论文标题：Design and Implementation of an SFCW Radar Platform for Environmental Monitoring

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-477X/4/1/6

期刊名：NDT — Journal of Non-Destructive Testing

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/ndt

气候变化监测高度依赖卫星观测，但现有卫星存在时间分辨率不足的短板——以Sentinel-1为例，其重访周期长达2-6天，无法捕捉分钟到小时尺度内快速变化的地球系统过程。与此同时，能够提供高时间分辨率的地面雷达系统往往依赖昂贵的高端仪器，限制了广泛应用。来自比利时鲁汶大学、根特大学、荷兰代尔夫特理工大学以及美国博伊西州立大学的国际研究团队在NDT 期刊发表了最新成果，推出一款基于软件定义无线电 (SDR) 的步进频率连续波 (SFCW) 雷达系统，为地面验证卫星观测提供了经济高效的解决方案。

一、研究过程与结果

该研究团队采用基于SDR技术的高端矢量网络分析仪 (VNA)，围绕低成本SDR构建了完整的SFCW雷达系统，配合增强型射频前端设计，在保持测量精度的同时大幅降低了硬件成本。系统具备远程访问固件，并集成了云端后端处理架构，支持自动数据备份与远程控制回传，为大规模野外部署奠定了基础。

该雷达系统是比利时联邦科学政策办公室 (BELSPO) 资助的STEREO III项目——WAVETRAX (水与植被塔雷达实验助力气候监测提升) 的重要组成部分。WAVETRAX项目旨在通过推进对主动微波遥感响应亚日尺度陆地-大气相互作用的理解，改进对土壤水分、植被光学厚度、雪水当量和陆地蒸发等关键气候变量的监测能力。

研究团队在两个场景中完成部署，包括在瑞士Weissfluhjoch运行于C波段，用于测量土壤-积雪剖面，以及在比利时Louvain-la-Neuve运行于L波段，用于测量土壤-植被剖面。

用C波段雷达系统获得的部分测量结果需要进行校准测量。研究团队采用由Lambot等人开发的远场全波雷达方程进行系统校准。该方法通过求解麦克斯韦方程的精确格林函数，明确考虑了雷达系统、雷达-介质相互作用以及平面分层介质中的三维电磁波传播。校准的目的是从原始频域测量中去除雷达系统的固有电磁响应 (包括电子器件、天线、收发天线耦合和天线-介质相互作用)，使校准后的数据仅依赖于所观测介质的性质。

实验将C波段雷达置于距完美导体 (PEC) 板约2米处，实测脉冲半高全宽为0.612ns，与理论预期值0.5ns吻合良好。这一结果确认系统距离分辨率为9.17cm，满足低于10cm的技术要求。

研究团队在瑞士Weissfluhjoch进行了一系列受控的铲形金属目标探测实验，以验证雷达系统的灵敏度和安装几何。实验在C波段、VV极化下进行，铲形目标在0至10米的不同水平距离处放置。结果显示，雷达在各对应距离处清晰地检测到了金属目标的反射，最强反射出现在雷达波束中心，证实了几何安装和数据处理的正确性。

论文展示了C波段雷达在5米高度、40°入射角下对小麦田的测量结果。未校准数据中，耦合效应过于强烈 (约19ns处)，地面反射几乎不可见。应用远场全波雷达方程校准后，地面反射变得清晰可见 (20-40ns处)，但仍有与耦合效应相关的残余噪声，这归因于当前校准尚未考虑温度依赖性。

校准实验结果表明，该SFCW雷达系统在多次测量中展现出优异的一致性。系统在实验室条件下实现了优于10cm的范围分辨率，满足断层成像的精度需求。在长期野外运行中，系统性能保持稳定，信噪比波动可控，数据质量可靠。得益于24/7无人值守运行能力和远程数据传输功能，研究团队能够在数分钟间隔内获取连续观测数据，为气候监测提供了前所未有的高时间分辨率微波数据集。

二、研究总结

该研究为地面验证卫星观测提供了经济高效的解决方案。通过低成本、可扩展的雷达网络，科学家能够更好地理解亚日尺度的地表过程，推动气候变化监测进入分钟级分辨率时代。对于从事微波遥感、水文学、积雪研究和生态监测的研究人员来说，这是一个值得关注的技术突破。

Mulders, J.V.; Vandenbroucke, J.; Mareschal, M.; Cox, B.; Tronquo, E.; Marshall, H.-P.; Lambot, S.; Lievens, H.; Strycker, L.D. Design and Implementation of an SFCW Radar Platform for Environmental Monitoring. NDT 2026, 4, 6.

期刊介绍

主编：Fabio Tosti, University of West London, UK

期刊内容主要涉及：考古和法医工程、地球物理、机械工程、石油工程、电气和电子工程、土木和环境工程、系统工程、航空工程、数据科学和人工智能、医学和生物科学以及艺术。