Medições de espectro de banda larga para radares de abertura sintética

Geometria de uma medição de SAR com mapa em faixa

A abertura depende da velocidade da aeronave (v) e do tempo de integração do SAR (t_int). Depois de integrar os pulsos para o tempo t_int, o SAR cria o mapa do cenário atual enquanto integra os pulsos para o cenário subsequente ao longo da linha de voo.

Equações de resolução de SAR

A resolução de alcance (ΔR) é calculada através da equação:

Em que c é a velocidade da luz e BW é a largura de banda do chirp LFM utilizado na forma de onda do SAR. Maiores larguras de banda LFM resultam em resoluções de alcance mais precisas. Frequentemente são necessárias resoluções de alcance submétricas.

A resolução de alcance perpendicular (ΔCR) resulta da equação:

Em que λ é a largura de banda de radar, R é o alcance até o cenário e LSynth é o comprimento da abertura sintética ou a velocidade da aeronave (v) multiplicada pelo tempo de integração (t_int).

Sistemas de SAR específicos para aplicações e bandas

O SAR é aplicado na banda UHF através das bandas X, W e além delas. O comprimento de onda do SAR depende da aplicação. A banda X geralmente é utilizada para geração de imagens de SAR em alta resolução de terrenos urbanos, gelo e neve. A absorção atmosférica é tolerável na banda X, mas não é aceitável na banda K devido à absorção de água. Bandas como UHF e S são boas para medições de matéria orgânica bruta e vegetação. A banda L tem boa penetração em folhagens para medições geofísicas de cidades antigas e formações rochosas abaixo de copas de árvores em florestas [1]. Interessantes aplicações novas em bandas de ondas milimétricas de 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz e 235 GHz, tais como radares de aberturas sintéticas para vídeos feitos de aeronaves pousando em ambientes visualmente degradados. Estes SARs operam com larguras de banda de formas de onda maiores para resoluções maiores.

Novos SARs e aplicações completas com radares utilizam cada vez mais conjuntos de antenas com varredura eletrônica (AESA). Um AESA geralmente é um conjunto de antenas bidimensional de módulos transmissores/receptores (TRM). Cada TRM inclui um circulador, um amplificador de potência, um alternador de fase e um interruptor. Um formador de feixes digital controla eletronicamente os TRMs e informa a fase e a amplitude aplicáveis a cada TRM ou subconjunto de antenas TRM. O formador de feixes também aplica funções de estreitamento de abertura, tais como uma janela Hanning, para reduzir a largura do feixe e lóbulos laterais. Um receptor/excitador derivado de uma referência de fase estável alimenta o conjunto de antenas. As informações retornadas pelo radar podem ser comparadas conforme a fase com uma referência para medir a alternação Doppler.

Os TRMs estão sendo desenvolvidos para todas as bandas de ondas milimétricas discutidas acima em vários materiais, tais como fosfeto de índio (InP), nitreto de gálio (GaN), silício-germânio (SiGe) e silicone.

A solução da Rohde & Schwarz

Os testes de radar em nível de sistema vêm sendo realizados over the air (OTA) com frequência cada vez maior. Este método é mais fácil do que fazer a sondagem de TRMs com um analisador de redes e a integração fechada entre o AESA e o receptor/excitador do radar. Uma configuração para testes OTA típica é mostrada abaixo com um radar em uma câmara de testes de antenas. O equipamento de medição é uma antena corneta de ganho padrão conectada a um analisador de espectro e sinal R&S®FSW.

O analisador de espectro e sinal R&S®FSW tem a maior largura de banda de análise integrada para medições SAR e permite medições de espectro com varreduras através da maioria da banda W com seleção prévia de fator verdadeiro, rejeição de imagens, análise de sinais vetoriais dimensionável, análise de pulso e análise transiente com largura de banda de 4,4 GHz entre 12 GHz e 18 GHz e 6.4 GHz ou largura de banda de 8,3 GHz acima de 18 GHz.

Utilize a aplicação de medição de pulso do R&S®FSW-K6 para medir a amplitude, a largura de pulso, o intervalo de repetição de pulso (PRI), a frequência e a fase de medições de radares pulsados. Os aspectos estatísticos destas medições podem revelar instabilidades de pulso a pulso conforme discutido no manual sobre radares do Sr. Skolnik [2]. A instabilidade de fase pulso a pulso a partir de ruído de fase é discutida na nota de aplicação "Medições de ruído fase pulsado" [3] da Rohde & Schwarz.

Além das estatísticas pulso a pulso, a opção de medição de lóbulo lateral de tempo R&S®FSW-K6S está disponível no R&S®FSW-K6 para medir não-linearidades de fase em um pulso de radar, expondo problemas no conjunto de antenas ou mais adiante a montante no conversor D/A (DAC). Não- linearidades em chirps de frequência modulada linear (LFM) podem ter origem em não-linearidades integrais (INL) no DAC ou a partir da conversão AM para PM nos amplificadores de potência ou comutadores PIN em TRMs. A ficha de aplicação da Rohde & Schwarz "Medições de lóbulo de tempo otimizam o desempenho de sistemas de radares" (PD 3607.2626.92) [4] explica esse fenômeno.

Finalmente, a aplicação de análise transiente R&S®FSW-K60 conforme explicada na nota de aplicação "Medições automatizadas de sinais de radares FMCW de 77 GHz" [5] da Rohde & Schwarz pode ser utilizada para analisar formas de ondas FMCW de banda larga em SAR.

Referências

[1] Artigo de Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington e Leah Kucera em colaboração com o programa Earth Science Data Systems. Gráficos de Leah Kucera. Publicado em 16 de abril de 2020. "What is Synthetic Aperture Radar?". NASA Earthdata. Acessado em 15 de novembro de 2020 em earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 de janeiro de 2008). "Radar Handbook" – 3ª edição revista. Nova Iorque: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11 de maio de 2016). Nota de aplicação 1EF94 "Medições de ruído de fase pulsado". Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Ficha de aplicação "Medições de lóbulo lateral de tempo otimizam o desempenho de sistemas de radares" (PD 3607.2626.92, dezembro de 2020). Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/applications/time-sidelobe-measurementsoptimize-radar-system-performance-application-card_56279-134857.html

[5] Dr. Heuel, Steffen (5 de maio de 2014). Nota de aplicação 1EF88 "Medições automatizadas de sinais de radar FMCW de 77 GHz". Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html