一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法，利用旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球?qū)ハx進(jìn)行瑞利區(qū)散射建模，并通過至少兩部雷達(dá)測得昆蟲的三維體軸指向、體長和體寬等生物學(xué)參數(shù)，基于此可以進(jìn)一步反演昆蟲的質(zhì)量和體長體寬比，該方法所能獲得的信息量與傳統(tǒng)的昆蟲雷達(dá)尺寸反演方法相比大大增加，因此也增強(qiáng)了昆蟲雷達(dá)對昆蟲種類識別的能力。
【專利說明】
一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于昆蟲雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺 寸測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 昆蟲雷達(dá)通過發(fā)射一束電磁波射向空中迀飛的昆蟲，昆蟲身體(具有與雨滴相似 的性質(zhì))會引起電磁信號向四周反射，部分反射信號回到雷達(dá)所在方向被雷達(dá)接收，利用雷 達(dá)的定向和測距性質(zhì)，可以計算出昆蟲迀飛的方位、高度、移動方向和密度等參數(shù)，為獲取 昆蟲高空飛行的行為學(xué)參數(shù)提供了全新的研究手段，促使了迀飛昆蟲學(xué)由定性研究到定量 分析的跨越式發(fā)展，對昆蟲的迀飛路線和迀飛規(guī)律有了新認(rèn)識，拓展了迀飛昆蟲學(xué)研究領(lǐng) 域的廣度和深度。目前美國、澳大利亞和英國都擁有了自己的昆蟲雷達(dá)系統(tǒng)，我國也在山 東、河南、遼寧等多處配置了昆蟲雷達(dá)系統(tǒng)。
[0003] 傳統(tǒng)昆蟲雷達(dá)受工作體制、系統(tǒng)功能、算法和指標(biāo)等因素的限制，無法準(zhǔn)確獲取昆 蟲生物學(xué)參數(shù)。通常只能將雷達(dá)測量得到的昆蟲雷達(dá)散射截面積與經(jīng)驗值相比較，從而推 算出昆蟲的質(zhì)量，并進(jìn)一步根據(jù)質(zhì)量反演體型或進(jìn)行分類。由于昆蟲即使種類相同，個體質(zhì) 量差異也較為明顯，因此僅僅通過質(zhì)量進(jìn)行分類存在較大的模糊性，只能在大類上對昆蟲 進(jìn)行區(qū)分。除質(zhì)量外，實際上昆蟲的尺寸還包括體長體寬比，這在不同種類的昆蟲間也存在 明顯差異，如果能同時測得昆蟲的體長體寬比和質(zhì)量，則可以大大提高昆蟲雷達(dá)對昆蟲種 類識別的精度。

【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瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方 法，可以利用旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球?qū)ハx進(jìn)行瑞利區(qū)散射建模，并通過至少2部雷達(dá)測得昆蟲 的三維體軸指向、體長和體寬等生物學(xué)參數(shù)，對昆蟲雷達(dá)目標(biāo)識別與分類具有重要意義。
[0005] -種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一、采用至少2部雷達(dá)，從不同角度觀測昆蟲，獲得昆蟲的三維體軸指向：
[0007]第i部雷達(dá)觀測到的昆蟲全極化散射矩陣為：
[0008] 。:如」 （.4.)
[0009] 其中，i = l，2, ...，M，M表示雷達(dá)的數(shù)量;5^為水平極化分量，乾,為垂直極化分量， 和尤，為交叉極化分量；
[0010] 對旋轉(zhuǎn)對稱形體昆蟲有次v =筆《,則昆蟲體軸投影與第i部雷達(dá)水平極化方向的夾 角ai由下式給出：
[0012] 其中y i表示叉和&之間的相位差池表示兄和&之間的相位差；
[0013] 昆蟲體軸的垂面與雷達(dá)極化平面的相交線的單位方向矢量寫為：
[0014] 砵=/?, sin a,, cos鳥 （()）
[0015] 其中，&表示雷達(dá)水平極化方向矢量，$表示雷達(dá)垂直極化方向矢量；
[0016] 則昆蟲體軸單位方向矢量I的反演公式為：
[0018] 其中，f、#和J分別表示全局直角坐標(biāo)系下沿各個坐標(biāo)軸的單位矢量，ex、edPe z 分別表示.纟.在各個坐標(biāo)軸上投影分量的大小，"X"表示三維矢量叉乘運算；
[0019] 則昆蟲體軸指向的方位角供'俯仰角9表示為：
[0022]步驟二，獲得昆蟲體長和體寬之比：
[0023] 求得第i部雷達(dá)局部坐標(biāo)系下的昆蟲體軸與該部雷達(dá)視線的夾角01:
[0024] 0 = m'cxos (f (4 x !：',))(())
[0025]則雷達(dá)最大接收極化強(qiáng)度為：
[0027]貝ijM部雷達(dá)的測量得到的接收極化強(qiáng)度Smaxl ,Smax2 , . . . , SmaxM^^/jN :
[0030] k = 2VA表示波數(shù)，A為波長，er是昆蟲身體的復(fù)相對介電常數(shù)，V = 4V3 ? ab2為昆 蟲體積，a為昆蟲體長的一半，b為昆蟲體寬的一半，Li，L2是由昆蟲體長與體寬之比決定的參 數(shù)，表示為：
[0034]對（11)式進(jìn)行矩陣求偽逆則解得又由于L^a-LO/2,基于（12)式將1^解 出：
[0036] 其中Li由b/a唯一確定；
[0037] 將0:代入（11)和（12)式，得到昆蟲體長和體寬之比a/b:
[0039 ]步驟三，獲得昆蟲體長、體寬、體積和質(zhì)量：
[0040] 將昆蟲體長和體寬之比a/b代入(2)式：
[0042]則得到昆蟲體積：
[0044]昆蟲體長2a和體寬2b分別通過下式計算：
[0047] 昆蟲密度P通過實驗測量獲得，其質(zhì)量m為：
[0048] m = pV (16)。
[0049] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0050] 本發(fā)明的一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法，該方法可以同時測 得昆蟲的三維體軸指向、體長和體寬，基于此可以進(jìn)一步反演昆蟲的質(zhì)量和體長體寬比，該 方法所能獲得的信息量與傳統(tǒng)的昆蟲雷達(dá)尺寸反演方法相比大大增加，因此也增強(qiáng)了昆蟲 雷達(dá)對昆蟲種類識別的能力。
【附圖說明】
[0051 ]圖1為三部昆蟲雷達(dá)多角度觀測幾何示意圖。
[0052]圖2為單部雷達(dá)對昆蟲觀測模型。
[0053]圖3為雷達(dá)觀測昆蟲身體散射強(qiáng)度圖。
[0054]圖4為三部雷達(dá)多角度觀測昆蟲矢量示意圖。
[0055] 圖5為全極化極值比與體軸比曲線關(guān)系。
[0056] 圖6為昆蟲目標(biāo)CST模型。
[0057] 圖7為仿真多角度觀測昆蟲幾何關(guān)系。
[0058]圖8為雷達(dá)1多波段極化方向圖比較結(jié)果。
[0059] 圖9為雷達(dá)2多波段極化方向圖比較結(jié)果。
[0060] 圖10為雷達(dá)3多波段極化方向圖比較結(jié)果。
【具體實施方式】
[0061] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0062] 對于典型高空迀飛昆蟲，如稻飛虱(體長2.7~3.5mm)和姐蟲（1.5~4.9mm)，X和Ku 波段的波長是體長的五倍以上，因此可以認(rèn)為其散射處于瑞利區(qū)。以旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球模 型對昆蟲建模，并基于旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球模型在瑞利區(qū)的散射公式進(jìn)行朝向和尺寸反演。
[0063] 三部雷達(dá)從不同角度觀測昆蟲，如圖1所示。設(shè)昆蟲體軸指向在全局坐標(biāo)系下的方 位角P、俯仰角0，體軸的單位方向矢量表示為：
[0064] e = "j = [cos f>sin sin^siti：^ cos ^]7"
[0065] 如圖2所示，設(shè)昆蟲體軸在第i部雷達(dá)的視線坐標(biāo)系下與雷達(dá)視線方向矢量_夾角 為9i，昆蟲體軸在雷達(dá)天線極化接收平面& -o-g內(nèi)的投影與雷達(dá)水平極化方向矢量卷的 夾角為ai，雷達(dá)垂直極化方向矢量表示為兮。
[0066] 對昆蟲散射用旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球在瑞利區(qū)的散射模型進(jìn)行模擬。根據(jù)該模型，單 部雷達(dá)觀測飛行昆蟲時，雷達(dá)接收到昆蟲體散射強(qiáng)度隨雷達(dá)極化變化呈啞鈴型曲線，如圖3 所示。最大接收極化方向沿昆蟲體軸在極化平面內(nèi)的投影方向，最小接收極化方向垂直于 體軸在極化平面內(nèi)的投影方向。
[0067] 對第i部雷達(dá)，其最大接收極化強(qiáng)度為：
[0069]其中k = 23i/A表示波數(shù)，A為波長，er是昆蟲身體（與水近似）的復(fù)相對介電常數(shù)，V = 4V3 ? ab2為橢球體積，a為橢球半長軸長度（即昆蟲體長的一半），b為橢球半短軸長度 (即昆蟲體寬的一半）山丄 2是僅僅由橢球長軸短軸比a/b(即昆蟲體長體寬比)決定的參數(shù)， 表示為：

[0073] 因此，本發(fā)明提供了一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸反演方法，包括如 下步驟。
[0074] 步驟一，采用至少2部雷達(dá)，從不同角度觀測昆蟲，獲得昆蟲的三維體軸指向：
[0075] 由圖3已知，昆蟲體軸在極化平面內(nèi)投影方向與雷達(dá)最大極化接收方向重合。而雷 達(dá)最大極化接收方向可由雷達(dá)全極化散射矩陣反演。
[0076] 第i部雷達(dá)觀測到的昆蟲全極化散射矩陣為： r ^ s「5； 4"!
[0077] ?f = （4)
[0078] 筆,為水平極化分量，St為垂直極化分量，Si.和筆1為交叉極化分量；
[0079] 對旋轉(zhuǎn)對稱形體昆蟲有& 則昆蟲體軸投影與雷達(dá)水平極化方向的夾角h 由下式給出：
[0081] 其中p表示&和4之間的相位差，機(jī)表示兄.和4之間的相位差。
[0082] 利用空間幾何關(guān)系，容易給出昆蟲體軸的垂面與雷達(dá)極化平面的相交線的單位方 向矢量寫為：
[0083] 4 = sina, -0. cos? (g)
[0084] 根據(jù)矢量叉乘法則，昆蟲體軸單位方向矢量I的反演公式為：
[0086] 其中，I、j、i分別表示全局直角坐標(biāo)系下沿各個坐標(biāo)軸的單位矢量，ex、e y、ez 分別表示_1在各個坐標(biāo)軸上投影分量的大小;M表示雷達(dá)的數(shù)量，"X"表示三維矢量叉乘運 算，幾何關(guān)系如圖4。
[0087] 則體軸指向的方位角穸、俯仰角0可以表示為：
[0090] 步驟二，獲得昆蟲體長和體寬之比：
[0091] 在通過三維朝向反演獲得了昆蟲體軸在全局坐標(biāo)系下的參數(shù)(嘆巧后，可以求得 第i部雷達(dá)局部坐標(biāo)系下的昆蟲體軸與該部雷達(dá)視線的夾角9i:
[0092] 3 x 化))⑶
[0093] 假設(shè)該部雷達(dá)全極化測量得到的極化響應(yīng)矩陣如（4)式，旋轉(zhuǎn)對稱形體昆蟲有 霉v ,則雷達(dá)最大接收極化強(qiáng)度可計算為：
[0095]根據(jù)(2)式可知M部雷達(dá)的測量得到的接收極化強(qiáng)度Smaxl ,Smax2 , , SmaxM可"以 為：
?，對（11)式進(jìn)行矩陣求偽 逆可以解得&，&，又1^ = (1七)/2,這樣可以基于下式將L1解出：
[0099]其中1^由13/&唯一確定，該函數(shù)關(guān)系可用二次函數(shù)近似，如（12)式所示。將0:作為已 知參數(shù)代入（11)(12)式，昆蟲體長和體寬之比a/b可用U的二次函數(shù)近似反演，對圖5中曲 線即為：
[0101] 步驟三，獲得昆蟲體長、體寬、體積和質(zhì)量：
[0102] 這樣將a/b代入(2)式，昆蟲體積V可以通過下式計算：
[0104] 昆蟲體長2a和體寬2b可通過下式計算：

[0107] 昆蟲密度P通過實驗測量獲得，其質(zhì)量m也可以求得：
[0108] m = pV (16)
[0109] 實施例：
[0110]利用CST仿真結(jié)果與理論公式計算結(jié)果進(jìn)行比較，驗證建模精度和參數(shù)反演效果， 仿真器為矩量法。以旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)橢球模型對昆蟲建模，典型迀飛昆蟲(如飛虱)半軸長為a =1.5111111々=0.5111111，031'仿真模型如圖6所示。
[0111] 三部雷達(dá)坐標(biāo)分別為(500，0,0)、（0，500，0)、（-500，0,0)，昆蟲坐標(biāo)為（100，100，） 9,0單0位為米，昆蟲體軸朝向在全局坐標(biāo)系內(nèi)的角參數(shù)為9 = 60°，少=30 ,幾何關(guān)系示意如 圖7。
[0112] 給出CST仿真的三部雷達(dá)的全極化RCS方向圖（紅色虛線)和根據(jù)全極化RCS公式計 算得到的全極化RCS方向圖（藍(lán)色實線)比較，如圖8~圖10所示。
[0113] 采用本發(fā)明所述的一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸反演方法，完成該參 數(shù)下的昆蟲尺寸反演仿真，具體流程如下：
[0114] 步驟一，根據(jù)極化散射矩陣進(jìn)行三維體軸朝向反演
[0115] 利用前述尺寸反演方法，將CST仿真的全極化散射數(shù)據(jù)代入(5)式可以分別計算得 到" =25.0372, a2 = 42.3937, a3 = 45.6855,單位為度。將(^，(^，的代入（6)式可以解得 .為=-0.42:3:戚+ 〇_LX)60夕，=_〇.4232i + 0.906QP，為=辦7.15.5無+'0.:6986,.。將di，d2，d3代入 (7 )式可以解得 P = 0.749K + ().4324j + 0.5009f。將 g 代入（8 )式可以解得 0 = 5 9 ? 9 4， 妒=29.97,單位為度。
[0116] 步驟二，將0，儼代入（9)式可以解得0! = 78 ? 7399，0 2 = 69 ? 1841，03 = 29.7292,單位為度；根據(jù)CST仿真數(shù)據(jù)可以解得=^/l〇mcxpg342.463;z/180)， =^l\〇~h95：' exp(j342.681 k/\80) , 5lllllx，-^l(rs ls4 exp(j351 .623,t/I80);將01，92，03 和Smaxl，Smax2，Smax3代入（11)式可以解得&/& = 4 ? 7745-0 ? 8806 j ;將&/&和水的介電常數(shù)er = 49.942637-36.510517 j代入（12)式可以解得1^ = 0.0808;將1^代入（13)式可以解得體長 體寬比 a/b = 3.8401。
[0117] 步驟三，將a/b代入（14)式可以解得昆蟲體積V=l.3085X 10-9m3,進(jìn)而根據(jù)（15)式 可以解得體長為3.32mm，體寬為0.86mm，假定昆蟲密度與水相當(dāng)，則反演得到的質(zhì)量約為 1.31mg〇
[0118] 基于上述仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論：
[0119] 無論是CST仿真結(jié)果還是計算結(jié)果，RCS最大值方向都和體軸方向重合，并且可以 較好反演體軸的三維朝向和尺寸。
[0120]通過仿真結(jié)果可以看出利用這種基于解析散射建模方法的高效性和有效性。利用 本方法可以實現(xiàn)昆蟲雷達(dá)的目標(biāo)尺寸反演。
[0121]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于瑞利區(qū)解析散射建模的昆蟲尺寸測量方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一、采用至少2部雷達(dá)，從不同角度觀測昆蟲，獲得昆蟲的三維體軸指向： 第i部雷達(dá)觀測到的昆蟲全極化散射矩陣為：其中，i = l，2,. . .，M，M表示雷達(dá)的數(shù)量為水平極化分量，兄.為垂直極化分量，.和 為交叉極化分量； 對旋轉(zhuǎn)對稱形體昆蟲有*^ ，則昆蟲體軸投影與第i部雷達(dá)水平極化方向的夾角αι 由下式給出：其中γ:表示忍和私之間的相位差，機(jī)表示4和筆之間的相位差； 昆蟲體軸的垂面與雷達(dá)極化平面的相交線的單位方向矢量為寫為： d：i - h sin af -v. eos at ( g) 其中，4表示雷達(dá)水平極化方向矢量λ表示雷達(dá)垂直極化方向矢量； 則昆蟲體軸單位方向矢量?的反演公式為：其中，;f、和i分別表示全局直角坐標(biāo)系下沿各個坐標(biāo)軸的單位矢量，ex、ey和ez分別 表示纟在各個坐標(biāo)軸上投影分量的大小，"X"表示三維矢量叉乘運算； 則昆蟲體軸指向的方位角辦Μ府仰角θ表示為：步驟二，獲得昆蟲體長和體寬之比： 求得第i部雷達(dá)局部坐標(biāo)系下的昆蟲體軸與該部雷達(dá)視線的夾角0i: 6>，arccos(i.(/(x〔:)j ⑨ 則雷達(dá)最大接收極化強(qiáng)度為：貝1JM部雷達(dá)的測量得到的接收極化強(qiáng)度Smaxl，Smax2,...，SmaxM表示為：k = 2VA表示波數(shù)，λ為波長，er是昆蟲身體的復(fù)相對介電常數(shù)，V = 4V3 · ab2為昆蟲體 積，a為昆蟲體長的一半，b為昆蟲體寬的一半，Li，L2是由昆蟲體長與體寬之比決定的參數(shù)， 表示為：對(11)式進(jìn)行矩陣求偽逆則解得&，&，又由于L2=(l-L〇/2,基于（12)式將U解出：其中Li由b/a唯一確定； 將01代入(11)和（12)式，得到昆蟲體長和體寬之比a/b:步驟三，獲得昆蟲體長、體寬、體積和質(zhì)量： 將昆蟲體長和體寬之比a/b代入(2)式：則得到昆蟲體積：昆蟲體長2a和體寬2b分別通過下式計算：昆蟲密度P通過實驗測量獲得，其質(zhì)量m為： m=pV (16) 〇
【文檔編號】G01S13/88GK105928448SQ201610239282
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】龍騰, 胡程, 劉長江, 曾濤, 王銳
【申請人】北京理工大學(xué)