Test and measurement

Medidas de espectro de banda ancha para radar de apertura sintética

El radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) utiliza longitudes de onda de radar para realizar el mapeado de la Tierra a bordo de aviones o transbordadores espaciales. La resolución del mapa SAR del terreno depende de la resolución de procesamiento de la distancia y distancia cruzada del SAR. La resolución de la distancia cruzada se determina integrando impulsos a lo largo de un trayecto de vuelo por un periodo de tiempo para generar una apertura sintética. Con aperturas sintéticas más largas se consigue una resolución de distancia cruzada más fina. La resolución de distancia se consigue con el ancho de banda de forma de onda del radar en forma de un chirp de frecuencia modulada lineal (LFM). A mayor ancho de banda, más fina será la resolución de distancia obtenida.

Imagen típica de un mapa de franjas del SAR creada por una aeronave volando con rumbo, velocidad, altitud y distancia al plano de tierra mapeado constantes.
Imagen típica de un mapa de franjas del SAR creada por una aeronave volando con rumbo, velocidad, altitud y distancia al plano de tierra mapeado constantes.

Imagen típica de un mapa de franjas del SAR creada por una aeronave volando con rumbo, velocidad, altitud y distancia al plano de tierra mapeado constantes.

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Imagen típica de un mapa de franjas del SAR creada por una aeronave volando con rumbo, velocidad, altitud y distancia al plano de tierra mapeado constantes.
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Geometría de una medida de mapa de franjas del SAR

La apertura depende de la velocidad de la aeronave (v) y el tiempo de integración del SAR (tint). Tras la integración de los impulsos en el tiempo tint, el SAR crea el mapa correspondiente a la ventana actual mientras integra los impulsos para la siguiente ventana a lo largo del trayecto de vuelo.

Ecuaciones de la resolución del SAR

La resolución de distancia (ΔR) se calcula con la siguiente ecuación:

Wideband-spectrum-measurements-for-synthetic-aperture-radar_ac_3608-9753_01_v6.jpg
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Donde c es la velocidad de la luz, y BW el ancho de banda del chirp LFM utilizado en la forma de onda del SAR. Un mayor ancho de banda de LFM da como resultado una resolución de distancia más fina. A menudo se requiere una resolución de distancia submétrica.

La resolución de distancia cruzada (ΔCR) se obtiene mediante la siguiente ecuación:

Wideband-spectrum-measurements-for-synthetic-aperture-radar_ac_3608-9753_02.jpg
Wideband-spectrum-measurements-for-synthetic-aperture-radar_ac_3608-9753_02.jpg
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Donde λ es la longitud de onda del radar, R es la distancia a la ventana captada, y LSynth la longitud de la apertura sintética o velocidad de la aeronave (v) multiplicada por el tiempo de integración (tint).

Un chirp LFM de 8 GHz medido en un analizador de señal y espectro R&S®FSW con la opción R&S®FSW-B8001 de 8,3 GHz de ancho de banda de análisis. Con un ancho de banda de chirp de 8 GHz se obtiene una resolución de distancia del SAR de aprox. 2 cm.
Un chirp LFM de 8 GHz medido en un analizador de señal y espectro R&S®FSW con la opción R&S®FSW-B8001 de 8,3 GHz de ancho de banda de análisis. Con un ancho de banda de chirp de 8 GHz se obtiene una resolución de distancia del SAR de aprox. 2 cm.

Un chirp LFM de 8 GHz medido en un analizador de señal y espectro R&S®FSW con la opción R&S®FSW-B8001 de 8,3 GHz de ancho de banda de análisis. Con un ancho de banda de chirp de 8 GHz se obtiene una resolución de distancia del SAR de aprox. 2 cm.

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Un chirp LFM de 8 GHz medido en un analizador de señal y espectro R&S®FSW con la opción R&S®FSW-B8001 de 8,3 GHz de ancho de banda de análisis. Con un ancho de banda de chirp de 8 GHz se obtiene una resolución de distancia del SAR de aprox. 2 cm.
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Sistemas SAR para aplicaciones específicas y bandas

El SAR se aplica desde la banda UHF hasta las bandas X , W y más allá. La longitud de onda del SAR depende de la aplicación. La banda X se utiliza generalmente para la generación de imágenes SAR de alta resolución de terreno urbano, hielo y nieve. La absorción atmosférica es tolerable en la banda X, pero no en la banda K, debido a la absorción en el agua. Las bandas UHF y S son aptas para medidas de biomasa y de la vegetación. La banda L ofrece una buena penetración a través del follaje para medidas geofísicas de poblaciones antiguas o formaciones rocosas bajo la cubierta forestal [1]. Asimismo, destacan nuevas y muy interesantes aplicaciones en las bandas de ondas milimétricas de 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz y 235, como radares de apertura sintética en combinación con vídeo para el aterrizaje de aeronaves en entornos con mala visibilidad. Estos SAR funcionan con anchos de banda de onda mayores para obtener una resolución más alta.

Grupo de radares de barrido electrónico activo unidimensional
Grupo de radares de barrido electrónico activo unidimensional

Grupo de radares de barrido electrónico activo unidimensional

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Grupo de radares de barrido electrónico activo unidimensional
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Los SAR más recientes y todas las aplicaciones de radar utilizan cada vez más radares de barrido electrónico activo (AESA). Un AESA es generalmente un grupo bidimensional de módulos transmisores/receptores (TRM). Cada TRM consta de un circulador, un amplificador de potencia, un desfasador y un conmutador. Un formador de haz digital controla de forma electrónica los TRM y comunica a cada TRM o subgrupo de TRM la amplitud y fase aplicables. El formador de haz aplica también las funciones de limitación de la apertura, como la ventana Hann, para reducir el ancho del haz y los lóbulos laterales. Un receptor/excitador derivado de una referencia de fase estable alimenta al grupo. La retrodispersión en el radar se puede comparar en relación a la fase con una referencia para medir el desplazamiento Doppler.

Para todas las bandas de ondas milimétricas mencionadas se están desarrollando TRM en diversos materiales, como fosfuro de indio (InP), nitruro de galio (GaN), silicio-germanio (SiGe) y silicio.

Sistema de medida típico para pruebas OTA en un SAR con un R&S®FSW: cámara anecoica para medir antenas
Sistema de medida típico para pruebas OTA en un SAR con un R&S®FSW: cámara anecoica para medir antenas

Sistema de medida típico para pruebas OTA en un SAR con un R&S®FSW: cámara anecoica para medir antenas

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Sistema de medida típico para pruebas OTA en un SAR con un R&S®FSW: cámara anecoica para medir antenas
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Solución Rohde & Schwarz

Cada vez son más frecuentes las pruebas de radares a nivel de sistema «over the air» (OTA), puesto que son más sencillas que sondear los TRM con un analizador de redes y la estrecha integración entre el AESA y el receptor/excitador radar. En la imagen se muestra un sistema de medida típico para pruebas OTA con un radar en una cámara anecoica para medir antenas. El equipamiento de medida es una antena de bocina de ganancia estándar conectada a un analizador de señal y espectro R&S®FSW.

El analizador de señal y espectro R&S®FSW ofrece el mayor ancho de banda de análisis integrado para medidas de SAR en prácticamente toda la banda W, y permite realizar medidas del espectro por barrido con preselección real, rechazo de la frecuencia imagen y análisis de señales vectoriales escalable, análisis de impulsos y análisis de transitorios con 4,4 GHz de ancho de banda desde 12 GHz hasta 18 GHz y 6,4 GHz o 8,3 GHz de ancho de banda por encima de los 18 GHz.

Análisis de lóbulos laterales temporales en formas de onda LFM pulsadas con la opción R&S®FSW-K6S dentro de la aplicación de medida de impulsos R&S®FSW-K6.
Análisis de lóbulos laterales temporales en formas de onda LFM pulsadas con la opción R&S®FSW-K6S dentro de la aplicación de medida de impulsos R&S®FSW-K6.

Análisis de lóbulos laterales temporales en formas de onda LFM pulsadas con la opción R&S®FSW-K6S dentro de la aplicación de medida de impulsos R&S®FSW-K6.

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Análisis de lóbulos laterales temporales en formas de onda LFM pulsadas con la opción R&S®FSW-K6S dentro de la aplicación de medida de impulsos R&S®FSW-K6.
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La aplicación de medida de impulsos R&S®FSW-K6 permite medir la amplitud, la duración de impulsos, el intervalo de repetición de impulsos (PRI), la frecuencia y la fase en medidas de radar de impulsos. La estadística de estas medidas puede revelar inestabilidades entre pulsos como se expone en el manual sobre radares de Skolnik [2]. La inestabilidad de fase entre pulsos del ruido de fase se explica en la nota de aplicación «Pulsed phase noise measurements» de Rohde & Schwarz [3].

Además de la estadística de valores entre pulsos también está disponible la opción de medida de lóbulo lateral R&S®FSW-K6S dentro de R&S®FSW-K6 para medir no linealidades de fase dentro de un impulso radar, que indica problemas en el conjunto u otro canal de retorno en el convertidor digital-analógico (DAC). Las no linealidades en chirps de frecuencia modulada lineal (LFM) podrían originarse de la no linealidad integral (INL) en el DAC o de la conversión de AM a PM en los amplificadores de potencia o conmutadores de los TRM. En la ficha de aplicación «Time sidelobe measurements optimize radar system performance» (PD 3607.2626.92) [4] de Rohde & Schwarz se explica este fenómeno.

Por último, es posible utilizar la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60 tal y como se explica en la nota de aplicación «Automated Measurements of 77 GHz FMCW radar signals» [5] de Rohde & Schwarz para analizar formas de onda continua moduladas en frecuencia (FMCW) de banda ancha para SAR.

Resumen

El analizador de señal y espectro R&S®FSW permite el análisis espectral por barrido en SAR de última generación con preselección real y rechazo de la frecuencia imagen hasta 85 GHz, y sin preselección hasta 90 GHz. Están disponibles opciones de ancho de banda escalables con ancho de banda de 4,4 GHz desde 12 GHz hasta 18 GHz y con ancho de banda de 6,4 GHz o 8,3 GHz por encima de los 18 GHz. Las aplicaciones de medida incorporadas ofrecen análisis estadísticos y de formas de onda de banda ancha y alta resolución de SAR.

Análisis de una forma de onda LFMCW de 8 GHz con la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60.
Análisis de una forma de onda LFMCW de 8 GHz con la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60.

Análisis de una forma de onda LFMCW de 8 GHz con la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60.

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Análisis de una forma de onda LFMCW de 8 GHz con la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60.
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Referencias

[1] Artículo de Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington y Leah Kucera en colaboración con el programa Earth Science Data Systems. Gráficos de Leah Kucera. Publicado el 16 de abril de 2020. «What is Synthetic Aperture Radar?». Datos de la Tierra de la NASA. Consultados el 15 de noviembre de 2020 en earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 de enero de 2008). «Radar Handbook» – 3ª edición revisada. Nueva York: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11 de mayo de 2016). Nota de aplicación 1EF94 «Pulsed phase noise measurements». Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Ficha de aplicación «Time sidelobe measurements optimize radar system performance» (PD 3607.2626.92, diciembre 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 mayo de 2014). Nota de aplicación 1EF88 «Automated Measurements of 77 GHz FMCW Radar Signals». Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html

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