基于声波激励天线圆形阵列空间连续采样的地下目标三维定位方法-AET-电子技术应用

基于声波激励天线圆形阵列空间连续采样的地下目标三维定位方法

电子技术应用

琚朝文1，2，刘一萱1，2，成幸儿1，2，张卓1

1.中国科学院空天信息创新研究院微波成像全国重点实验室； 2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院

摘要： 声波激励天线技术能够使天线尺寸实现数量级缩减，可在甚高频段实现探地雷达系统的小型化。但当前声波激励天线带宽受限，距离分辨率较低，针对该问题，提出一种不依赖距离分辨率的圆形阵列波达方向估计联合空间连续采样的地下目标三维定位方法。依靠声波激励天线小尺寸优势构建均匀圆形阵列，利用二维波达方向估计获得目标方位角和俯仰角，根据二维角度在空间连续采样中的变化规律，采用遗传算法对地下目标三维坐标进行估计。数值仿真结果表明，本方法三维定位精度均方根误差为0.039 m，优于传统宽带天线系统使用双曲线顶点检测方法，且鲁棒性良好，电磁仿真结果表明本方法具备地下目标三维定位能力。

关键词： 声波激励天线探地雷达二维DOA估计空间连续采样三维定位

中图分类号：TN959.71 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256384
中文引用格式： 琚朝文，刘一萱，成幸儿，等. 基于声波激励天线圆形阵列空间连续采样的地下目标三维定位方法[J]. 电子技术应用，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

探地雷达凭借其无损、分辨率高、操作方便、成本低等优点在资源勘探[1]、路面探测[2]、考古[3]、冰川研究[4]、地雷探测[5]等领域应用广泛。探地雷达的工作环境通常为有耗介质，电磁波的频率越高，在其中的传播损耗越大，因此更低频率的探地雷达具有更好的介质穿透效果。然而传统天线的物理尺寸需要与波长匹配，限制了低频天线的进一步小型化。

2017年美国国防高级研究计划局提出了“机械天线”方案，引起了全球研究人员的关注，成为小型天线领域的研究热点[6-7]。声波激励天线作为机械天线的一种，主要依靠压电材料和磁致伸缩材料机械振动产生与振动频率相同的磁场辐射，其尺寸从原理上需要与声波波长匹配[8-10]，而非电磁波波长。由于空气中声速远小于光速，相同频率下声波波长远小于电磁波波长，因此理论上声波激励天线长度可远小于传统天线。甚高频(Very High Frequency, VHF)电磁波非常适合地下探测，但传统VHF天线尺寸长且重量大，往往需要汽车拖拽使用。当前的声波激励天线技术以及芯片化工艺可以使天线尺寸缩小到波长的1%以内[11-12]，本文使用中心频率60 MHz的声波激励天线，尺寸为12 mm ×5 mm，可使VHF频段雷达系统实现小型化，由小型无人机或无人车负载。

传统探地雷达主要采用宽带脉冲信号体制，对地下目标的探测和定位通过B型扫描(B-scan)，即沿某一方向对地下介质进行空间连续采样获得二维剖面图，并通过双曲线检测等方法确定目标位置。对地下目标进行三维定位或成像，则需进行多次B-scan，获得多个平行剖面信息，实现C型扫描(C-scan)。近年来，学者们提出了许多新方法以提高三维定位的效率，文献[13]通过设置与B-scan方向垂直的均匀线性天线阵列来实现C-scan效果，如图1(a)所示；文献[14]采用圆型阵列，并沿垂直阵列平面的轨迹在钻井中进行移动，在不同深度测得目标的角度和距离来实现三维定位，如图1(b)所示。

芯片化声波激励天线技术正在高速发展中，但当前存在工作带宽小、距离分辨率低的问题，不适用上述依赖高精度测距的三维定位方法。依靠自身的小型化优势，芯片化声波激励天线可以通过构建阵列来提高测向能力。文献[15]提出了一种基于窄带信号的目标成像方法，如图1(c)所示，该方法基于均匀线阵，连续采样方向与阵列方向相同，采用波达方向估计(Direction Of Arrival, DOA)获得角度信息，并采用逆向投影方法进行成像，解决了窄带系统的地下目标定位问题，但该方法无法通过单次扫描实现对地下目标的三维坐标定位。

为实现小型化VHF频段探地雷达系统的地下目标三维定位，本文基于芯片化声波激励天线均匀圆形阵列，提出一种不依赖距离分辨率的圆形阵列DOA联合空间连续采样的地下目标三维定位方法。在带宽受限条件下，将芯片化声波激励天线组成均匀圆形阵列，利用二维DOA技术获得目标的方位角和俯仰角。根据地下目标的二维角度在空间连续采样中的变化规律，采用遗传算法对地下目标三维坐标进行估计，实现高精度定位，如图1(d)所示。

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