一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法与流程
本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法。
背景技术：
昆虫雷达的出现为监视高空昆虫迁飞提供了强有力的工具。目前主要使用的垂直波束雷达，通过旋转极化和波束的章动，可以获取飞过其波束昆虫的质量、振翅频率、体轴朝向等生物学参数和位移速度、位移方向、运动轨迹、高度、种群密度等行为学参数。根据这些参数，我们可以判断昆虫的种类、生物通量，预测昆虫的迁飞方向，从而提前做出预警。这对于预防病虫害爆发、研究昆虫的迁飞理论具有重要的意义。
研究表明，多种昆虫具有主动定向能力，迁飞时表现出共同定向行为，而不仅仅是由风携带实现远距离迁飞。昆虫的朝向行为可以帮助昆虫选择最优的迁飞路径，而不同的朝向会使昆虫的迁飞路径和目的地产生很大的变化。因此，精确获取昆虫的体轴朝向具有重要的意义。
极化是重要的雷达目标特性之一。垂直波束雷达通过旋转线极化天线获取在不同极化方向的昆虫回波信号，即极化方向图。昆虫的极化方向图的形状与昆虫体长有关。对于体长与雷达波长相比很小的昆虫，当极化方向与昆虫体轴平行时，得到最大回波功率，当极化方向与昆虫体轴垂直时，得到回波功率；随着昆虫体长的变大，极化方向与昆虫体轴垂直时的回波功率慢慢变大；当昆虫体长与雷达波长相比较大时，极化方向与昆虫体轴垂直时的回波功率将超过极化方向与昆虫体轴平行时的回波功率。我们将最大回波功率出现在极化方向平行于体轴的昆虫定义为“小昆虫”，最大回波功率出现在极化方向垂直于体轴的昆虫定义为“大昆虫”。
传统的昆虫体轴朝向提取是基于“当极化方向与昆虫的体轴方向平行时获得最大回波强度”的假设，取360°极化回波数据最大值所对应的方向为昆虫朝向。这种假设只对小昆虫有效，对于大昆虫会出现90°错误。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，可以解决传统昆虫雷达估计大昆虫体轴朝向时存在的90°朝向错误问题，提高朝向估计正确率。这有助于研究昆虫的迁飞行为，预测昆虫的迁飞方向并预警病虫害爆发。
该解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，包括如下步骤：
步骤一、利用雷达测量昆虫目标的极化散射矩阵，继而构建昆虫的graves功率矩阵；
步骤二、利用昆虫graves功率矩阵提取最大回波功率时天线极化方向αm；
步骤三、利用graves功率矩阵的行列式判断目标是大昆虫还是小昆虫，大昆虫的体轴朝向
上述步骤一具体包括：
步骤11、利用雷达测量昆虫目标的极化散射矩阵
步骤12、根据极化散射矩阵s获得目标的graves功率矩阵：
上述步骤二具体为：
步骤21、获得graves功率矩阵的两个特征值λ1和λ2和λ1对应的特征向量v1，λ1≥λ2；
步骤22、利用v1同时也是接收功率达到最大值时的天线极化方式，推导出最大回波功率对应的极化方向αm。
该极化方向αm为：
其中
上述步骤三具体为：
获得graves功率矩阵的行列式的值detg＝λ1λ2，利用detg与设定门限进行比较，将昆虫按照最大功率出现的位置分为两组，一组定义为大昆虫组，另一组定义为小昆虫组；大昆虫组昆虫的体轴朝向
其中，将昆虫分为两组的方式为：
获得各昆虫的graves功率矩阵的行列式值detg＝λ1λ2，并判断10lg(detg)与-73的关系：当小于或等于-73时，为小昆虫，当大于-73时，为大昆虫。
上述方案中，所述雷达采用全极化雷达或垂直波束雷达vlr。
本发明具有如下有益效果：
本发明是一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，为精确测量所有体型的迁飞昆虫的头部朝向提供了一种有效的手段。本发明首先利用graves功率矩阵的主特征向量求解昆虫最大回波对应的极化方向，然后利用昆虫的极化不变量，即graves功率矩阵的行列式值作为特征参量，辨识所测昆虫体轴朝向平行或垂直于最大回波极化方向，从而得到昆虫朝向，并解决传统方法测量大昆虫体轴朝向存在的90°错误。相对于已有的昆虫体轴朝向提取方法，本方法除了可以估计小昆虫的体轴朝向，还可以用于正确估计大昆虫的体轴朝向。
附图说明
图1为利用graves功率矩阵的行列式detg辨别大昆虫和小昆虫。
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，其基本思想是，首先利用graves功率矩阵的主特征向量求解昆虫最大回波对应的极化方向，然后利用昆虫的极化不变量，即graves功率矩阵的行列式值作为特征参量，辨识所测昆虫体轴朝向平行或垂直于最大回波极化方向，从而得到昆虫朝向，并解决传统方法测量大昆虫体轴朝向存在的90°错误。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
在工作时，垂直观测昆虫雷达的极化方向一直旋转，将0时刻的天线极化方向定为参考方向，则昆虫体轴朝向
其中，s11、s12和s22是极化散射矩阵各项的幅度，β和γ是极化散射矩阵中交叉极化和vv极化相对于hh极化的相对相位。
对于线极化单基地雷达，其收/发天线的归一化有效长度相等，记为
其中α为极化方向。则雷达接收到的目标功率pr为
pr(α)＝|htsh|2(3)
对于小昆虫，出现接收功率最大值的极化方向就是其体轴朝向
最优极化的研究成果表明，当雷达的归一化有效长度为graves功率矩阵主特征值对应的单位特征向量时，接收功率pr达到最大值。这为求解αm提供了思路。graves功率矩阵g定义为：
其中，h表示共轭转置，
对于任何散射矩阵s，graves功率矩阵都是hermitian矩阵，其两个特征值λ1和λ2都是非负实数。不失一般性，我们假设λ1≥λ2，从而有
其中，λ1为主特征值，其对应的单位特征向量为
其中
由上面的讨论可知，v1同时也是接收功率达到最大值时的天线极化方式，因此可以写成极化椭圆的形式：
其中，αm是接收功率最大时的极化方向，τm是椭圆角。
令式(8)和(10)相等可以解得接收功率最大时的极化方向为
其中，re[·]表示取实部。需要注意的是，当λ1-g11-g21＝0时，式(11)将没有意义，而此时：
综合式(11)和式(12)，可将接收功率最大时的极化方向写为
至此，求得使接收功率最大的极化方向αm，下面介绍辨别目标为小昆虫还是大昆虫的方法。
雷达极化学研究表明，graves功率矩阵的行列式是极化不变量，它不随雷达极化基或者目标朝向的变化而改变，表征目标的本质特性，在雷达目标识别领域有较大的研究潜力。graves功率矩阵的行列式可以表示为两个特征值的乘积的形式，即
detg＝λ1λ2(14)
基于207只实测昆虫样本的研究，我们发现graves功率矩阵行列式值detg，可以很好的用于区分大昆虫与小昆虫，如图1所示。功率矩阵行列式值为-73db时，可以将大昆虫和小昆虫很好的分开，如图1中黑色虚线所示。当detg>-73db时，认为目标是大昆虫；反之，若detg≤-73db，认为目标是小昆虫。利用该分界值，仅有一个大昆虫被分为小昆虫，4只小昆虫被分为大昆虫，总体的误差率为2.42％。因此，可利用detg辨识昆虫的类别。这样，就得到了昆虫朝向的表达式：
式(15)既可以求提取小昆虫的头部朝向，也可以提取大昆虫的头部朝向，解决了提取大昆虫头部朝向时的90°朝向错误问题。
因此，本发明提供了一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，下面将以具体实施例说明实施步骤：
为了验证前面所述的昆虫体轴朝向提取方法，对207只真实朝向为0°的昆虫，基于x波段雷达实测数据提取的psm，采用本发明所述的一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法，完成其朝向反演，如图2所示。所测试的昆虫中，有37只大昆虫和170只小昆虫。
步骤一，测量昆虫的昆虫极化散射矩阵——psm；
对于传统垂直波束昆虫雷达(vlr)，不能直接测量昆虫的psm，而是首先通过旋转波束测量昆虫在各个极化方向的回波散射，然后从各个极化方向的回波散射数据中用估计方法(如最小二乘估计等)估计昆虫的psm，估计昆虫psm的方法可以参见专利《一种基于极化散射矩阵估计的高精度昆虫体轴朝向提取方法》(专利申请号为201710137290.8)。
对于全极化雷达，则可以直接测量昆虫的psm。
步骤二，构建昆虫的graves功率矩阵，利用式(6)-式(8)从昆虫的psm中分别提取两个特征值和主特征向量v1；
步骤三，利用式(13)计算最大回波功率对应的极化方向αm；
步骤四，利用式(14)计算graves功率矩阵的行列式的值detg，根据式(15)提取目标的体轴朝向。
采用本发明所述的一种解决大体型昆虫90度朝向错误的体轴朝向提取方法提取的朝向结果如表1所示。所为对比，基于传统方法提取昆虫体轴朝向的结果也列在了表中。利用本发明提取大昆虫体轴朝向的正确率为86.49％，总体正确率为97.58％，远远高于传统方法。
表1昆虫体轴朝向提取结果
本方法可以应用在传统vlr昆虫雷达上，也可以应用于全极化雷达，实现所有体型昆虫体轴朝向的反演，解决传统体轴朝向提取方法对于大昆虫存在90°错误的问题。
综上所述，以上仅为本发明基于实测的207只昆虫数据的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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