Mediciones de espectro de banda ancha para radares de apertura sintética

Geometría de una medición SAR de mapeo en franjas

La apertura depende de la velocidad de la aeronave (v) y del tiempo de establecimiento (t_int) SAR. Después de que se hayan integrado los impulsos para el tiempo _{de establecimiento}, el SAR crea el mapa de la escena actual mientras que integra los impulsos para las siguientes escenas a lo largo de la trayectoria de vuelo.

Ecuaciones de resolución SAR

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

donde c es la velocidad de la luz y BW es el ancho de banda del chirp LFM utilizado en la forma de onda SAR. Un mayor ancho de banda LFM da como resultado una resolución de distancia más fina. A menudo se requiere de una resolución de distancia submétrica..

La siguiente ecuación proporciona la resolución de distancia cruzada (ΔCR):

λ es la longitud de onda de radar, R es la distancia a la escena, y LSynth como la longitud de la apertura sintética o el tiempo de la velocidad de la aeronave (v) por el tiempo de establecimiento (t_int).

Sistemas SAR dedicados a aplicaciones y bandas

SAR se aplica a la banda UHF a través de la banda X, banda W y en adelante. La longitud de onda SAR depende de la aplicación. La banda X normalmente se utiliza para obtener imágenes SAR de alta resolución de terrenos urbanos, hielo y nieve. La absorción atmosférica es tolerable en la banda X mientras que es intolerable en la banda K debido a la absorción de agua. Bandas como la UHF y la S son adecuadas para medir la biomasa y la vegetación. La banda L tiene una buena penetración de follaje para mediciones geofísicas de ciudades antiguas de formaciones rocosas que se encuentran por debajo del dosel arbóreo [1]. Nuevas y emocionantes aplicaciones en bandas de ondas milimétricas de 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz y 235 GHz como los radares de apertura sintética de video para el aterrizaje de aeronaves en entornos visuales degradados. Estos SAR funcionan con anchos de banda de formas de onda más amplios para una mayor resolución.

Los SAR modernos y todas las aplicaciones de radar utilizan cada vez más radares de barrido electrónico activo (AESA). Un AESA suele ser una matriz bidimensional de módulos de transmisión/recepción (TRM). Cada TRM incluye un circulador, un amplificador de potencia, un desfasador y un conmutador. Un formador de haces digital controla de manera electrónica los TRM y comunica a los TRM individuales o a las submatrices TRM la amplitud y fase aplicables. El formador de haces también aplica funciones de ajuste de apertura, como una ventana de Hann para reducir el ancho del haz y los lóbulos laterales. Un receptor/excitador que se deriva de una referencia de fase estable alimenta la matriz. Los retornos del radar pueden compararse en fase con una referencia para medir el desplazamiento Doppler.

Están desarrollándose TRM para todas las bandas de ondas milimétricas discutidas anteriormente en una variedad de materiales como fosfuro de indio (InP), nitruro de galio (GaN), germanio de silicio (SiGe) y silicio.

La solución de Rohde & Schwarz

Las pruebas de radar a nivel de sistema se vienen realizando cada vez más «over the air» (OTA) porque es más fácil que sondear los TRM con un analizador de redes y por la estrecha integración entre AESA y el receptor/excitador de radar. A continuación, se muestra una configuración típica de pruebas OTA con un radar en una cámara anecoica de medición de antenas. El equipamiento de medición consiste en 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 tiene el ancho de banda de análisis integrado más amplio para realizar mediciones SAR en la mayor parte de la banda W, lo que permite mediciones del espectro barrido con preselección real, rechazo de la frecuencia imagen y análisis escalable de señales vectoriales, análisis de impulsos y de transitorios con un ancho de banda de 4.4 GHz de 12 GHz a 18 GHz y un ancho de banda de 6.4 GHz o 8.3 GHz superior a 18 GHz.

Utilice la aplicación de medición de impulsos R&S®FSW-K6 para realizar mediciones de la amplitud, la duración de impulso, el intervalo de repetición de impulso (PRI), de frecuencia y fase para mediciones de radar por impulsos. Las estadísticas para estas mediciones pueden revelar inestabilidades de impulso a impulso como se trató en el manual sobre radares del Sr. Skolnik [2]. La inestabilidad de la fase de impulso a impulso del ruido de fase se trató en la nota de aplicación «Pulsed phase noise measurements» de Rohde & Schwarz [3].

Además de las estadísticas de impulso a impulso, la opción de medición de los lóbulos laterales temporales R&S®FSW-K6S está disponible en el R&S®FSW-K6 para realizar mediciones de la no linealidad de fase dentro de un impulso radar, que expone los problemas en la matriz o en el canal de subida posterior en el convertidor D/A (DAC). Las no linealidades en los chirps modulados de frecuencia 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 PIN en los módulos de trasmisión y recepción (TRM). La ficha de aplicación «Time sidelobe measurements optimize radar system performance» (PD 3607.2626.92) [4] de Rohde & Schwarz explica este fenómeno.

Finalmente, la aplicación de análisis de transitorios R&S®FSW-K60 como se explica en la nota de aplicación "Automated Measurements of 77 GHz FMCW radar signals” [5] de Rohde & Schwarz puede utilizarse para analizar formas de ondas FMCW de banda ancha para SAR.

Referencias

[1] Artículo por Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington y Leah Kucera en colaboración con «Earth Science Data Systems» (sistemas de datos de la ciencia de la tierra). Gráficos por Leah Kucera. Publicado el 16 de abril de 2020. «What is Synthetic Aperture Radar? (¿qué es el radar de apertura sintética?). NASA Earthdata. Consultado el 15 de noviembre de 2020 de earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 de enero de 2008). «Radar Handbook» (manual del radar) – 3era 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 (05 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