引言

探地雷達憑借其無損、分辨率高、操作方便、成本低等優點在資源勘探[1]、路面探測[2]、考古[3]、冰川研究[4]、地雷探測[5]等領域應用廣泛。探地雷達的工作環境通常為有耗介質，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穿透效果。然而傳統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注，成為小型天線領域的研究熱點[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天線。甚高頻(Very High Frequency, VHF)電磁波非常適合地下探測，但傳統VHF天線尺寸長且重量大，往往需要汽車拖拽使用。當前的聲波激勵天線技術以及芯片化工藝可以使天線尺寸縮小到波長的1%以內[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頻段雷達系統實現小型化，由小型無人機或無人車負載。

傳統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)，即沿某一方向對地下介質進行空間連續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C型掃描(C-scan)。近年來，學者們提出了許多新方法以提高三維定位的效率，文獻[13]通過設置與B-scan方向垂直的均勻線性天線陣列來實現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三維定位，如圖1(b)所示。

芯片化聲波激勵天線技術正在高速發展中，但當前存在工作帶寬小、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勢，芯片化聲波激勵天線可以通過構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，解決了窄帶系統的地下目標定位問題，但該方法無法通過單次掃描實現對地下目標的三維坐標定位。

為實現小型化VHF頻段探地雷達系統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聯合空間連續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技術獲得目標的方位角和俯仰角。根據地下目標的二維角度在空間連續采樣中的變化規律，采用遺傳算法對地下目標三維坐標進行估計，實現高精度定位，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.中國科學院空天信息創新研究院 微波成像全國重點實驗室，北京 100094；

2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100049）