测绘技术装备 第21卷 2019年第1期 学术研究 5
超小型合成孔径雷达P-SAR的研制与基本性能
张涛1，2，3 姚宜斌1 邹进贵1，3 周吕1 徐进军1
(1.武汉大学测绘学院 湖北武汉 430079；2.武汉大学测绘仪器设备研发中心 湖北武汉 430079；
3.武汉大学测绘国家级实验教学示范中心 湖北武汉 430079)
摘 要：由于通常的合成孔径雷达结构复杂，尺寸与自重大，价格高，因此主要在卫星和大中型飞机上作为
探测器以及在军事上使用。而如今，无人机(包括固定翼以及旋翼机）发展极为迅速，无人机上配置的光学
传感器已经十分丰富（被动传感器如普通相机、高光谱相机、热红外相机、紫外相机，以及主动的激光雷达
等），但是一直缺乏一种合适的微波雷达作为无人机载荷。虽然目前也有一些小型合成孔径雷达，但是由于
价格或者重量等原因，并不适合用于民用无人机。为填补这一产品空白，我院研制了一种重量、体积、功耗、
价格都适合于民用无人机的超小型合成孔径雷达，称为P-SAR，不仅可以用于遥感测绘、军事侦察，同时也
是一种很好的教学实验仪器。本文首先简单介绍了超轻型合成孔径雷达P-SAR的基本原理与结构以及主要特
点，而后对P-SAR的主要性能做了测试。最后，对P-SAR的应用前景做了分析。
关键词：合成孔径雷达 无人机 旋翼机 线性调频等幅波 天线
基金项目：家重点研发计划项目( 2016YFB0501803)；武汉大学实验项目( WHU-2017-SYJS-04) 1 引言
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar ，
SAR）是20世纪50年代末研制成功的一种微波传
感器，最初主要用于军事，是微波传感器中发展最
迅速和最有成效的一种[1]。作为一种主动式传感器，
SAR的波长比光学传感器长的多，因此SAR技术和
其他遥感技术相比，具有不受光照和天气条件的限
制，可以全天时、全天候对地观测，还可以穿透一
定的地表和植被获取隐藏的信息优势。因此，SAR
也是战场上的不可缺少的重要装备，星载SAR和机
载SAR装备可以迅速获得地面情况，完成军情侦察，
对空SAR可以获取和跟踪空中目标，而弹载SAR可
以准确完成地形匹配工作，实现精确制导[2]。
现在，SAR已经不单用于军事用途，在民用遥
感应用方面也有着重要地位，在资源调查、地质测
绘、农业、林业、海洋科学、防灾救灾等各个领域
都有着无可替代的地位，LightSAR（美国）、ENVTSAT
（欧洲空间局）、ALOS（日本）等航天遥感计划都
将SAR作为主要传感器[3]。
SAR通过飞行平台的运动实现合成孔径，属于
成像雷达。合成孔径技术一方面减小了飞行器的载
荷，降低了生产工艺难度，同时大幅提高了成像质
量，使得获取的信息量大为增加，因此得到了许多
科学家的关注，使得SAR装备以及成像理论和技术
迅速发展。
随着技术的进步以及航天航空器的小型化，特
别是近年来无人机的迅猛发展，人们也希望将SAR
设备小型化并已经有一些产品出现，而国内外许多
公司、高校以及科研单位也一直在进行类似于Mini -SAR的研制工作，其目标就是为小型卫星以及无人
机研制SAR传感器， 他们的研发都卓有成效，并
且有很多产品已经成功，例如SAR AERO的一系列
机载SAR，最轻巧的产品重量为1.8kg（不含天线），
功耗15W，分辨率可达0.3m，售价约为25万美元；
Imsar研制的系列产品，重量为2.93kg，功耗46W，
分辨率也是0.3m；方元民科技的MiniSAR，重量小
于3kg，功耗小于25W，分辨率0.5m。这些SAR产
品都比较适合安装在无人机上作业。
由于项目需要，我们需要一款尺寸与重量更小、
功耗更省、成本更低的SAR，以便搭载在廉价的民
用无人机上作业，而市场上的SAR产品均无法满足
要求。因此，我们自行研制了一款超轻型SAR，由
于在总质量、体积、功耗等各个方面都属于超轻量
级，因此定位在Pico（皮）级别，即Pico SAR，
并以此命名为P-SAR， 其主要参数如下：
重量：1kg（含电源）
自带电源连续工作时间：1h
测绘带宽：300m（飞行高度200m，配置H1008
天线,天线倾角45度，侧斜视）
1500m（飞行高度1000m，配置H1008
天线，天线倾角45度，侧斜视）
功耗：小于15W
频段：C波段
极化模式：HH，VV，HV组合，由天线决定
存储能力：自带存储，可以存储10个小时的
数据
分辨率：距离向理论最高0.25m，方位向0.3m
扫描特性：条带 6 学术研究 测绘技术装备 第21卷 2019年第1期
其他性能：一发射双接收，当纵向安装天线的
时候，可以根据单次飞行数据生成高程模型，当横
向安装天线的时候，可以发现动态目标
该P-SAR采用新型射频集成电路和数字信号处
理芯片优化设计而成，在性能和成本之间取得了很
好的平衡。经过地面测试以及旋翼无人机实际搭载
飞行测试，效果良好，可以满足多种行业需求。
2 P-SAR原理与结构简介
P-SAR采用了LFMCW（Linear Frequency
Modulation Continuous Wave ，线性调频等幅波）
方式。LFMCW波形形成采用了先进的数字频率合成
方式，频率变化速率高，性能稳定，线性度好，为
测量数据的质量提供了基本保证。全部元器件使用通用型器件，比较容易采购并且价格适中。
图1是P-SAR 的原理结构图。由片上系统SOC
控制整个系统的运行，SOC通过SPI总线控制
PLL/VCO产生LFMCW波形，LFMCW波形经过耦合器
Coupler后，大部分能量经过功率放大器PA输送到
发射天线TX Antenna，少量信号传递给混频器
Mixer的本地振荡LO。电波经过目标反射回来后，
经过RX Antenna1和RX Antenna2两个接收天线，
分别通过低噪声放大器LNA放大，进入各自的混频
器Mixer，与LO信号混频后，经过放大、滤波，通
过模拟数字转换器端口ADC进入SOC，经过SOC处
理后，经过USB总线，通过无线链路Data link传
送到地面设备。
图1 P-SAR 原理结构图 LFMCW使用的信号表达式为[5]： s(t)=rect(tT⁄)exp*jπKt2+ (1)
其中，信号持续时间为T s，振幅为常量，K
是线性调制率，单位是Hz/s，K与T的乘积即为带
宽。t是时间。而实际上，射频电路发射的只有实
信号，因此，只需讨论： s(t)=sin(2π(Kt+fs)t) (2)
其中，信号持续时间为T s，振幅为常量，起
始频率为fs，K是线性调制率，单位是Hz/s，带宽
为K和T的乘积，时间为t。
在SOC控制下，系统周期性发射LFMCW信号，
同时接收目标的反射电波，由于电磁波从发射到目
标反射回接收天线以光速c进行传播，假设目标反
射回来的延迟时间为td,目标的距离为dist,则： td=2(distc⁄) (3)
将接收到的反射电磁波与正在发射的电磁波
进行混频操作，即可得到两种电磁波的和频与差频，
和频频率太高，没有处理的意义，被滤除，而差频
反映了目标的距离。
目标的反射信号频率与此时发射信号频率的差频𝑓diff为： fdiff=tdK (4)
由公式3和公式4可得： dist=cfdiff(2K)⁄ (5)
公式5揭示了差频频率与距离的关系，而线性
调制率K是人为设定的，因此由公式5可以直接获
取目标距离。
由离散时域到频域的转换可以通过DFT
( Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)
实现。
而最终的聚焦成像也已经是比较成熟的技术，
方法也有很多，例如在参考文献[6][7][8][9][10]
中有很全面的介绍。
从减轻自身重量上来说，理应选择单天线收发
切换的模式[4]，但是，由于P-SAR是挂载在超低空
飞行器上的，作用距离一般不会超过1000m，此时，
发射、接收时间就只有几μs，采样时间同样在这
个时间范围内，因此必须达到相当的功率才可以累
计到足够的能量，这对频率合成以及功率放大模块
提出了很高的要求，同时会增加功耗。综合衡量以 测绘技术装备 第21卷 2019年第1期 学术研究 7
后，采用收发天线独立的方式更为适合，当然，这
样必须在天线设计和选型上多做一些工作，以减轻
重量。
为了能扩展P-SAR的应用，充分利用宝贵的飞
行作业时间，P-SAR采用了单发射-双接收的模式，
两个独立的接收通道严格同步工作，根据作用的不
同，可以选择两个接收天线的类型和相对位置关系。
例如当用于分析目标的极化特性时，可以选择两个
接收天线分别为不同极化方向，并且上下竖直安装。
由于民用无人机特别是旋翼机飞行高度有限，
为了扩大测绘带宽、提高测绘效率，天线在垂直方
向的主波瓣宽度不宜过窄。经设计仿真与实际测试，
Patch阵列天线和波导喇叭天线这两种天线在选用
合适的参数后都比较适合。为了减小风阻，在固定
翼飞机上建议使用Patch阵列天线，而旋翼机的飞
行原理与固定翼有着很大区别，通常的速度不是很
快，因此对风阻的要求不像固定翼那么严格，采用
波导喇叭天线是一种很好的选择，因为波导喇叭天
线的各个参数都比较好控制。P-SAR使用的一种
H1008波导喇叭天线的反射性能测试如图2。该天
线也是自行设计制作的。
图2 H1008天线反射性能 3 P-SAR实际测试结果
在经过大量的地面调测实验后，开始陆续在多
个区域展开了试飞成像实验。
飞行载体为大疆M600六旋翼无人机。为了使
得平台在工作中更为稳定，一开始的测试是将
P-SAR挂载在RONIN MX云台上，但是经测试发现该
云台的自重太大（超过3kg,而P-SAR重量也只有
1kg），严重影响了续航能力，因此后来选择了无云
台直接挂载模式。得益于大疆M600的优异的飞行
姿态稳定性，经测试，即使是直接挂载，在风速不
太大（小于6级风）的时候，仍可以获得较好的效
果。飞行操控与路线规划都可以通过大疆搭配的
DJI GS PRO软件完成，十分方便。图3是P-SAR安
装在大疆M600旋翼上的情形，左下角是在飞行作业的时候的状态。
图3 P-SAR安装在大疆M600旋翼机上的状态，左下角是作业状态 图4是在P-SAR搭载在M600上进行水田合成
孔径雷达成像的成果。可见水体呈现明显的低散射
回波特性，农作物分界线清晰可见，不同的作物其
反射特性也不一样，区别很明显。
图4 P-SAR水田作业成像结果（HH极化） 图5是P-SAR搭载在M600上在复杂地物区域
的成像结果，该片区域既有水域，也有建筑物和多
种植物等。
图5 P-SAR在复杂地物区域的成像结果（HH 极化） 将P-SAR图像与光学图像叠加后得到图6。在
图6中，为了突出P-SAR成像与光学图像的对比，
图像右侧运动场上，有一半是光学成像（边缘），
另一半是P-SAR成像（中间），可以看出，在P-SAR
的图像中，足球球门呈现金属物特有的强反射特征，
清晰可见，对比光学成像结果，照片中的球门对比
度不高，不容易发现，这充分体现了微波雷达对地
物识别能力的优势。