中文引用格式： 琚朝文，劉一萱，成幸兒，等. 基于聲波激勵(lì)天線圓形陣列空間連續(xù)采樣的地下目標(biāo)三維定位方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(6)：110-117.
英文引用格式： Ju Chaowen，Liu Yixuan，Cheng Xinger，et al. Three-dimensional localization method for underground targets based on spatial continuous sampling using acoustic excitation antenna circular array[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(6)：110-117.
引言
探地雷達(dá)憑借其無損、分辨率高、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)在資源勘探[1]、路面探測(cè)[2]、考古[3]、冰川研究[4]、地雷探測(cè)[5]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。探地雷達(dá)的工作環(huán)境通常為有耗介質(zhì)，電磁波的頻率越高，在其中的傳播損耗越大，因此更低頻率的探地雷達(dá)具有更好的介質(zhì)穿透效果。然而傳統(tǒng)天線的物理尺寸需要與波長(zhǎng)匹配，限制了低頻天線的進(jìn)一步小型化。
2017年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了“機(jī)械天線”方案，引起了全球研究人員的關(guān)注，成為小型天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7]。聲波激勵(lì)天線作為機(jī)械天線的一種，主要依靠壓電材料和磁致伸縮材料機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生與振動(dòng)頻率相同的磁場(chǎng)輻射，其尺寸從原理上需要與聲波波長(zhǎng)匹配[8-10]，而非電磁波波長(zhǎng)。由于空氣中聲速遠(yuǎn)小于光速，相同頻率下聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)，因此理論上聲波激勵(lì)天線長(zhǎng)度可遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)天線。甚高頻(Very High Frequency, VHF)電磁波非常適合地下探測(cè)，但傳統(tǒng)VHF天線尺寸長(zhǎng)且重量大，往往需要汽車拖拽使用。當(dāng)前的聲波激勵(lì)天線技術(shù)以及芯片化工藝可以使天線尺寸縮小到波長(zhǎng)的1%以內(nèi)[11-12]，本文使用中心頻率60 MHz的聲波激勵(lì)天線，尺寸為12 mm ×5 mm，可使VHF頻段雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化，由小型無人機(jī)或無人車負(fù)載。
傳統(tǒng)探地雷達(dá)主要采用寬帶脈沖信號(hào)體制，對(duì)地下目標(biāo)的探測(cè)和定位通過B型掃描(B-scan)，即沿某一方向?qū)Φ叵陆橘|(zhì)進(jìn)行空間連續(xù)采樣獲得二維剖面圖，并通過雙曲線檢測(cè)等方法確定目標(biāo)位置。對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行三維定位或成像，則需進(jìn)行多次B-scan，獲得多個(gè)平行剖面信息，實(shí)現(xiàn)C型掃描(C-scan)。近年來，學(xué)者們提出了許多新方法以提高三維定位的效率，文獻(xiàn)[13]通過設(shè)置與B-scan方向垂直的均勻線性天線陣列來實(shí)現(xiàn)C-scan效果，如圖1(a)所示；文獻(xiàn)[14]采用圓型陣列，并沿垂直陣列平面的軌跡在鉆井中進(jìn)行移動(dòng)，在不同深度測(cè)得目標(biāo)的角度和距離來實(shí)現(xiàn)三維定位，如圖1(b)所示。
芯片化聲波激勵(lì)天線技術(shù)正在高速發(fā)展中，但當(dāng)前存在工作帶寬小、距離分辨率低的問題，不適用上述依賴高精度測(cè)距的三維定位方法。依靠自身的小型化優(yōu)勢(shì)，芯片化聲波激勵(lì)天線可以通過構(gòu)建陣列來提高測(cè)向能力。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于窄帶信號(hào)的目標(biāo)成像方法，如圖1(c)所示，該方法基于均勻線陣，連續(xù)采樣方向與陣列方向相同，采用波達(dá)方向估計(jì)(Direction Of Arrival, DOA)獲得角度信息，并采用逆向投影方法進(jìn)行成像，解決了窄帶系統(tǒng)的地下目標(biāo)定位問題，但該方法無法通過單次掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)的三維坐標(biāo)定位。
為實(shí)現(xiàn)小型化VHF頻段探地雷達(dá)系統(tǒng)的地下目標(biāo)三維定位，本文基于芯片化聲波激勵(lì)天線均勻圓形陣列，提出一種不依賴距離分辨率的圓形陣列DOA聯(lián)合空間連續(xù)采樣的地下目標(biāo)三維定位方法。在帶寬受限條件下，將芯片化聲波激勵(lì)天線組成均勻圓形陣列，利用二維DOA技術(shù)獲得目標(biāo)的方位角和俯仰角。根據(jù)地下目標(biāo)的二維角度在空間連續(xù)采樣中的變化規(guī)律，采用遺傳算法對(duì)地下目標(biāo)三維坐標(biāo)進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)高精度定位，如圖1(d)所示。
圖1 不同地下目標(biāo)定位方法示意圖
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作者信息：
琚朝文1，2，劉一萱1，2，成幸兒1，2，張卓1
（1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 微波成像全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；
2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）
