โดรน Polarimetric Synthetic Aperture Radar ที่สร้างขึ้นเอง

 (hforsten.com)
2 คะแนน โดย GN⁺ 2025-02-18 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

โดรน Polarimetric Synthetic Aperture Radar แบบทำเอง

บทนำ

  • ผู้เขียนได้สร้างเรดาร์ขึ้นเองหลายชุดและทำการทดสอบการสร้างภาพแบบสังเคราะห์ช่องรับบนภาคพื้นดินมาอย่างต่อเนื่อง
  • ต้องการติดตั้งเรดาร์บนโดรนเพื่อเก็บภาพแบบ synthetic aperture จากอากาศ
  • ในอดีตราคาโดรนขนาดกลางค่อนข้างสูง แต่ช่วงหลังมานี้ราคาโดรน FPV จากจีนลดลงมาก
  • ผู้เขียนจึงซื้อชุดคิท FPV ขนาด 7 นิ้วจากจีนราคาประหยัด พร้อมโมดูล GPS+เข็มทิศขนาดเล็ก เพื่อสร้างระบบ synthetic aperture radar น้ำหนักเบา

การสร้างภาพแบบ Synthetic Aperture

  • เรดาร์แบบช่องสัญญาณเดียวสามารถวัดได้เพียงระยะทางของเป้าหมาย และไม่สามารถตรวจจับมุมได้
  • หากจัดเรียงช่องรับหลายช่องในแนวเส้นตรง สัญญาณจะเดินทางต่างกันเล็กน้อยตามมุมของเป้าหมาย ทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟส
  • Synthetic aperture radar สามารถติดตั้งเรดาร์แบบช่องสัญญาณเดียวบนโดรนเพื่อทำการวัดระหว่างบิน และสร้างช่องรับสังเคราะห์ขนาดใหญ่ที่ให้ความละเอียดเชิงมุมสูงมาก

การออกแบบเรดาร์

  • เป้าหมายของการออกแบบเรดาร์คือให้พอดีกับโดรน FPV และให้ได้ประสิทธิภาพด้านการสร้างภาพดีที่สุดภายใต้งบประมาณต่ำสุด (<500 EUR)
  • เนื่องจากโดรนมีขนาดเล็ก ขนาดสูงสุดของเรดาร์จึงถูกจำกัด
  • มีสถาปัตยกรรมเรดาร์หลายแบบ โดยเรดาร์ FMCW เหมาะกับระยะใกล้และแพลตฟอร์มที่เคลื่อนที่ช้า

การออกแบบ RF

  • เรดาร์ FMCW สามารถใช้งานเสาอากาศส่งและรับพร้อมกันได้ จึงช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR)
  • มีสวิตช์โพลาไรเซชันที่สามารถเลือกโพลาไรเซชันของเสาอากาศส่งและรับได้
  • สามารถคำนวณกำลังรับได้โดยพิจารณาจากกำลังส่ง, gain ของเสาอากาศ, ความยาวคลื่น, radar cross section ของเป้าหมาย, ระยะทาง และปัจจัยอื่น ๆ

Link Budget

  • กำลังรับคำนวณจากกำลังส่ง, gain ของเสาอากาศ, ความยาวคลื่น, radar cross section ของเป้าหมาย, ระยะทาง และปัจจัยอื่น ๆ
  • Synthetic aperture เกิดขึ้นจากการส่งพัลส์หลายครั้งระหว่างการเคลื่อนที่ ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน

Pulse Repetition Frequency

  • การสร้างภาพเรดาร์อาศัยข้อมูลเฟสของสัญญาณที่รับได้
  • ต้องควบคุมไม่ให้ความต่างเฟสสูงสุดเกิน 180 องศา ซึ่งอาจเกิดขึ้นเมื่อช่วงห่างระหว่างการวัดมากกว่า 1/4 ของความยาวคลื่น

ความถี่การสุ่มตัวอย่าง ADC ที่ต้องใช้

  • เรดาร์ FMCW จะผสมสัญญาณรับเข้ากับสำเนาของสัญญาณกวาดส่ง เพื่อสร้างสัญญาณไซน์ที่เอาต์พุตของมิกเซอร์
  • สามารถคำนวณอัตราการสุ่มตัวอย่าง ADC ที่ต้องใช้ได้จากระยะเป้าหมายสูงสุดและแบนด์วิดท์ RF

FPGA

  • FPGA จำเป็นต่อการจัดการปริมาณข้อมูลและข้อกำหนดด้านไทมิงที่เข้มงวดของการสร้างสัญญาณกวาด
  • ใช้ FPGA รุ่น Zynq 7020 ซึ่งรวม FPGA fabric เข้ากับโปรเซสเซอร์ ARM แบบดูอัลคอร์

PCB

  • PCB ถูกออกแบบเป็น 6 ชั้น และออกแบบให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่ทำได้
  • ออกแบบให้สามารถต่อเข้ากับแบตเตอรี่ของโดรนได้โดยตรง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของโดรน

  • flight controller ที่รวมมาในชุดคิทโดรนคือ Speedybee F405 V3
  • ใช้ซอฟต์แวร์ ArduPilot เพื่อรองรับการบินอัตโนมัติ

เสาอากาศ

  • ยิ่งลำคลื่นของเสาอากาศกว้างเท่าไร ความละเอียดของภาพ SAR ก็ยิ่งดีขึ้น
  • สำหรับ SAR บนโดรน ขนาดของเสาอากาศมีข้อจำกัด จึงติดตั้งเสาอากาศขนาดใหญ่บนโดรนได้ยาก
  • ใช้เสาอากาศแบบ stacked patch เพื่อให้ได้ dual polarization, แบนด์วิดท์กว้าง และ gain สูง

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2025-02-18
ความคิดเห็นจาก Hacker News

  • ช่วงนี้ราคาโดรน FPV ขนาดเล็กลดลงไปมาก ในจีนสามารถซื้อควอดคอปเตอร์ใบพัด 5 นิ้วและ 7 นิ้วได้ในราคาราว 100 ยูโร โดยไม่รวมแบตเตอรี่และรีโมตคอนโทรล RC

    • แม้จะมีขนาดเล็ก แต่ก็ยกน้ำหนักบรรทุกได้มากกว่าประมาณ 1 กก. จึงเพียงพอสำหรับเรดาร์ขนาดเล็ก
    • สาเหตุที่ราคาลดลงคือจีนขายให้ทั้งสองฝ่ายในยูเครนเป็นจำนวนมาก จีนได้ประโยชน์จากการประหยัดต่อขนาด ขณะที่รัสเซียและยูเครนใช้โดรนสิ้นเปลืองรวมกันราว 100,000 ลำต่อเดือน ชิ้นส่วนส่วนใหญ่จัดหาจากจีน

  • ในฐานะสาย DIY ผมทึ่งมากว่า Henrik ทำส่วนที่ซับซ้อนอย่างการประมวลผลสัญญาณ ฮาร์ดแวร์ การเร่งความเร็วด้วย GPU และการปรับอัลกอริทึมให้เหมาะสมได้ดีแค่ไหน อยากให้ชุมชน HN มีรางวัลสำหรับความสำเร็จน่าทึ่งแบบนี้

  • นี่เป็นครั้งแรกที่ผมเห็นมีการอธิบายอัลกอริทึม SAR โปรเจ็กต์ SAR ที่เคยเห็นมาก่อนหน้านี้มักข้ามส่วนนี้ไปแบบคร่าว ๆ

    • สงสัยว่ามีใครเคยเห็นแหล่งข้อมูลอื่นบ้างไหม ตั้งใจว่าจะลองอ่านงานวิจัยที่ลิงก์ไว้
    • ดูเหมือนว่าปัญหาเรื่องตำแหน่งจะแก้ได้มากด้วยออโต้โฟกัส อันนี้ก็เพิ่งเคยเห็นเหมือนกัน

  • ผมเคยเห็นภาพ SAR จากระบบที่แพงกว่านี้มากมาเยอะ แต่ไม่เคยเห็นภาพที่ดีขนาดนี้เลย เป็นงานที่น่าทึ่งจริง ๆ

  • แค่อัปโหวตอย่างเดียวไม่พอจะสื่อคุณค่าของงานนี้ได้เลย เป็นโพสต์ที่น่าทึ่งมาก ขอบคุณ

  • นี่แหละคือเหตุผลที่ผมอ่าน Hacker News

    • ทุกเดือนจะมีบทความใหม่มาช่วยปรับปรุงระบบป้องกันขีปนาวุธชานเมืองของผม และทำให้มั่นใจว่าเพื่อนบ้านจะไม่พาหมามาที่สนามหญ้าผม
    • การทำแผนที่ภูมิประเทศของเพื่อนบ้านเพื่อให้จรวดของผมหาตัวอาชญากรที่ถูกต้องเจอเป็นความท้าทายเสมอ ตอนนี้ผมใช้โดรนได้แล้ว
    • มันคือระบบป้องกันที่มีขีปนาวุธ ไม่ใช่ระบบป้องกันขีปนาวุธ แบบนั้นมันไร้สาระ

  • เป็นโปรเจ็กต์ที่น่าทึ่งจริง ๆ เป็นการผสมผสานเทคโนโลยีได้ยอดเยี่ยมเพื่อสร้างโปรเจ็กต์เจ๋ง ๆ แบบนี้ น่าประทับใจมาก

  • ถ้าต้องใช้เสาอากาศ 100 เมตร จะสามารถใช้โดรนหลายลำปรับวิถีพาราโบลายาว 100 เมตรเพื่อประมาณมันได้ไหม?

  • โปรเจ็กต์นี้น่าจะมองเห็นทหารรัสเซียที่อยู่หลังต้นไม้ได้แม้ในเวลากลางคืน

    • อีกไม่นานโดรนจีนก็คงสามารถโจมตีเมืองต่าง ๆ ในยุโรปและล่าพลเรือนได้ตลอด 24/7 งั้นหรือ?

  • เป็นโปรเจ็กต์ที่น่าประทับใจมากและได้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม ขอบคุณที่นำมาแชร์บน HN