Misure di spettro a banda larga per radar ad apertura sintetica

Geometria di una misura SAR a mappa a strisce

L'apertura dipende dalla velocità del velivolo (v) e dal tempo di integrazione SAR (t_int). Dopo che gli impulsi sono stati integrati per il tempo t_int, il SAR crea la mappa per la scena corrente mentre integra gli impulsi per la scena successiva lungo la traiettoria di volo.

Equazioni di risoluzione SAR

La risoluzione del range (ΔR) viene calcolata con l'equazione:

Con c come velocità della luce e BW come larghezza di banda del chirp LFM utilizzato nella forma d'onda SAR. Una maggiore larghezza di banda LFM si traduce in una risoluzione più fine del range. Spesso è richiesta una risoluzione inferiore al metro.

La risoluzione cross-range (ΔCR) è fornita dall'equazione:

Dove λ è la lunghezza d'onda del radar, R la distanza dalla scena e LSynth la lunghezza dell'apertura sintetica o la velocità dell'aereo (v) per il tempo di integrazione (t_int).

Sistemi SAR dedicati ad applicazioni e bande

Il SAR si applica alla banda UHF, alla banda X, alla banda W e oltre. La lunghezza d'onda SAR dipende dall'applicazione. La banda X è tipicamente utilizzata per l'imaging SAR ad alta risoluzione di terreni urbani, ghiaccio e neve. L'assorbimento atmosferico è tollerabile nella banda X, mentre è intollerabile nella banda K a causa dell'assorbimento dell'acqua. Le bande UHF e S sono adatte per misurare la biomassa e la vegetazione. La banda L ha una buona penetrazione del fogliame per le misure geofisiche di antiche città o formazioni rocciose sotto le chiome delle foreste [1]. Nuove ed entusiasmanti applicazioni nelle bande a onde millimetriche a 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz e 235 GHz, come i radar ad apertura sintetica per l'atterraggio degli aerei in ambienti visivi degradati. Questi SAR operano con larghezze di banda della forma d'onda più ampie per una maggiore risoluzione.

I SAR più recenti e tutte le applicazioni radar utilizzano sempre più spesso array attivi a scansione elettronica (AESA). Un AESA è solitamente un array bidimensionale di moduli di trasmissione/ricezione (TRM). Ogni TRM comprende un circolatore, un amplificatore di potenza, un variatore di fase e un interruttore. Un beamformer digitale controlla elettronicamente i TRM e indica ai singoli TRM o ai subarray TRM l'ampiezza e la fase applicabili. Il beamformer applica anche funzioni di rastremazione dell'apertura come una finestra di Hanning per ridurre la larghezza del fascio e i lobi laterali. Un ricevitore/eccitatore derivato da un riferimento di fase stabile alimenta l'array. I ritorni radar possono essere confrontati in fase con un riferimento per misurare lo spostamento Doppler.

I TRM sono in fase di sviluppo per tutte le bande di onde millimetriche sopra descritte in una varietà di materiali come il fosfuro di indio (InP), il nitruro di gallio (GaN), il silicio-germanio (SiGe) e il silicio.

Soluzione Rohde & Schwarz

I test radar a livello di sistema vengono eseguiti sempre più spesso over the air (OTA), perché è più facile che sondare i TRM con un analizzatore di rete e per la stretta integrazione tra l'AESA e il ricevitore/eccitatore radar. Di seguito è illustrata una tipica configurazione di test OTA con un radar in una camera di test dell'antenna. L'apparecchiatura di misura è un'antenna a tromba a guadagno standard collegata a un analizzatore di segnali e spettro R&S®FSW.

L'analizzatore di segnali e spettro R&S®FSW ha la più ampia larghezza di banda di analisi integrata per le misure SAR attraverso la maggior parte della banda W, consentendo misure di spettro scansionato con preselezione reale, reiezione dell'immagine e analisi scalabile dei segnali vettoriali, analisi degli impulsi e analisi dei transitori con larghezza di banda di 4,4 GHz da 12 GHz a 18 GHz e larghezza di banda di 6,4 GHz o 8,3 GHz sopra i 18 GHz.

Utilizzare l'applicazione di misura degli impulsi R&S®FSW-K6 per misurare l'ampiezza, la larghezza dell'impulso, l'intervallo di ripetizione dell'impulso (PRI), la frequenza e la fase per le misure radar a impulsi. Le statistiche di queste misure possono rivelare instabilità da impulso a impulso, come discusso nel manuale radar di Mr. Skolnik [2]. L'instabilità di fase da impulso a impulso dovuta al rumore di fase è trattata nella nota applicativa di Rohde & Schwarz "Misure del rumore di fase pulsato" [3].

Oltre alle statistiche da impulso a impulso, l'opzione di misura dei lobi laterali temporali R&S®FSW-K6S è disponibile all'interno di R&S®FSW-K6 per misurare le non linearità di fase all'interno di un impulso radar, evidenziando problemi nell'array o, più a monte, nel convertitore D/A (DAC). Le non linearità nei chirp a modulazione di frequenza lineare (LFM) potrebbero derivare dalla non linearità integrale (INL) nel DAC o dalla conversione da AM a PM negli amplificatori di potenza o negli interruttori PIN dei TRM. La scheda applicativa di Rohde & Schwarz "Le misure dei lobi laterali temporali ottimizzano le prestazioni del sistema radar" (PD 3607.2626.92) [4] spiega questo fenomeno.

Infine, per analizzare le forme d'onda FMCW a banda larga per il SAR è possibile utilizzare l'applicazione di analisi dei transitori R&S®FSW-K60, come spiegato nella nota applicativa di Rohde & Schwarz "Misure automatizzate di segnali radar FMCW a 77 GHz" [5].

Riferimenti

[1] Articolo di Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington e Leah Kucera in collaborazione con l'Earth Science Data Systems. Grafica di Leah Kucera. Pubblicata il 16 aprile 2020. "Che cos'è il radar ad apertura sintetica?". Dati terrestri della NASA. Richiamata il 15 novembre 2020 da earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 gennaio 2008). "Radar Handbook" - 3ª edizione riveduta. New York: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11 maggio 2016). Nota applicativa 1EF94 "Misure del rumore di fase pulsato". Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Scheda applicativa "Le misure dei lobi laterali temporali ottimizzano le prestazioni del sistema radar" (PD 3607.2626.92, dicembre 2020). Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/applications/time-sidelobe-measurementsoptimize-radar-system-performance-application-card_56279-134857.html

[5] Dr. Heuel, Steffen (05 maggio 2014). Nota applicativa 1EF88 "Misure automatizzate di segnali radar FMCW a 77 GHz". Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html