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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

電子技術(shù)應(yīng)用

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； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院

摘要： 聲波激勵(lì)天線技術(shù)能夠使天線尺寸實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)縮減，可在甚高頻段實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)系統(tǒng)的小型化。但當(dāng)前聲波激勵(lì)天線帶寬受限，距離分辨率較低，針對(duì)該問題，提出一種不依賴距離分辨率的圓形陣列波達(dá)方向估計(jì)聯(lián)合空間連續(xù)采樣的地下目標(biāo)三維定位方法。依靠聲波激勵(lì)天線小尺寸優(yōu)勢(shì)構(gòu)建均勻圓形陣列，利用二維波達(dá)方向估計(jì)獲得目標(biāo)方位角和俯仰角，根據(jù)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)。數(shù)值仿真結(jié)果表明，本方法三維定位精度均方根誤差為0.039 m，優(yōu)于傳統(tǒng)寬帶天線系統(tǒng)使用雙曲線頂點(diǎn)檢測(cè)方法，且魯棒性良好，電磁仿真結(jié)果表明本方法具備地下目標(biāo)三維定位能力。

關(guān)鍵詞： 聲波激勵(lì)天線探地雷達(dá) 二維DOA估計(jì) 空間連續(xù)采樣三維定位

中圖分類號(hào)：TN959.71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256384
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.

Three-dimensional localization method for underground targets based on spatial continuous sampling using acoustic excitation antenna circular array

Ju Chaowen1，2，Liu Yixuan1，2，Cheng Xinger1，2，Zhang Zhuo1

1.National Key Laboratory of Microwave Imaging， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences；2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences

Abstract： Acoustic excitation antenna technology enables a significant reduction in antenna size, facilitating miniaturization of ground penetrating radar systems in the very high-frequency (VHF) band. However, due to the narrow bandwidth of current acoustic excitation antennas, the range resolution is low. To address this issue, this paper proposes a three-dimensional underground target localization method based on circular array direction-of-arrival (DOA) estimation combined with spatial continuous sampling, which does not rely on range resolution. By leveraging the small size advantage of acoustic excitation antennas, a uniform circular array is constructed. The target's azimuth and elevation angles are obtained using two-dimensional DOA estimation. Based on the variation pattern of two-dimensional angles in spatial continuous sampling, the genetic algorithm is employed to estimate the three-dimensional coordinates of underground targets. Numerical simulation results show that the root mean square error of the three-dimensional localization coordinates is 0.039 m, outperforming traditional broadband antenna systems using hyperbolic vertex detection, with good robustness. The electromagnetic simulation results show that this method has the capability of 3D location of underground target

Key words : acoustic excitation antennas；ground penetrating radar；two-dimensional direction of arrival estimation；spatial continuous sampling；three-dimensional localization

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。

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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）

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