引言

探地雷達憑借其無損、分辨率高、操作方便、成本低等優(yōu)點在資源勘探[1]、路面探測[2]、考古[3]、冰川研究[4]、地雷探測[5]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。探地雷達的工作環(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匹配，限制了低頻天線的進一步小型化。

2017年美國國防高級研究計劃局提出了“機械天線”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[6-7]。聲波激勵天線作為機械天線的一種，主要依靠壓電材料和磁致伸縮材料機械振動產(chǎn)生與振動頻率相同的磁場輻射，其尺寸從原理上需要與聲波波長匹配[8-10]，而非電磁波波長。由于空氣中聲速遠小于光速，相同頻率下聲波波長遠小于電磁波波長，因此理論上聲波激勵天線長度可遠小于傳統(tǒng)天線。甚高頻(Very High Frequency, VHF)電磁波非常適合地下探測，但傳統(tǒng)VHF天線尺寸長且重量大，往往需要汽車拖拽使用。當(dāng)前的聲波激勵天線技術(shù)以及芯片化工藝可以使天線尺寸縮小到波長的1%以內(nèi)[11-12]，本文使用中心頻率60 MHz的聲波激勵天線，尺寸為12 mm ×5 mm，可使VHF頻段雷達系統(tǒng)實現(xiàn)小型化，由小型無人機或無人車負載。

傳統(tǒng)探地雷達主要采用寬帶脈沖信號體制，對地下目標的探測和定位通過B型掃描(B-scan)，即沿某一方向?qū)Φ叵陆橘|(zhì)進行空間連續(xù)采樣獲得二維剖面圖，并通過雙曲線檢測等方法確定目標位置。對地下目標進行三維定位或成像，則需進行多次B-scan，獲得多個平行剖面信息，實現(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[13]通過設(shè)置與B-scan方向垂直的均勻線性天線陣列來實現(xiàn)C-scan效果，如圖1(a)所示；文獻[14]采用圓型陣列，并沿垂直陣列平面的軌跡在鉆井中進行移動，在不同深度測得目標的角度和距離來實現(xiàn)三維定位，如圖1(b)所示。

芯片化聲波激勵天線技術(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距的三維定位方法。依靠自身的小型化優(yōu)勢，芯片化聲波激勵天線可以通過構(gòu)建陣列來提高測向能力。文獻[15]提出了一種基于窄帶信號的目標成像方法，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，采用波達方向估計(Direction Of Arrival, DOA)獲得角度信息，并采用逆向投影方法進行成像，解決了窄帶系統(tǒng)的地下目標定位問題，但該方法無法通過單次掃描實現(xiàn)對地下目標的三維坐標定位。

為實現(xiàn)小型化VHF頻段探地雷達系統(tǒng)的地下目標三維定位，本文基于芯片化聲波激勵天線均勻圓形陣列，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)采樣的地下目標三維定位方法。在帶寬受限條件下，將芯片化聲波激勵天線組成均勻圓形陣列，利用二維DOA技術(shù)獲得目標的方位角和俯仰角。根據(jù)地下目標的二維角度在空間連續(xù)采樣中的變化規(guī)律，采用遺傳算法對地下目標三維坐標進行估計，實現(xiàn)高精度定位，如圖1(d)所示。

圖1　不同地下目標定位方法示意圖

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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.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 微波成像全國重點實驗室，北京 100094；

2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）