一種基于載波相位微多普勒的振翅頻率測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)高精度振動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于載波相位微多普勒 的振翅頻率測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 昆蟲雷達(dá)通過(guò)發(fā)射一束電磁波射向空中遷飛的昆蟲，蟲體（具有與雨滴相似的性 質(zhì)）引起電磁信號(hào)向四周反射，部分反射信號(hào)被雷達(dá)接收，利用雷達(dá)的定向和測(cè)距功能，可 W計(jì)算出昆蟲遷飛的方位、高度、位移和種群密度等參數(shù)，可為獲取昆蟲高空飛行的行為學(xué) 參數(shù)提供新的研究手段，促使遷飛昆蟲學(xué)由定性研究發(fā)展到定量分析，并對(duì)昆蟲的遷飛路 線和遷飛規(guī)律有更加準(zhǔn)確的認(rèn)知，拓展遷飛昆蟲學(xué)研究領(lǐng)域的廣度和深度。自首次證實(shí)雷 達(dá)發(fā)現(xiàn)的空中未知目標(biāo)為遷飛性昆蟲后，世界各地的昆蟲學(xué)家們利用昆蟲雷達(dá)對(duì)遷飛性昆 蟲開(kāi)展了廣泛研究。昆蟲雷達(dá)的發(fā)展主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第一階段是主要應(yīng)用于宏觀蟲 群遷飛現(xiàn)象觀測(cè)，第二階段則是實(shí)現(xiàn)了對(duì)蟲群飛行高度、種群密度、位移方向、位移速率等 行為參數(shù)的提取。
[0003] 遷飛是昆蟲在長(zhǎng)期進(jìn)化中對(duì)環(huán)境變化做出的適應(yīng)性策略，W確保其種群繁衍得W 維持。為了明確空中昆蟲群落結(jié)構(gòu)，昆蟲種類/種間的物種關(guān)系、害蟲與天敵的協(xié)同進(jìn)化關(guān) 系等問(wèn)題，并深入分析遷飛昆蟲生物學(xué)和生態(tài)學(xué)機(jī)理與建立蟲害早期精準(zhǔn)預(yù)警體系，種類 辨識(shí)是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵性難題。要想準(zhǔn)確獲知遷飛昆蟲的種類，必須準(zhǔn)確獲取昆蟲高 空飛行的生物學(xué)參數(shù)，如振翅頻率等。遷飛性昆蟲具有體型小、夜間高空飛行等特點(diǎn)，在遷 飛狀態(tài)下，傳統(tǒng)研究手段均無(wú)法準(zhǔn)確獲取昆蟲的振翅頻率，因而不能自動(dòng)判斷空中蟲群的 群落結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于載波相位微多普勒的振翅頻率測(cè)量方 法，該方法使用雷達(dá)對(duì)遷飛昆蟲觀測(cè)，然后基于載波相位多普勒調(diào)制理論對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行 分析，從而精確得到目標(biāo)昆蟲的振翅頻率。
[0005] -種基于微波的昆蟲振翅頻率的測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一，利用高分辨波形處理技術(shù)處理雷達(dá)回波，實(shí)現(xiàn)一維高分辨成像，從而將昆 蟲和其它目標(biāo)在距離上區(qū)分開(kāi)。
[0007] 步驟二，針對(duì)多帖一維高分辨成像進(jìn)行積累，提高昆蟲目標(biāo)圖像的SNR(信噪比）， 然后針對(duì)積累的結(jié)果估測(cè)昆蟲與雷達(dá)的距離，根據(jù)所述距離從一維距離像中找出對(duì)應(yīng)昆蟲 的峰值，從而確定昆蟲所在的距離單元。
[000引步驟三由于在短暫的積累時(shí)間內(nèi)，昆蟲飛不出一個(gè)距離單元，因此可按照上一步 中確定的距離單元沿慢時(shí)間提取昆蟲回波。
[0009] 步驟四，從昆蟲的回波中去除蟲體的回波，得到翅膀的回波，具體如下：
[0010] 當(dāng)昆蟲翅膀振幅與雷達(dá)波長(zhǎng)的比值A(chǔ)/λ較大時(shí)，將所述回波減去回波的均值，獲 得翅膀的回波；
[0011] 當(dāng)昆蟲翅膀振幅與雷達(dá)波長(zhǎng)的比值A(chǔ)/λ較小時(shí)，基于最小二乘法擬合出所述回 波中旋轉(zhuǎn)向量的扇形軌跡所在的圓，將所述回波減去該圓的圓屯、代表的向量，獲得翅膀的 回波。
[0012] 步驟五，提取出昆蟲翅膀回波的相位。
[0013] 步驟六，利用傅里葉分析得到昆蟲翅膀回波的相位頻譜和差分相位頻譜，對(duì)比分 析得到昆蟲的振翅頻率。
[0014] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] 本發(fā)明是一種基于微波的昆蟲振翅頻率測(cè)量方法，為精確測(cè)量高空遷飛昆蟲的振 翅頻率提供了一種有效的手段。有利于明確空中昆蟲群落結(jié)構(gòu)，昆蟲種類/種間的物種關(guān) 系、害蟲與天敵的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系等問(wèn)題，從而深入分析遷飛昆蟲生物學(xué)和生態(tài)學(xué)機(jī)理并建 立蟲害早期精準(zhǔn)預(yù)警體系。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為昆蟲回波的向量表示。
[0017] 圖2為昆蟲振翅幅度與雷達(dá)波長(zhǎng)比值不同時(shí)雷達(dá)回波的實(shí)部虛部表示；其中圖 2(a)中比值為0.5,圖2化）中比值為0.125。
[001引圖3為利用該算法提取昆蟲振翅頻率的流程。
[0019] 圖4為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意圖；其中圖4(a)幾何結(jié)構(gòu)圖，圖4(b)為粘貼在泡沫上的昆 蟲。
[0020] 圖5為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。
[0021] 圖6為銀紋夜蛾的外觀和雷達(dá)測(cè)量所得的頻譜圖；其中圖6(a)為銀紋夜蛾的外 觀，圖6(b)為翅膀回波的相位頻譜，圖6(c)為翅膀回波的差分相位頻譜。
[0022] 圖7為Ξ角璃尺蛾的外觀和雷達(dá)測(cè)量所得的頻譜圖；其中圖7(a)為Ξ角璃尺蛾的 外觀，圖7(b)為翅膀回波的相位頻譜，圖7(c)為翅膀回波的差分相位頻譜。
[0023] 圖8為枯葉夜蛾的外觀和雷達(dá)測(cè)量所得的頻譜圖；其中圖8(a)為枯葉夜蛾的外 觀，圖8(b)為翅膀回波的相位頻譜，圖8(c)為翅膀回波的差分相位頻譜。
[0024] 圖9為小地老虎的外觀和雷達(dá)測(cè)量所得的頻譜圖；其中圖9(a)為小地老虎的外 觀，圖9(b)為翅膀回波的相位頻譜，圖9(c)為翅膀回波的差分相位頻譜。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0026] W雷達(dá)發(fā)射脈沖體制的線性調(diào)頻寬帶波形為例，其發(fā)射波形可寫為：
[0027] StU) =cos(2π村+πrt2+φ〇) (1)
[0028] 其中，f。為信號(hào)載頻，r為線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻率，Φ。為發(fā)射信號(hào)的初相。經(jīng)垂直 飛過(guò)雷達(dá)波束的昆蟲調(diào)制和中頻處理后，回波信號(hào)變?yōu)椋?br>[0029] Si(1:，η) =Ρbexp[-j3Τr(t-τ'J2+2πτ'"+Φ1] +
[0030] P*exp[-jπr(t-τ"n) 2+2πfcτ"n+Φ2] 似
[0031]
[003引其中，Pb、P冷別為昆蟲蟲體和翅膀的散射幅度，η代表信號(hào)脈沖，Φ1和Φ期 為信號(hào)殘留相位，τ'。和τ"。代表昆蟲蟲體和翅膀的回波延時(shí)：
[003引其中，C為光速，Rb(T'。)、斬（τ"。）分別代表昆蟲蟲體和翅膀與雷達(dá)的距離。然 后利用脈沖壓縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)距離高分辨，脈沖壓縮后的信號(hào)可表示為：
[0036] Sf(t,η) =ΡbSinc[πB(t-τ'n)]exp[j(2πfcτ'+
[0037] ρwSinc[πB(t-τ"n)]exp[j(2πfcτ"η+Φ2)] 妨
[0038]
[0039] 考慮到雷達(dá)分辨率不足W分辨出昆蟲蟲體和翅膀，而且sine函數(shù)具有沖擊特性， 在下面的分析中將忽略其影響，且可將τ'。和τ"?？醋鳓印?，然后將式（5)進(jìn)行重新整 合：
[0040]
[00川其中，入為雷達(dá)波長(zhǎng)，Rb(τη)和斬（Τη)可寫為：
[0042] Rb(τη) =Rci+vτη=Rci+vnT (7)
[004引 Rw(τη) = Rc2+vτn+A