。
  • スタック型パッチアンテナを使用し、デュアル偏波、広帯域幅、高利得を実現している。

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1件のコメント

 
GN⁺ 2025-02-18
Hacker Newsのコメント

  • 最近は小型FPVドローンの価格がかなり下がっている。中国では、バッテリーとRCコントローラーを除いて、5インチおよび7インチプロペラのクアッドコプターを約100ユーロで購入できる

    • 小型であるにもかかわらず、約1kg以上の荷重を持ち上げられるので、小型レーダーには十分だ
    • 価格下落の理由は、中国がウクライナ戦争の両陣営に大量販売しているためだ。中国は規模の経済で利益を得ており、ロシアとウクライナは毎月およそ100,000機のドローンを消耗している。部品の大半は中国から調達されている

  • DIY愛好家として、Henrikが信号処理、ハードウェア、GPUアクセラレーション、アルゴリズム最適化などの複雑な部分をどれほどうまく実装したのかに感嘆した。HNコミュニティにこうした驚くべき業績を称える賞があればいいのにと思う

  • SARアルゴリズムが説明されているのを初めて見た。これまで見てきたSARプロジェクトは、この部分をだいたい流していた

    • ほかに資料を見た人がいるのか気になる。リンクされている論文を読み解いてみるつもりだ
    • 位置の問題はオートフォーカスでかなり解決できるようだ。これも初めて知った

  • もっと高価なシステムから出力されたSAR画像はたくさん見てきたが、これほど良い画像は見たことがない。本当に驚くべき仕事だ

  • アップボートだけではこの仕事の価値を十分に表現できない。本当に驚くべき投稿だ。感謝している

  • これこそ私がHacker Newsを読む理由だ

    • 毎月、新しい記事が私の郊外ミサイル防衛システムを改善し、近所の人たちがうちの芝生に犬を連れてこないようにしてくれる
    • 自分のロケットが正しい犯罪者を見つけられるよう、近所を地形マッピングするのはいつも難題だった。これでドローンが使える
    • ミサイルを備えた防衛システムであって、ミサイルに対する防衛システムではない。そんなのはばかげている

  • 本当に驚くべきプロジェクトだ。すばらしいプロジェクトを作るための技術が見事に総合されている。感嘆した

  • 100メートルのアンテナが必要なら、複数のドローンを使って100メートルの放物線軌道を調整し、近似することはできるのだろうか？

  • このプロジェクトなら、夜でも木の後ろにいるロシア人を見つけられそうだ

    • やがて中国製ドローンがヨーロッパの都市を攻撃し、24時間365日民間人を狩れるようになるのだろうか？

  • 実に印象的なプロジェクトとすばらしい結果だ。HNで共有してくれてありがとう