System radarowy SAR z procesorem DBFN

Radary typu SAR (Synthetic Aperture Radar) umożliwiają uzyskiwanie obrazu terenu i nieruchomości o dużej rozróżnialności szczegółów. Zasada działania SAR opiera się na wykorzystaniu wzajemnego ruchu pomiędzy anteną radaru i obserwowanymi obiektami. Radar taki instalowany jest zwykle na platformie poruszającej się w atmosferze (samolot) lub przestrzeni kosmicznej (sztuczny satelita, statek kosmiczny).

Wykorzystywana w ramach projektu Different koncepcja rozbudowanego systemu SAR wykorzystuje wiele odbiorników umieszczonych na niewielkich sztucznych satelitach. Pożądane parametry takiego systemu uzyskuje się dzięki formowaniu wiązek impulsów ze zminiaturyzowanych układów wieloantenowych.

W czasie przelotu grupy małych satelitów nad obserwowanym terenem radar wysyła sygnał sondujący oraz odbiera sygnały echa. Odebrane sygnały przetwarzane są w taki sposób, jak gdyby pochodziły z jednej bardzo dużej anteny. Dzięki temu można uzyskać obrazowanie o rozdzielczości porównywalnej z fotografią lotniczą i satelitarną.

Celem projektu Different jest opracowanie taniego, zintegrowanego kompaktowego radaru do wielowymiarowych aplikacji SAR z wykorzystaniem cyfrowego formowania wiązek impulsów w locie. Chodzi o osiągnięcie znacznego poziomu integracji, modułowości i zwartości dla anten SAR i front-endów RF, przy jednoczesnym sprostaniu wyzwaniu wysokiej rozdzielczości i szerokiego pasma obrazowania za pomocą operacji szerokopasmowej i technik cyfrowego kształtowania wiązek (Digital Beam Forming, DBF).

Koszt, masa i zużycie energii SAR mogą być znacznie zmniejszone z uwagi na pasywną koncepcję radaru (to jest tylko odbiór). Możliwości SAR zostaną dodatkowo wzmocnione dzięki zastosowaniu dwuzakresowego radaru (pasma X i Ka), w której dwupasmowa antena dwupolaryzacyjna z dzieloną aperturą zostanie zintegrowana z układami wejściowymi RF.

Warto na marginesie wspomnieć, że europejskie projekty badawcze, czego przykładem jest Different, stanowią doskonały środek dla przedsiębiorstw sektora MŚP do rozwijania technologii i rozwiązań, które umożliwiają takim małym i średnim przedsiębiorcom, wchodzącym w skład konsorcjum, wejście w branżę kosmiczną lub wzmocnienie swojej pozycji. MŚP zaangażowane w Different zdobywają specjalistyczną wiedzę, która pozwoli rozwijać się w kierunku projektowania całych systemów dla tej branży.

DBFN - cyfrowe formowanie wiązki impulsów

W projekcie Evatronix jest odpowiedzialny za opracowanie podsystemu cyfrowego formowania wiązki radarowej oraz gromadzenia i transmisji danych pomiarowych. Prace badawczo-rozwojowe podzielone zostały na kilka etapów. Najpierw opracowane zostały założenia systemu oraz modele architektury i definicje przetwarzania sygnałów.

Następnie zespół projektantów zajął się przygotowaniem modelu cyfrowego formowania wiązki radarowej za pomocą procesora DBFN (Digital Beam-Forming Network). Wreszcie nastąpił etap implementacji i weryfikacji z wykorzystaniem technologii FPGA, w oparciu o platformy ewaluacyjne zarówno typu MPSoC z układem Zynq, jak i Virtex-7 firmy Xilinx. Podsystem cyfrowy został zweryfikowany w ramach symulacji logicznej jak i w prototypie FPGA. Tak sprawdzony projekt systemu cyfrowego przekazany został do etapu syntezy logicznej do układu ASIC.

Widok topografii zaprojektowanego układu scalonego przedstawiono na rysunku.

Opracowany układ odbiorczy składa się z wielu miniaturowych anten na pasma Ka i X. Procesor DBFN został wykonany zarówno jako implementacja w FPGA, jak i specjalizowany układ scalony ASIC w technologii CMOS 250 nm. Wyprodukowany układ scalony został przetestowany na specjalizowanym testerze z sondą ostrzową w oparciu o zestawy testów wygenerowane na podstawie specyfikacji.

DGT Board

W celu demonstracji i przetestowania własności zaprojektowanego systemu przygotowano prototyp zawierający wszystkie istotne komponenty, w tym: zestaw anten planarnych, moduł radiowy, moduł analogowo-cyfrowego przetwarzania sygnałów, moduł DBFN, moduł komunikacji z komputerem nadrzędnym i moduł zasilający. Wszystkie moduły poza zewnętrznym komputerem umieszczono w obudowie pozwalającej na łatwe testowanie demonstratora w komorze bezechowej.

Demonstrator systemu wykorzystuje procesory DBFN przetwarzające dane z 60 przetworników ADC próbkujących sygnały z rozdzielczością 12 bitów i częstotliwością 210 MHz.

Podsumowując, główne zadania zrealizowane przez Evatronix w projekcie Different obejmowały:

• definicję wymagań systemowych i opracowanie architektury procesora DBFN,
• projektowanie kodu RTL i weryfikację,
• prototypowanie w FPGA,
• wykorzystanie technologii odpornej na radiację w realizacji układu ASIC,
• projektowanie płytek PCB dla szybkich układów cyfrowych i interfejsowych,
• integrację modułów i systemu oraz testowanie.

Tomasz Szubryt,
Piotr Penkala
Evatronix