SARENKA MINIATUROWY RADAR SAR DLA BSP

7. KONFERENCJA URZĄDZENIA I SYSTEMY RADIOELEKTRONICZNE JACHRANKA, 28-29 października 2014 r. SARENKA MINIATUROWY RADAR SAR DLA BSP P. SAMCZYŃSKI, K. KULPA, M. MALANOWSKI, D. GROMEK, M. WIELGO, K. NDINI, P. DZWONKOWSKI Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa P. BARANOWSKI Wydział Chemii, Uniwersytet Warszawski ul. Pasteura 1 Streszczenie. W artykule przedstawiono projekt miniaturowego radaru z syntetyczną aperturą (SAR ang. Synthetic Aperture Radar) o nazwie SARENKA dedykowanego dla bezzałogowych statków powietrznych (BSP). Głównym celem pracy było opracowanie nisko budżetowego radaru SAR charakteryzującego się zarówno małymi wymiarami jak również małą wagą. SARENKA jest radarem FMCW (ang. Frequency Modulation Continous Wave) pasma C zaprojektowanym przez Zespół Technik Radiolokacyjnych Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. Opracowany system pozwala na uzyskanie wysokiej rozdzielczości (do 15 cm) zobrazowań powierzchni Ziemi praktycznie w każdych warunkach pogodowych. Uzyskanie wysokiej rozróżnialności w odległości możliwe jest dzięki zastosowaniu szerokopasmowej emisji (do 1GHz) sygnałów sondujących, natomiast otrzymanie wysokiej rozróżnialności w azymucie możliwe jest dzięki zastosowaniu małych wymiarów anten, o stosunkowo szerokiej wiązce oraz dodatkowo metod przetwarzania sygnałów radarowych w trybie SAR pozwalających na estymację i kompensację ruchu nośnika z radarem, takich jak autofocus. Opracowany system radarowy przetestowany został zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak również w warunkach rzeczywistych z wykorzystaniem nośnika radaru w postaci samochodu osobowego, oraz małego samolotu. Uzyskane wyniki, które zaprezentowane zostaną w artykule, pokazały możliwość uzyskania wysokiej rozróżnialności zobrazowań SAR z wykorzystaniem radaru SARENKA. W pracy przedstawiono projekt, omówiono zaimplementowane techniki przetwarzania sygnałów SAR, jak również zaprezentowano rzeczywiste wyniki zobrazowań SAR z wykorzystaniem tego systemu. Słowa kluczowe: elektronika, radar SAR, mikro-sar, FMCW, BSP, UAV 1. Wstęp Technologia radaru aktywnego działającego w trybie z syntetyczną aperturą (ang. SAR Synthetic Aperture Radar) znana jest od dziesięcioleci i w obecnej chwili jest bardzo dobrze opanowana [1, 2,3]. Na całym świecie zostało już opracowanych wiele systemów radarowych pracujących w trybie SAR do obrazowania powierzchni Ziemi. W obecnej dobie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych, możliwe staje się umieszczenie radaru SAR na

małej platformie bezzałogowego statku powietrznego (BSP), (ang. UAV Unmanned Aerial Vehicle) [4, 5, 6, 7]. W ostatnich latach powstało już wiele systemów o takich możliwościach. Najczęściej produkty te są na wyposażeniu wojska, ale pojawiają się i w cywilnym środowisku. Głównym wyzwaniem z punktu widzenia inżyniera, w tym przypadku jest zbudowanie systemu SAR, który jest lekki i fizycznie mały, który charakteryzuje się niskim zapotrzebowaniem na moc oraz umożliwia uzyskiwanie bardzo dobrej jakości zobrazowań powierzchni Ziemi w każdych warunkach pogodowych [4, 5, 7] wykorzystując przy tym również małą i tanią platformę nawigacyjną [7, 8]. Koszty budowy takiego systemu wzrastają wraz ze wzrostem częstotliwości w której pracuje system. Znane skonstruowane już systemy SAR na BSP pracują w szerokim zakresie częstotliwości (począwszy od pasma X, aż do pasma W [5,6]). Powyższe fakty były motywacją dla autorów do opracowania nowego radaru SAR dedykowanego dla BSP o nazwie SARENKA, który pracuje w paśmie C. Dzięki niskiej częstotliwości pracy radaru, możliwe było skonstruowanie części analogowej oraz cyfrowej z elementów stosunkowo tanich i łatwo dostępnych na rynku. W artykule został przedstawiony projekt sprzętowy radaru SAR na BSP, przedstawiono użyte algorytmy przetwarzania sygnałów oraz rzeczywiste wyniki zobrazowań SAR. Artykuł skonstruowany jest w następujący sposób: rozdział 1 wstęp, rozdział 2 SARENKA SAR system konstrukcja, rozdział 3 przetwarzanie sygnałów, rozdział 4 wyniki przeprowadzonych eksperymentów, rozdział 5 to podsumowanie. 2. SARENKA SAR system System radarowy SAR SARENKA to radar pracujący z falą ciągłą modulowaną częstotliwościowo (ang. FMCW Frequency Modulated Continuous Wave). System SARENKA pozwala na uzyskiwanie wysokorozdzielczych zobrazowań SAR terenu. Wysoka rozdzielczość radaru rzędu 15 cm zapewniona jest poprzez bardzo szerokie pasmo pracy, maksymalnie 1GHz. System SARENKA jest przystosowany do pracy zarówno off-line w tym trybie surowe dane są nagrywane na szybkie dyski SSD, a dalej przetwarzane w stacji naziemnej, oraz pracy on-line w tym trybie dane są przetwarzane na pokładzie przy użyciu specjalizowanych układów FPGA oraz technologii CUDA firmy NVIDIA [6] i dalej już w postaci gotowych obrazów przesyłane przy użyciu łącza WiFi do stacji bazowej. System SARENKA składa się z trzech głównych części: części analogowej wraz z antenami, 2

części cyfrowej oraz małego komputera sterującego. Schemat blokowy przedstawiono na rys. 1. Rys. 1 Schemat blokowy radaru SARENKA Obszar oznaczony linią przerywaną na rys.1 to główna część cyfrowa systemu SARENKA odpowiedzialna za generację sygnałów sondujących oraz akwizycję odbitych ech. Jest to osobne, niezależne urządzenie BF08A umieszczone w oddzielnej obudowie, które zaprezentowane zostało na rys. 2. W zaprojektowanym systemie procesor sygnałowy Analog Device s Blackfin DSP odpowiedzialny jest za komunikację z komputerem sterującym, jak również nadzoruje pracę pozostałych podsystemów, do których należą: PLD CYCLONE II (programowalny układ logiczny), moduł DDS (cyfrowa synteza sygnałów sondujących), kolejka FIFO (pamięć robocza), moduł ADC (moduł przetworników analogowo cyfrowych). Rys. 2 BF08A - część cyfrowa systemu SARENKA 3

Moduł PLD CYCLONE II (programowalny układ logiczny) jest reprogramowalnym medium komunikacyjnym pomiędzy wszystkimi podsystemami części cyfrowej. Pozwala na szybkie wprowadzanie zmian, reorganizację funkcjonalności systemu w fazie budowy, testów systemu. Moduł DDS jest odpowiedzialny za generację piłokształtnego z liniową modulacją częstotliwości sygnału sondującego. Moduł ten jest w stanie wygenerować sygnał w zakresie częstotliwości od 0 do prawie 500MHz. Sygnał z DDS jest wysyłany do części analogowej systemu SARENKA. Moduł ADC to zestaw dwóch przetworników 14 bitowych próbkujących sygnały zdudnień wychodzące z części analogowej systemu SARENKA. Pasmo przetworników to 80 MHz. Przestrzeń na nagrywane sygnały z ADC to kolejka FIFO w pamięci. Z kolejki FIFO dane są transferowane w późniejszym etapie na komputer sterujący złączem USB [7, 9]. Wejścia przetworników ADC są oznaczone jako X i Y na rysunku 2. Wyjście sygnału z modułu DDS oznaczone jako D na rysunku 2. W eksperymentach opisywanych w niniejszym artykule wykorzystywany były tylko jeden kanał odbiorczy. Drugi kanał odbiorczy modułu ADC autorzy planują wykorzystać na drugi kanał odbiorczy na potrzeby interferometrii zarówno tej klasycznej do estymacji wysokości obiektów (ang. InSAR Interferometric SAR) jak i do detekcji obiektów naziemnych ruchomych (ang. GMTI Ground Moving Target Indicator). Część analogowa systemu jest odpowiedzialna za wzmacnianie, filtrowanie oraz konwersję sygnałów radarowych. Sygnał sondujący pochodzący z części cyfrowej jest na nośnej 230 MHz, a jego pasmo w zależności od trybu pracy w zakresie od 1 do 50 MHz. Część analogowa powiela sygnał sondujący 24 krotnie tak by osiągnąć pożądane pasmo C, 5 6GHz. Za powielaczem umieszczony jest filtr pasmowo przepustowy, który wycina pasmo C, eliminując przy tym niepotrzebne harmoniczne. Sygnał następnie podany na wzmacniacz mocy transmitowany jest poprzez antenę nadawczą Tx. Pasmo sygnału sondującego jest w zakresie od 24MHz do 1.2 GHz. Zapewnia to osiąganie rozróżnialności od 6m, aż do potencjalnie 12 cm w odległości. W torze odbiorczym zainstalowany jest odbiornik homodynowy, który miesza sygnały odbite odebrane przez antenę odbiorczą Rx z sygnałem nadawanym. Sygnał nadawany doprowadzony został do jednego z wejść homodyny poprzez zainstalowanie sprzęgacza (dzielnika mocy) w torze nadawczym, tuż przed wzmacniaczem mocy. Powstające za odbiornikiem homodynowym nisko częstotliwościowe sygnały zdudnień są wzmacniane, filtrowane i ostatecznie podawane na część cyfrową, na przetwornik ADC. Cała części 4

analogowa została skonstruowana z elementów dostępnych na rynku. Część analogowa systemu została przedstawiona na rysunku 3. Rys. 3 Część analogowa systemu SARENKA Odebrane sygnały radarowe mogą być nagrywane w trybie off-line, jak również przewidziana jest możliwość przetwarzania w modzie on-line, przesłania surowych danych radarowych lub/i wyników zobrazowań SAR do komputera PC, który ma możliwość wysłania danych dalej do stacji naziemnej przy użyciu łącza WiFi. 3. Przetwarzanie sygnałów Schemat blokowy przetwarzania sygnałów został zaprezentowany na rysunku 4. Przetwarzanie sygnałów odbywa się w dwóch możliwych trybach on-line, gdzie komputer zamontowany na pokładzie przetwarza sygnały i wysyła gotowe zobrazowania łączem radiowym WiFi do stacji bazowej. Bądź off-line, gdzie komputer pokładowy zgrywa surowe dane na dyski SSD i po powrocie z misji przetwarzanie odbywa się w stacji naziemnej. W pierwszym kroku przetwarzania na surowych danych następuje kompresja odległościowa z wykorzystaniem klasycznego algorytmy szybkiej transformaty Fouriera (ang. FFT Fast Fourier Transform). Kolejnym etapem jest estymacja środkowej częstotliwości dopplera i jej korekta. W ten sposób skorygowany jest poprzeczny ruch, znos platformy [12]. Z uwagi na dość wysoką rozróżnialność w odległości (teoretycznie do 12 cm) i szeroką wiązkę w kierunku azymutalnym zastosowanej anteny odbiorczej (około 20 stopni) obserwuje się silny efekt migracji komórek odległościowych. Efekt ten również należ kompensować i z 5

pomocą tu przychodzi algorytm korekcji migracji komórek odległościowych (RCMC Range Cell Migration Correction) [1, 2, 3, 12]. W przedostatnim kroku wykorzystywany jest algorytm estymacji prędkości wzdłużnej platformy radarowej zwany techniką auto ogniskowania (mapdrift autofocus) [10, 11]. Jako punkt startowy podawane są dane o prędkości z platformy nawigacyjnej INS/GPS. W ostatnim już kroku wyznaczany jest filtr dopasowany w kierunku azymutalnym. Następuje kompresja sygnału w kierunku azymutalnym i ostatecznie powstaje zobrazowanie SAR. Rys. 4 Schemat przetwarzania sygnałów 4. Przeprowadzone eksperymenty 4.1. Testy na stole laboratoryjnym lipiec 2013 Pierwsze testy systemu SARENKA zostały przeprowadzone w lipcu 2013 roku. Testy były przeprowadzone w Laboratorium Radiolokacji i Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów mieszczącego się na ostatnim 6 tym piętrze gmachu Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjny Politechniki Warszawskiej. Balkon tego Laboratorium jest wyposażony w ruchomy, zdalnie sterowany wózek, który został użyty jako platforma mobilna dla radaru 6

SARENKA. Długość szyn po których porusza się wózek to około 12m. Widok na wydział WEITI PW przedstawiono na rysunku 6. Na rysunku 5 przedstawiono widok z balkonu Laboratorium w dniu w którym były wykonywane pierwsze testy. Na rysunku 5 ponadto zaznaczono czerwonymi obwolutami charakterystyczne obiekty, które uwidocznione są na uzyskanym zobrazowaniu SAR rysunek 7. Rys. 5 Widok z balkonu WEITI PW Rys. 6 Widok z góry na WEITI PW Rys. 7 Zobrazowanie SAR terenu za WEITI PW Rysunki 5 i 7 można łatwo ze sobą powiązać i odnaleźć zaznaczone obiekty. Numerem 1 oznaczony został maszt dźwigu, numerem 2 rząd samochodów stojący przed budynkiem Wydziału Inżynierii Lądowej (WIL) PW, numerem 3 oznaczono gmach WIL PW. 7

Przeprowadzone testy zweryfikowały poprawność działania systemu SARENKA i zachęciły autorów do dalszej pracy. Pozwoliło to również przeprowadzić dalsze testy z wykorzystaniem samochodu jako nośnika skonstruowanego radaru. 4.2. Testy z użyciem auta jako platformy ruchomej wrzesień 2013 Kolejne testy odbyły się we wrześniu 2013 roku. Testy miały miejsce w okolicach zalewu zegrzyńskiego w odległości ok. 30km od Warszawy. Jako nośnik radaru został wykorzystany samochód (patrz rysunek 8). Na rysunku 8 widoczne są anteny odbiorcza i nadawcza oraz wzmacniacze zainstalowane na dachu samochodu. Wykonano kilka rejestracji poruszając się po drodze, gdzie głównie obiekty obrazowane to przydrożne domy, ogrodzenia, zatoki, drzewa. Rys. 8 System SARENKA na samochodzie 8

Rys. 9 Zobrazowanie SAR z zaznaczonymi charakterystycznymi obiektami Rys. 10 Powiększony obszar nr 1 z korespondującymi nagraniami wizualnymi Rys. 11 Powiększony obszar nr 3 z korespondującym nagraniami wizualnymi Jedne z zebranych surowych danych po przetworzeniu według schematu z rozdziału 3 zostały przedstawione na rysunku 9. Zaznaczono również charakterystyczne obiekty czerwone obramowania o numerach od 1 do 3. Obszary 1 i 3 zostały w powiększeniu przedstawione odpowiednio na rysunkach 10 i 11. Na zobrazowaniu z rysunku 10 łatwo można rozpoznać budynki oraz kształt ogrodzenia działki. Na zobrazowaniu z rysunku 11 widać jest poprzeczną drogę i wzdłuż niej umieszczone słupy oświetleniowe. Podczas każdej rejestracji równolegle nagrywano film z użyciem kamery optycznej. Klatki wycięte z filmu przedstawione na rysunkach 10 i 11 dobrze korespondują z uzyskanymi zobrazowaniami. Obszar nr 2 z rysunku 9 to linia energetyczna. Należy podkreślić, że zobrazowania SAR z samochodu cechują się silnym efektem przysłaniania. Powodem jest niewielka wysokość nad poziomem terenu anten. 4.3. Testy z użyciem małego samolotu PZL 104 Wilga październik 2013 Kolejne testy systemu odbyły się w październiku 2013 roku. Testy miały miejsce w okolicach Aeroklubu Ziemi Mazowieckiej w Płocku. Jako nośnik radaru został wykorzystany samolot PZL-104 WILGA (patrz rysunek 12). Na rysunku widoczne są anteny odbiorcza i nadawcza, takie same jak w poprzednio przeprowadzonych eksperymentach. Widoczny jest również system SARENKA zainstalowany w środku samolotu. 9

Rys. 12 System SARENKA na samolocie PZL-104 Na rysunku 13 zaprezentowany został obraz satelitarny (po lewej) oczyszczalni ścieków we wsi Maszewo koło Płocka wraz z zobrazowaniem SAR (po prawej) uzyskanym z systemu SARENKA. Na rysunku zaznaczono również trajektorię ruchu samolotu. Zobrazowanie SAR charakteryzuje się dość dużym poziomem szczegółowości, mimo, że rozróżnialność w tej rejestracji była niezbyt wysoka około 1.5 m (100 MHz pasma). W prezentowanym zobrazowaniu SAR łatwo można odnaleźć wiele obiektów, które są widoczne w obrazie optycznym satelitarnym i powiązać je ze sobą. Należy tu również podkreślić, że pewne obiekty, które widoczne są w zobrazowaniu SAR nie występują w obrazie optycznym. Powód jest tu bardzo prosty. Zdjęcie optyczne datowane jest na rok 2010, podczas gdy zdjęcie SAR było robione 3 lata później. Ponadto nie ma tu wątpliwości, że to obrazy tego samego obszaru, z tą różnicą, że jeden jest w paśmie widzialnym a drugi w mikrofalowym (pasmo C). Rys. 13 Zobrazowanie SAR zestawione z Google Maps 10

5. Podsumowanie Podsumowując przedstawione rezultaty potwierdzają, że w dzisiejszych czasach możliwe jest skonstruowanie taniej wysokorozdzielczej platformy typu SAR z elementów dostępnych komercyjnie na rynku. Wszechobecna miniaturyzacja elementów elektronicznych pozwala na skonstruowanie takiego radaru w postaci małej zamkniętej czarnej skrzynki nie wiele większej od telefonu komórkowego. Przykładem jest tu prezentowany w niniejszym artykule skonstruowany od podstaw przez autorów system SAR SARENKA. System był już wielokrotnie testowany w różnych warunkach środowiskowych. Autorzy wciąż go udoskonalają. W niedalekiej przyszłości planowane jest umieszczenie systemu SARENKA na małym samolocie bezzałogowym. Literatura [1] Franceschetti G., Lanari R., Synthetic Aperture Radar Processing, 1999 CRC Press LLC [2] Curlander J. C., McDonough R. N., Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing, John Wiley & Sons, Inc., 1991 [3] Cumming I. G., Wong F. H.: Digital processing of synthetic aperture radar data, Artech House, 2005 [4] Kawalec A., Komorniczak W., Pietrasinski J., Czarnecki W.: Evaluation of a low-cost microuav platform for sensor suite, w Proceedings of International Radar Symposium (IRS), pp.1,4, 24-26 May 2006, Kraków, Poland. [5] Caris M., Stanko S., Essen H., Leuther A., Tessmann A., Weber R., Malanowski M., Samczynski P., Kulpa K., Meszoly G., Topping C., E. Georgiou G., Papanastasiou A. C., Guraly R., Bilacz Z.: Synthetic aperture radar for all weather penetrating UAV application (SARAPE) - project presentation, w Proceedings of 9th European Conference of Synthetic Aperture Radar (EUSAR), pp. 290-293, 23-26 April 2012, Nurnberg, Germany. [6] Malanowski M., Krawczyk G., Samczyński P., Kulpa K., Borowiec K., Gromek D., Real-time high-resolution SAR processor using CUDA technology, w Proceedings of 14th International Radar Symposium (IRS), vol. 2, pp. 673-678, 19-21 June 2013, Dresden, Germany. [7] Samczynski P., Kulpa K., Malanowski M., Wielgo M., Baranowski P., Ndini K., Roszkowski P., Dzwonkowski P., SARENKA C-band SAR radar for UAV application, w Proceedings of EUSAR 2014 10th European Conference on Synthetic Aperture Radar, 03-05 June 2015, Berlin, Germany [8] Samczynski P., Malanowski M., Gromek D., Gromek A., Kulpa K., Krzonkalla J., Mordzonek M., Nowakowski M., Effective SAR image creation using low cost INS/GPS, w Proceedings of 15th International Radar Symposium (IRS), 16-18 June 2014, Gdańsk, Poland. [9] Wielgo M., Samczynski P., Malanowski M., Kulpa Ndini K., K., Baranowski P., The SARENKA SAR System Experimental results of ISAR imaging 11

w Proceedings of 15th International Radar Symposium (IRS), 16-18 June 2014, Gdańsk, Poland. [10] Samczynski P., Kulpa K.: Coherent MapDrift Technique, w IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 48, Issue 3, 2010 [11] Samczynski P.: Super-Convergent Velocity Estimator for an Autofocus Coherent MapDrift Technique, w IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, Vol. 9, Issue 2, March 2012, pp. 204-208 [12] Purchla M., Malanowski M.: Simple motion compensation algorithm for unfocused synthetic aperture radar,w Proceedings of the SPIE, R. S. Romaniuk, Ed., vol. 5484. Bellingham, WA, USA: SPIE, 2004, pp. 659 654. 12

SARENKA THE MINIATURIZED SAR SYSTEM FOR UAV APPLICATIONS Abstract. In the paper the miniaturized synthetic aperture radar (SAR) system named SARENKA dedicated for unmanned aerial vehicles (UAV) is presented. The main goal of the work was to design a small-size, low-weight and low-budget SAR radar. SARENKA is a frequency modulating continues wave (FMCW) radar operating in C-band. The whole development of this radar has been done by Research Group on Radar Techniques at Institute of Electronic Systems of Warsaw University of Technology, Poland. The designed SARENKA system allows to obtain high resolution (up to 15cm) SAR images. The operation capabilities of the radar has been proved during several different tests including laboratory tests and real condition trials, where as a moving platform a private car as well as an aircraft has been used. The results of these tests are presenting in this paper. Key words: electronics, SAR radar, micro-sar, FMCW, UAV, miniaturized SAR system 13