- Dengan memasang FMCW Synthetic Aperture Radar (SAR) buatan sendiri pada drone FPV 7 inci murah, sistem ini merekam citra polarisasi HH/HV/VH/VV dari udara dengan wahana berbobot di bawah 1 kg
- Karena anggaran radar di bawah 500 EUR dan rangka yang sempit, desain dipadatkan di sekitar PCB FR4, komponen pita 6 GHz, FPGA Zynq 7020, dan antena dual-polarisasi berukuran kecil
- Untuk jarak pendek dan platform lambat, FMCW lebih unggul daripada radar pulsa; sistem ini menargetkan resolusi citra kelas 0,3 m dengan bandwidth RF 300 MHz, ADC 50 MHz, PRF sekitar 1 kHz, dan puluhan ribu sweep
- Dengan GPS non-RTK dan IMU saja, citra menjadi kabur, tetapi setelah menerapkan minimum entropy autofocus berbasis PyTorch dan backprojection GPU, permukaan ladang, kabel listrik, bangunan, dan struktur hutan tampak lebih jelas
- Sistem akhir berbobot 948 g termasuk baterai dan berhasil melakukan pencitraan hingga setidaknya 1,5 km; biayanya sekitar 200 EUR untuk drone, sekitar 600 EUR untuk dua PCB radar, serta sekitar 10 bulan waktu luang setelah pulang kerja
Tujuan dan batasan anggaran
- Berdasarkan eksperimen radar rakitan darat dan pencitraan synthetic aperture sebelumnya, tujuannya adalah memasang radar pada drone untuk memperoleh citra SAR udara
- Makalah-makalah sebelumnya menggunakan drone ukuran menengah seperti DJI S900 dan RTK-GPS, sementara contoh sistem dalam makalah berharga total £15.000, tidak sesuai dengan anggaran pribadi
- Seiring turunnya harga drone FPV kecil buatan Tiongkok, kit quadcopter 5–7 inci kini dapat dibeli sekitar 100 EUR, belum termasuk baterai dan pengendali
- Dengan membeli kit FPV 7 inci tanpa merek dari Tiongkok yang paling murah serta modul GPS+kompas kecil, proyek pembuatan sistem SAR ringan yang dapat diangkat drone pun dimulai
Prinsip dasar synthetic aperture radar
- Radar kanal tunggal hanya dapat mengukur jarak ke target, dan tidak dapat mengetahui sudut target secara langsung
- Jika beberapa kanal penerima disusun secara linear, panjang lintasan ke tiap penerima berubah sesuai sudut target, dan sudut dapat dihitung dari perbedaan fase ini
- Resolusi sudut antena kira-kira ditentukan oleh
Δθ ≈ λ / D- Untuk mendapatkan resolusi 1 m pada jarak 1 km di 6 GHz, diperlukan resolusi sudut sekitar 0,03°
- Syarat ini membutuhkan antena berukuran sekitar 100 m
- Alih-alih antena besar, jika satu radar digerakkan dan melakukan pengukuran dari banyak posisi, efek yang sama seperti radar multikanal besar dapat diperoleh selama adegan bersifat statis
- Dengan memasang radar kanal tunggal pada drone dan melakukan pengukuran selama penerbangan, synthetic aperture besar dapat dibuat untuk memperoleh resolusi sudut tinggi
Pemilihan arsitektur radar
- Target desainnya adalah memaksimalkan performa pencitraan sambil tetap muat di drone FPV, serta menjaga anggaran radar di bawah 500 EUR
- Karena keterbatasan anggaran, material RF rendah rugi dikesampingkan, dan seluruh rangkaian elektronik serta antena harus diimplementasikan pada PCB FR4 yang memiliki rugi
- Lebar rangka drone sekitar 40 mm, jarak antarujung baling-baling melintasi rangka sekitar 50 mm, dan panjangnya sekitar 170 mm, sehingga radar perlu berbentuk sempit dan memanjang
- Radar pulsa rakitan sebelumnya berukuran sekitar 64×132 mm, sedikit terlalu lebar, dan karena kecepatan sampling ADC, bandwidth-nya terbatas sekitar 100 MHz sehingga resolusi jaraknya hanya sekitar 1,5 m
- Radar FMCW dapat mengirim dan menerima secara bersamaan, sehingga menguntungkan untuk rasio sinyal-terhadap-noise, dan panjang sweep dapat diperpanjang hingga ratusan µs
- Radar pulsa diperlukan untuk jarak jauh, terutama ketika membutuhkan beberapa km atau lebih, sedangkan FMCW menguntungkan untuk jarak pendek dan platform lambat
Desain RF dan pengukuran polarisasi
- Struktur RF terdiri dari radar FMCW dengan antena dual-polarisasi
- PLL menghasilkan sweep
- Sinyal melewati attenuator variabel dan penguat daya lalu diteruskan ke antena pemancar
- Sebagian sinyal pemancar dikopel ke mixer penerima
- Sinyal yang diterima diperkuat oleh LNA, lalu dikonversi menjadi sinyal IF frekuensi rendah di mixer dan didigitalisasi oleh ADC
- Pembuatan sweep berbasis DAC atau DDS mungkin lebih baik daripada PLL, tetapi PLL dipilih karena lebih murah dan memakan ruang lebih sedikit
- Frekuensi RF ditetapkan sekitar 6 GHz
- Frekuensi ini mendekati batas atas di mana banyak komponen RF murah untuk konsumen tersedia
- Penguat daya murah dapat menghasilkan keluaran sekitar 30 dBm
- Untuk penerimaan, penguat low-noise dengan noise figure 1–2 dB dapat diperoleh dengan murah
- Penerima menggunakan struktur direct conversion dan tidak memiliki image rejection
- Noise di atas dan di bawah frekuensi pemancar dikonversi menjadi frekuensi keluaran yang sama, sehingga noise floor naik 3 dB
- Penerima sampling IQ memerlukan dua mixer dan dua ADC, sehingga dinilai kurang sepadan dibanding biaya dan luas PCB-nya
- Sakelar polarisasi memilih H/V masing-masing pada pemancar dan penerima sehingga dapat mengukur empat kombinasi HH, HV, VH, VV
- Target yang mulus sering kali memantulkan polarisasi yang sama dengan lebih kuat
- Hutan dan vegetasi dapat memiliki komponen cross-polarization HV/VH yang lebih tinggi daripada jalan dan tanah terbuka karena pantulan ganda di dalamnya
- Menggunakan dua penerima memungkinkan penerimaan H/V secara simultan, tetapi karena biaya dan ruang, dipilih struktur satu penerima dengan sakelar
Kebocoran TX-RX dan link budget
- Karena FMCW melakukan transmisi dan penerimaan secara bersamaan, kebocoran TX-RX dapat menyebabkan saturasi penerima
- Penerima harus cukup sensitif untuk mendeteksi thermal noise floor
-174 dBm/Hz, tetapi masukan saturasi LNA umumnya sekitar-20 dBm - Jika daya pancar
+30 dBm, diperlukan isolasi lebih dari 50 dB antara pemancar dan penerima untuk mencegah saturasi penerima - Jika isolasi tidak memadai, daya pancar dapat diturunkan dengan attenuator variabel di depan penguat daya
- Link budget dihitung berdasarkan daya terima, reflektivitas permukaan tanah, jarak, gain antena, daya pancar, dan jumlah sweep
- Contoh parameternya adalah sebagai berikut
- Daya pancar: 30 dBm
- Gain antena: 10 dBi
- Panjang gelombang: 5,2 cm
- Resolusi piksel citra: 0,3×0,3 m
- Panjang sweep: 200 µs
- Jumlah pulsa dalam citra: 10.000
- Noise figure penerima: 6 dB
- grazing angle: 30°
- Dengan kondisi ini, kualitas citra yang cukup baik dapat diharapkan hingga sekitar 1–2 km, tetapi grazing angle 30° pada 2 km membutuhkan penerbangan di ketinggian 1 km, sehingga ini merupakan kondisi yang optimistis untuk drone
Persyaratan PRF dan ADC
- Pembentukan citra SAR bergantung pada informasi fase sinyal yang diterima, sehingga perbedaan fase antar pengukuran yang berdekatan tidak boleh melebihi 180° agar aliasing dapat dihindari
- Pada 6 GHz, 1/4 panjang gelombang adalah 12,5 mm, dan jika drone terbang pada 10 m/s, PRF minimum yang diperlukan sekitar 800 Hz
- Karena empat polarisasi dimultipleks berdasarkan waktu, secara keseluruhan muncul kebutuhan
4 × 800Hz = 3.2kHz - Kondisi ini menyisakan maksimal 312,5 µs per sweep, dan jika waktu locking PLL 20–30 µs dikecualikan, panjang sweep maksimum sekitar 280 µs
- Pada FMCW, frekuensi IF ditentukan oleh jarak, bandwidth RF, dan panjang sweep
- Bandwidth RF 300 MHz memberikan resolusi jarak 0,5 m
- Pada jarak maksimum 2 km dan sweep 280 µs, frekuensi IF sekitar 14 MHz
- Dengan mempertimbangkan syarat Nyquist dan margin filter anti-alias, diperlukan ADC minimal sekitar 35 MHz, dan dalam praktiknya dipilih sampling 50 MHz
FPGA dan struktur penyimpanan
- Karena timing yang ketat untuk pembuatan sweep dan besarnya volume data, ini sulit dilakukan hanya dengan mikrokontroler dan membutuhkan FPGA
- FPGA yang digunakan adalah Zynq 7020, yang juga dipakai pada radar pulsa sebelumnya
- FPGA fabric dan prosesor ARM dual-core berada dalam paket yang sama
- Harga ritel umum sekitar 150 EUR, tetapi bisa didapat lebih murah melalui jaringan distribusi Tiongkok
- Kekurangannya adalah kurangnya koneksi berkecepatan tinggi di sisi ARM
- Antarmuka SD-card dan EMMC hanya 25MB/s, lebih rendah dari laju data ADC
- Ada Ethernet 1Gbps, tetapi membutuhkan komputer tambahan seperti Raspberry Pi sehingga tidak memungkinkan dari sisi ruang
- DDR3 eksternal hanya dapat memuat 1 modul, sehingga terbatas pada 1GB, sementara pengukuran penuh bisa mencapai beberapa GB
- Solusinya adalah mengimplementasikan antarmuka komunikasi eksternal cepat di sisi FPGA programmable logic
- Menggunakan controller SD-card/EMMC GPL3 dari ZipCPU, dan meskipun belum diverifikasi pada perangkat keras nyata di kecepatan yang dibutuhkan, pada akhirnya berfungsi dengan baik
- IC bridge USB3 FT600 juga ditambahkan agar bisa terhubung secara real-time dengan PC, tetapi tidak diperlukan untuk operasi drone dan berguna untuk pengujian serta aplikasi lain
- Blok radar timer di dalam FPGA mengalihkan sinyal internal dan eksternal dengan akurasi siklus clock untuk pengukuran kestabilan fase
- Decimating FIR filter setelah ADC dapat mengatur decimation ke 1, 2, atau 4
- Untuk pengukuran jarak jauh, decimation dimatikan demi bandwidth IF maksimum
- Untuk pengukuran jarak dekat, decimation dapat mengurangi volume data yang disimpan
Implementasi PCB dan masalah produksi
- PCB radar adalah PCB 6 lapis, dengan komponen ditempatkan rapat untuk mengurangi ukuran
- Karena perakitan satu sisi lebih murah, sisi bawah dibiarkan kosong kecuali satu konektor SD-card yang akan disolder sendiri
- Rangkaian RF hanya menempati sebagian kecil PCB, sementara sebagian besar ruang sebenarnya ditempati oleh elektronika digital dan regulator tegangan
- Radar menerima input 12~30V sehingga dapat langsung terhubung ke baterai drone, tanpa memerlukan regulator DC/DC eksternal
- Ukuran PCB adalah 113×48mm, dengan lebar diperkecil agar muat di drone
- Karena keterbatasan ruang, 4 konektor SMA tidak bisa dimasukkan, sehingga hanya 2 output TX H/V dan 1 input RX yang ditempatkan di PCB
- Sakelar polarisasi RX dipisahkan ke PCB eksternal
- Konektor JST digunakan untuk sakelar polarisasi RX, port serial flight controller, dan koneksi cadangan
- Salah satu komponen yang dipesan dari Mouser tidak dapat dibeli karena pemasok melarang penjualan ke perorangan
- Sebagai pengganti, ditemukan IC PE43204 lama yang sudah dihentikan produksinya tetapi kompatibel pin
- Komponen asli mendukung hingga 6GHz, tetapi meskipun PE43204 berspesifikasi 4GHz, loss-nya di 6GHz cukup rendah sehingga tidak menimbulkan masalah besar
- Ada kesalahan menghubungkan pin SD-card ke I/O 1.8V, bukan 3.3V
- Tanpa memesan PCB baru, dirancang PCB interposer kecil dengan level shifter dan disolder di atas footprint yang ada
- Hal terkait ini dirangkum terpisah dalam tulisan sebelumnya
- Power amplifier dapat menjadi panas jika duty cycle transmisi tinggi, jadi heatsink PCB berbahan substrat aluminium dipesan dan dipasang dengan baut di bawah PCB radar
- Harganya $4 untuk 5 buah dan bekerja dengan baik
Elektronika drone dan estimasi posisi
- Flight controller yang disertakan dalam kit drone adalah Speedybee F405 V3
- Ini adalah controller murah dengan flash 1MB
- Karena selisih harganya tidak besar, controller dengan flash 2MB dinilai sebagai pilihan yang lebih baik
- Software penerbangan utama untuk drone FPV adalah Betaflight, Inav, dan ArduPilot
- Betaflight berfokus pada penerbangan manual cepat dan tidak mendukung penerbangan otonom
- Inav berbagi banyak kode dengan Betaflight dan mendukung sebagian penerbangan otonom
- ArduPilot menyediakan fitur penerbangan otonom paling maju, tetapi konfigurasinya lebih sulit
- Proyek ini memilih ArduPilot, dan fusi sensor IMU serta GPS berguna untuk meningkatkan akurasi posisi
- Flight controller berkomunikasi dengan radar melalui port serial
- Radar dapat dinyalakan dan dimatikan selama misi otonom
- Informasi posisi dapat diberikan ke radar
- Pencitraan SAR membutuhkan akurasi posisi pada tingkat sebagian panjang gelombang, dan pada 6GHz ini berada pada orde beberapa cm
- Drone SAR komersial dapat memperoleh akurasi posisi sekitar 1cm dengan RTK GPS dan penerima referensi darat, tetapi dinilai sulit untuk drone ini karena biaya dan ukuran
- GPS biasa bisa memiliki akurasi sekitar 1m sehingga dapat menimbulkan kesalahan gambar, tetapi autofocus dapat digunakan untuk mengoreksi kesalahan posisi dari data radar
- Alih-alih menambahkan GPS dan IMU terpisah untuk radar, estimasi posisi dari komputer penerbangan diteruskan ke radar melalui antarmuka serial
- Link kendali menggunakan ExpressLRS
- Berkat dukungan Mavlink pada ELRS, kendali dan telemetri dapat ditangani melalui satu link radio
Desain antena
- Dalam SAR, beamwidth antena yang lebar secara teoretis dapat membantu menghasilkan resolusi yang lebih baik, tetapi dalam praktiknya gain yang rendah membatasi signal-to-noise ratio dan jarak maksimum
- Dalam link budget, gain antena masuk sebagai kuadrat, sehingga jika gain dikurangi setengah, jumlah pulsa yang dibutuhkan untuk SNR yang sama menjadi 4 kali lipat
- Pada drone SAR, sulit mendapatkan lintasan terbang panjang karena keterbatasan line-of-sight, dan panjang baseline maksimum sering kali membatasi resolusi
- Karena struktur FMCW, antena pemancar dan penerima harus dipisahkan, dan untuk kebocoran TX-RX yang rendah dibutuhkan jarak di antara keduanya sehingga masalah ruang menjadi lebih besar
- Horn antenna buatan sendiri yang ada memiliki panjang 100mm, dan coaxial-to-waveguide transition saja 25mm, sehingga tidak cocok untuk drone dengan jarak ujung propeler 50mm
- Patch antenna sederhana kecil dan dapat dibuat dual-polarized, tetapi pada FR4 1,6mm bandwidth-nya sempit, pergeseran frekuensi terjadi akibat toleransi permitivitas, dan gain-nya juga tidak tinggi
- Struktur yang dipilih didasarkan pada dual-polarized slot-fed stacked patch antenna yang dilihat di sebuah paper
- Patch diberi feed dengan slot berbentuk H dan microstrip feed
- Dual polarization diwujudkan dengan dua feed/slot yang ditempatkan 90°
- Patch kedua dibuat melayang di atas lapisan udara untuk memperoleh bandwidth lebih lebar daripada patch tunggal
- Untuk gain tambahan dan pengurangan sidelobe, struktur horn dari lembaran logam ditambahkan di sekitar patch sehingga menjadi stacked patch-fed horn antenna
- Antena ini sekaligus memenuhi kebutuhan dual polarization, bandwidth lebar, gain bagus, tinggi rendah, dan biaya produksi rendah
- Jika memakai material RF low-loss alih-alih FR4, gain bisa lebih tinggi 0,5~1,0dB, tetapi untuk jumlah prototype biayanya sekitar 100 kali lebih mahal
- Di antara antena dipasang dinding kecil berukuran 0,25×0,5 panjang gelombang untuk mengurangi TX-RX coupling
- Dimensi dan performa antena adalah sebagai berikut
- Tinggi tanpa SMA: 18mm
- Tinggi termasuk SMA: 28mm
- Substrat patch: 45×45mm
- Horn aperture: 65×65mm
- Simulasi -3dB beamwidth: 50/60 derajat pada arah 0/90 derajat
- Simulasi peak gain: 10.0dB
- Bandwidth yang dapat digunakan: sekitar 4.5~6.2GHz
Desain mekanis dan bobot
- Karena radar tidak memiliki ruang untuk ditempatkan di dalam frame, dirancang mount 3D print untuk memasang PCB radar di bawah frame drone
- Kaki pendaratan juga dirancang agar radar tidak menyentuh tanah
- Desain dibuat dengan Blender, dan bekerja cukup baik untuk komponen sederhana
- Enclosure tahan air belum dibuat, dan material pelindung ditambahkan di atas PCB untuk berjaga-jaga jika kaki pendaratan gagal
- Papan antena dipasang dengan dua baut sehingga sudutnya dapat disesuaikan
- PCB switch polarisasi RX dibiarkan menggantung tanpa dipasang ke mount karena kabel SMA cukup kaku
- Kaki pendaratan terdiri dari carbon tube berdiameter 10 cm dan 3D print TPU cap
- Radar mendapat daya langsung dari baterai drone melalui XT60 splitter
- Bobotnya adalah sebagai berikut
- Drone tanpa baterai: 752g
- LiPo 6-cell 1300mAh: 196g
- LiPo 6-cell 2200mAh: 322g
- Sistem keseluruhan dengan baterai kecil: 948g
Pembentukan citra dan pemrosesan GPU
- Matched filtering digunakan untuk mengubah pengukuran radar menjadi citra
- Untuk setiap piksel citra, dibuat sinyal referensi yang akan dipantulkan oleh target di posisi tersebut, lalu sinyal pengukuran aktual dikalikan dengan complex conjugate dari sinyal referensi dan dijumlahkan untuk semua pengukuran
- Jika sinyal pengukuran cocok dengan sinyal referensi, fasenya sejajar sehingga respons membesar; jika tidak cocok, komponen fase acak dirata-ratakan sehingga respons menjadi rendah
- Algoritme yang digunakan adalah backprojection
- Sederhana dan tidak membuat aproksimasi atau asumsi terhadap geometri penerbangan
- Beban komputasinya sangat besar
- Misalnya, membuat citra 1km×1km dengan resolusi 0,3m dan 10.000 sweep membutuhkan
111×10^9backprojection - Dengan menggunakan koordinat polar, resolusi sudut tetap konstan dan resolusi cross-range semakin baik saat semakin dekat ke radar, sehingga jumlah piksel dapat dikurangi dibandingkan Cartesian grid
- Pada GPU modern, komputasi ini dapat dilakukan dalam waktu kurang dari 1 detik
- Kernel CUDA sederhana menghitung 220 miliar backprojection per detik pada RTX 3090 Ti
- Setiap piksel dapat dihitung secara paralel secara independen, sehingga cocok untuk implementasi GPU
Autofocus
- Akurasi posisi GPS dan IMU saja tidak cukup untuk menghasilkan citra berkualitas tinggi, sehingga diperlukan algoritme autofocus
- Phase gradient autofocus yang umum memang sederhana dan cepat, tetapi tidak bekerja dengan baik dalam kasus ini karena azimuth beam yang lebar dan radar baseline yang panjang
- Backpropagation autofocus sebelumnya diperbarui dan ditingkatkan dengan PyTorch
- Algoritme bekerja dengan cara berikut
- Membentuk citra radar
- Menghitung gradient dari velocity input
- Melakukan clipping pada learning rate agar perubahan posisi tidak melampaui nilai maksimum yang telah ditentukan
- Memperbarui velocity dengan gradient descent optimizer
- Menggunakan posisi 3D secara langsung tidak bekerja baik karena setiap posisi cenderung bergerak sedikit ke arah acak; menggunakan velocity lalu mengintegrasikannya menjadi position bekerja lebih baik
- Sebuah regularization term kecil juga disertakan agar posisi yang dioptimalkan tidak menyimpang jauh dari posisi asli
- Metode ini tidak membuat asumsi tentang sistem radar, scene, atau lintasan penerbangan, tetapi karena harus membentuk citra berkali-kali, prosesnya terlalu lambat tanpa image formation cepat berbasis GPU
- Algoritme autofocus dipublikasikan di Github
Hasil pengukuran SAR pertama
- Misi dikonfigurasi sebelumnya di ArduPilot Mission Planner
- Drone terbang otomatis mengikuti waypoint
- ROI ditetapkan agar antena selalu mengarah ke area minat
- Pengukuran radar dimulai menggunakan digicam configure command
- Untuk menetapkan ROI berdasarkan arah antena, diperlukan patch ArduPilot firmware
- Perilaku default adalah bagian depan drone mengarah ke ROI
- Patch tersedia sebagai ArduPilot Github pull request
- Scene pertama adalah padang luas, dan jarak ke hutan di arah antena sekitar 1,5km
- Drone terbang pada ketinggian 110m, garis lurus sekitar 500m, dengan kecepatan 5m/s
- Konfigurasi radar hanya menggunakan polarisasi VV, dengan panjang sweep 400µs, bandwidth 500MHz, dan PRF 1kHz
- Range-compressed raw data tidak terlihat seperti citra
- Karena pada setiap sweep, beam antena yang lebar menangkap target dari berbagai sudut sekaligus
- Pada jarak 0, TX-RX leakage tampak besar
- Pada jarak sekitar 100m, tampak pantulan tanah tepat di bawah
- Pantulan jarak jauh sebagian besar berada di bawah noise floor pada sweep individual, tetapi SNR meningkat dalam image formation dengan mengintegrasikan banyak sweep
- Citra SAR sebelum autofocus sudah dapat mengidentifikasi fitur medan, tetapi masih blur
- Setelah menerapkan minimum entropy gradient optimization autofocus sebanyak 30 iterasi, kualitas citra meningkat besar
- Kemungkinan 5 iterasi saja sudah cukup, tetapi lebih banyak iterasi sedikit meningkatkan kualitas lebih lanjut
- Setiap iterasi harus menghitung forward/backward pass dari backprojection, sehingga memakan waktu beberapa menit
- Saat patch 300×300m diperbesar, detail permukaan padang terlihat pada citra setelah autofocus, sedangkan sebelum autofocus masih blur
- Hasil phase gradient autofocus sangat mirip dengan citra tanpa autofocus, sehingga dalam kasus ini tidak bekerja dengan baik
Pengukuran polarisasi penuh
- Pengukuran lain juga dilakukan di lokasi berbeda menggunakan keempat polarisasi HH, HV, VH, VV
- Drone terbang otonom pada lintasan linear seperti sebelumnya, dan radar beralih cepat di antara empat status switch polarisasi
- Konfigurasinya adalah sebagai berikut
- Panjang sweep: 200µs
- PRF per polarisasi: 715Hz
- Jumlah sweep dalam citra: 51.200
- Parameter lainnya sama seperti sebelumnya
- Keempat citra polarisasi sangat mirip, tetapi citra cross-polarization HV/VH umumnya lebih lemah daripada pantulan co-polarization sehingga amplitudonya lebih rendah
- Dengan menetapkan polarisasi berbeda ke kanal RGB, karakteristik pantulan polarisasi tiap target dapat dilihat dengan lebih mudah
- Tanah tampak berwarna ungu, menunjukkan pantulan VV dan HH lebih baik daripada cross-polarization
- Tren yang sama juga tampak pada bangunan dan lampu jalan di tepi jalan
- Hutan memantulkan semua polarisasi hampir sama sehingga tampak putih
- Karena radiation pattern antena dan perbedaan rugi-rugi untuk tiap status switch polarisasi belum dikoreksi, sebagian perbedaan yang diamati mungkin berasal dari pengaruh hardware
- Untuk pengukuran polarisasi yang lebih akurat, diperlukan calibration
- Area berisi titik-titik di sekitar koordinat citra SAR
(200, 500)m tampak seperti taman dengan pohon-pohon kecil yang dikelilingi pagar kawat logam - Saat pengukuran, ada sedikit salju di tanah
Eksperimen VideoSAR
- Alih-alih membuat citra resolusi tinggi dengan satu baseline panjang, beberapa citra baseline kecil dapat disintesis dari satu pengukuran panjang dan dijadikan video
- Algoritme backprojection tidak mengharuskan lintasan penerbangan berbentuk garis lurus, sehingga drone diterbangkan pada lintasan oktagonal dan antena diarahkan ke pusat oktagon
- Setiap frame terdiri dari 1024 radar sweep, dengan 512 sweep tumpang tindih dengan frame sebelumnya
- Karena jumlah sweep per frame lebih sedikit daripada citra penuh, noise lebih banyak dan resolusi sudut juga lebih rendah
- Video sekitar 10× speed, menggunakan keempat polarisasi, dan metode pewarnaannya sama seperti citra SAR polarisasi sebelumnya
- Autofocus diterapkan secara terpisah untuk tiap frame, dan frame bersebelahan tidak diselaraskan, sehingga kadang tampak bergetar atau melompat
- Di sudut oktagon, image formation menjadi sangat sulit karena posisi along-range dan cross-range harus diselesaikan dengan akurat
- Target alami seperti tanah dan hutan tampak serupa dari frame ke frame, tetapi jembatan dan kabel listrik memunculkan pantulan besar saat berada pada arah 90 derajat terhadap radar
- Titik terang yang tampak bergerak di jembatan adalah glint dari pagar pembatas
- Karena ketidakcocokan pola antena antarpolarisasi, target yang sama dapat terlihat dengan warna sedikit berbeda di beam center dan edge
Ketinggian terbang dan geometri pengamatan
- Tanpa izin khusus, drone dapat terbang hingga ketinggian maksimum 120m
- Look angle SAR pada umumnya sekitar 10~50 derajat
- Jika look angle mendekati 90 derajat, yaitu melihat hampir tegak lurus ke bawah, daya pantulnya besar, tetapi jarak radar antar posisi di sekitarnya hampir sama sehingga range resolution memburuk
- Pada look angle rendah, range resolution baik, tetapi grazing angle rendah sehingga daya pantul yang kembali ke radar berkurang
- Pada look angle yang sangat rendah, daya pantul bisa 10~20dB lebih rendah dibandingkan look angle umum di sekitar 45 derajat, sehingga jarak pengamatan maksimum berkurang
- Saat melihat jarak 2km dari ketinggian 120m, grazing angle hanya 3,4 derajat
- Pada sudut ini, pohon setinggi 10m membentuk bayangan sekitar 170m, dan pantulan permukaan tanah di belakang objek tinggi tidak dapat terlihat
- Pada semua pengukuran, shadowing tampak jelas, dan dalam pengukuran polarimetri penuh, ada kasus ketika hanya bagian puncak bangunan di kejauhan yang terlihat
Pembaruan dan hasil akhir
- Dalam pembaruan Oktober 2025, perangkat lunak pemrosesan gambar banyak ditingkatkan sehingga dapat menghasilkan gambar dengan kualitas lebih baik
- Rinciannya dirangkum di Synthetic aperture radar autofocus and calibration
- Drone SAR yang selesai dibuat dapat melakukan imaging hingga setidaknya 1,5km, dan diperkirakan bisa lebih jauh jika terbang pada ketinggian yang lebih tinggi
- Sistem ini berbobot kurang dari 1kg, termasuk radar, drone, dan baterai
- Dapat mengambil citra empat polarisasi: HH, HV, VH, VV
- Gradient-based minimum entropy autofocus mampu menghasilkan gambar berkualitas baik pada beam antena yang lebar hanya dengan GPS non-RTK dan informasi IMU
- Biaya dan waktunya adalah sebagai berikut
- Drone: sekitar 200 EUR
- 2 PCB radar: sekitar 600 EUR
- Waktu pembuatan: sekitar 10 bulan waktu luang setelah jam kerja
- Differentiable GPU image formation library dipublikasikan di Github dengan lisensi MIT
- Skema rangkaian radar juga dipublikasikan
1 komentar
Opini Hacker News
Harga drone FPV tampaknya turun karena China menjual volume yang sangat besar ke kedua pihak dalam perang Ukraine
Russia dan Ukraine masing-masing menghabiskan kira-kira 100 ribu unit per bulan, dan sebagian besar komponennya dipasok dari China, sehingga muncul skala ekonomi
Saya membaca bahwa belakangan Ukraine memproduksi banyak drone dan produksinya juga sedang meningkat, serta menggunakan drone kendali serat optik untuk menghindari peperangan elektronik/jamming
Dari sudut pandang pelaku DIY, kompleksitas yang diimplementasikan Henrik sungguh mengejutkan: lengkap dari pemrosesan sinyal, hardware, akselerasi GPU, hingga optimasi algoritme
Rasanya komunitas HN sebaiknya punya penghargaan untuk pencapaian luar biasa seperti ini
Untuk pengembang hobi, ini pencapaian besar
Ini pertama kalinya saya benar-benar melihat algoritme SAR dijelaskan
Proyek-proyek SAR yang saya lihat sejauh ini biasanya melewati bagian ini secara sepintas
Saya penasaran apakah ada yang pernah melihat materi terkait lainnya, dan berencana membaca makalah yang ditautkan: https://topex.ucsd.edu/rs/sar_summary.pdf
Pada akhirnya, tampaknya autofocusing dapat mengakali cukup banyak masalah posisi, dan ini juga pertama kalinya saya melihat bagian tersebut
Bab 3 dan 4 PDF disertasi ini menjelaskan bagaimana matematikanya bekerja: https://github.com/stevesimmons/phd-thesis-radar-imaging
SAR = Synthetic Aperture Radar. Radar terbang dalam garis lurus, dan rotasi semu permukaan bumi menghasilkan pergeseran Doppler sehingga diperoleh resolusi azimut (cross-range resolution) yang tinggi
ISAR = Inverse Synthetic Aperture Radar. Radar diam (misalnya di darat), target (misalnya pesawat) bergerak, dan gerak relatif keduanya menghasilkan rotasi target sehingga, sama seperti SAR, resolusi azimut tinggi diperoleh melalui pergeseran Doppler
Secara pribadi, saya paling mudah memahaminya dalam konteks antena phased array umum, tetapi jika belum memahami prinsip itu, mungkin kurang membantu
Saya sering melihat citra SAR dari sistem yang jauh lebih mahal yang tidak tampak sebagus ini
Hasil di sini benar-benar hebat
Inilah alasan saya membaca Hacker News
Setiap bulan ada tulisan baru yang meningkatkan sistem pertahanan rudal pinggiran kota saya, dan memastikan anjing tetangga tidak akan pernah lagi buang kotoran di halaman rumput saya
Selama ini yang selalu sulit adalah memetakan medan lingkungan agar roket bisa menemukan pelaku yang tepat, tetapi sekarang cukup memakai drone
Yang saya maksud di sini adalah sistem pertahanan yang memiliki rudal, bukan sistem pertahanan untuk menghentikan rudal. Itu tidak masuk akal
Tactical and Strategic Missile Guidance, Seventh Edition https://www.amazon.com/Tactical-Strategic-Missile-Guidance-S...
Tactical missile warheads https://www.amazon.com/Tactical-Warheads-Progress-Astronauti...
Fundamentals of Astrodynamics https://www.amazon.com/Fundamentals-Astrodynamics-Second-Dov...
Karena ia tahu di mana dirinya tidak berada
Kita benar-benar hidup di dunia yang luar biasa
Dalam pengondisian hewan, sudah diketahui bahwa umpan balik langsung itu penting
Jika membutuhkan antena 100 m, bukankah beberapa drone bisa dikoordinasikan untuk membuat lintasan parabola 100 m yang mirip?
Jika tidak ada interferensi GPS, sinkronisasi mungkin bisa dilakukan, tetapi komponen sinyal mentah tetap harus dipertukarkan entah bagaimana di antara semua platform
Dalam kasus ini, susunan parabola sama sekali tidak diperlukan; cukup sesuaikan fase tiap unit sesuai susunan aktualnya
Pendekatan seperti ini adalah bidang yang sedang dikaji, terutama dipertimbangkan pada frekuensi sangat rendah 1–100 MHz. Pada rentang ini, masalah-masalah di atas jauh lebih sederhana, dan untuk mendapatkan direktivitas mungkin diperlukan antena sebesar skala km
Pernyataan bahwa “radar satu kanal hanya dapat mengukur jarak ke target dan tidak dapat mendeteksi sudut target” mungkin benar untuk kasus penggunaan tertentu itu
Namun antena paraboloid dan apertur waveguide slot sudah ada sejak lama