一种基于昆虫目标互易性和对称性的极化校准方法

文档序号:30583506发布日期:2022-06-29 13:49阅读:217来源:国知局
一种基于昆虫目标互易性和对称性的极化校准方法

1.本发明属于昆虫雷达技术领域,具体涉及一种基于昆虫目标互易性和对称 性的极化校准方法。


背景技术:

2.昆虫雷达是用于昆虫迁飞监测的重要工具。全极化昆虫雷达是目前测量效 率高,精度高,潜力最大的一种雷达体制。全极化雷达可以在极短的时间内获 取目标极化信息,然后通过目标的极化信息,反演昆虫的朝向、体长、体重等 信息。根据这些参数,我们可以判断昆虫的种类,分析昆虫飞行方向,进而提 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。
3.极化是重要的雷达目标特性之一。为了准确获取目标极化信息,需要首先 对全极化雷达进行极化校准。
4.传统全极化雷达极化校准都是通过雷达测量已知极化散射矩阵的目标估计 系统误差,然后对测量到的目标散射矩阵进行补偿。该过程通常非常复杂,还 需要精密加工的定标体。


技术实现要素:

5.有鉴于此,本发明提供了一种基于昆虫目标互易性和对称性的极化校准方 法,可以避免传统雷达极化校准复杂的操作,提高极化校准的效率。外场环境 中系统经常受到温度的影响而发生改变,此时需要对系统重新进行极化校准, 否则测量数据的精度就会下降。新提出的方法可以不依赖人力进行极化校准, 可以自动化的利用测量到的目标进行极化校准,可以对补偿系统的时变特性, 因而可以间接提高极化测量的准确度。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。
6.一种基于昆虫目标互易性和对称性的极化校准方法,将雷达系统误差进行 参数分解,分解为由用互易性求解的部分和用对称性求解的部分,之后先利用 互易性求解系统传输链路带来的误差ac,之后再利用对称性求解系统传输链路 带来的误差a1,以及通道间的交叉串扰c,之后利用获得的ac、a1和c对系统进 行补偿。
7.较佳地,所述参数分解后得到的散射矩阵为: 其中m
hh
表示h极化 发射h极化接收得到的回波,m
vh
表示h极化发射v极化接收得到的回波,m
hv
表示v极化发射h极化接收得到的回波,m
vv
表示v极化发射v极化接收得到 的回波,g=rhth,g会作用于散射矩阵的所有元素;s
hh
表示h极化发射h极化 接收得到的回波,其中s
vh
表示h极化发射v极化接收得到的回波,其中s
hv
表 示v极化发射h极化接收得到的回波,其中s
vv
表示v极化发射v极化接收得 到的回波;ac表示h与v发射通道差异与h与v接收通道差异之比;a1表示v 极化接收通道与h极化接收通道的差异,c表示通道间的交叉串扰。
8.较佳地,所述利用互易性求解系统传输链路带来的误差ac的方法为:取v 极化发射h极化接收得到的回波与h极化发射v极化接收得到的回波比值作为 误差ac。
9.较佳地,所述利用对称性求解系统传输链路带来的误差a1,以及通道间的交 叉串扰c的具体方法为:首先根据获得的误差ac对系统进行补偿,之后以互易性 为代价,建立优化函数,获得最优解。
10.较佳地,所述最优解采用遗传算法求解。
11.较佳地,当优化函数获得的解互为相反数时,则选择两个解对应的相位分 别与误差a1的初始相位的差值最小的解作为最优解。
12.有益效果
13.1、本发明可用于快速且省力对全极化雷达进行极化校准。本发明首先对系 统对模型进行变形,将系统参数分解为可以用互易性约束和用对称性约束求解 的两部分;然后分别以昆虫目标的互易性和对称性为约束,直接求解受互易性 的系统参数和设计代价函数通过遗传算法求解其他部分的系统参数;最后将系 统误差反带入测量到的目标散射矩阵,得到真实的目标散射矩阵。相对于已有 的极化校准算法,本方法效率更高,且不需要设计定标体,可以随时进行极化 校准,避免了外场恶劣环境带来的影响。
附图说明
14.图1(a)为不同频点昆虫的互易性;
15.图1(b)为不同频点昆虫的对称性。
16.图2(a)为校准后的幅度不一致分布;
17.图2(b)为校准后的相位不一致分布;
18.图2(c)为校准后的隔离度分布。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明方法的实施方式做以说明。
20.本发明提供了一种基于昆虫目标互易性和对称性的极化校准方法,其基本 思想是,以昆虫目标互易性和对称性为约束,直接求解受互易性系统系统参数, 以对称性为约束设计代价函数并通过遗传算法求解其他部分的系统参数,最后 用得到的系统极化误差对测量得到的数据进行补偿,得到目标的真实散射矩阵。
21.下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
22.雷达通过测量昆虫的极化信息反演昆虫的参数,其中极化信息的一种主要 的体现方式是散射矩阵。设昆虫散射矩阵为:
[0023][0024]
其中s
hh
、s
vv
、s
hv
和s
vh
是散射矩阵各个通道对应的测量结果。其中s
hh
表示 h极化发射h极化接收得到的回波,其中s
vh
表示h极化发射v极化接收得到 的回波,其中s
hv
表示v极化发射h极化接收得到的回波,其中s
vv
表示v极化 发射v极化接收得到的回波。利用雷达测量昆虫目标的散射矩阵为:
[0025][0026]
m是包含系统误差的散射矩阵。其中m
hh
、m
vv
、m
hv
和m
vh
是散射矩阵各个 通道对应的测量结果。其中m
hh
表示h极化发射h极化接收得到的回波,其中m
vh
表示h极化发射v极化接收得到的回波,其中m
hv
表示v极化发射h极化接收 得到的回波,其中m
vv
表示v极化发射v极化接收得到的回波。
[0027]
一种经典的全极化系统模型为:
[0028][0029]
rh、rv、th、tv分别表示h接收通道,v接收通道,h发射通道和v发射 通道的传输特性。c表示通道间的交叉串扰。
[0030]
传统极化校准算法需要利用无人机将精密加工的金属球吊至空中;或者将 雷达架高,远处摆放精密加工角反射器。然后通过雷达测量这些目标,估计(3) 式中的系统参数。
[0031]
由于很多测量到的目标都是具有对称性和互易性的,但是由于系统误差的 存在,直接测量到的目标丢失了互易性和对称性。因此,可以考虑以目标的互 易性和对称性为基础,估计出系统误差,之后利用系统误差补偿测量到的带误 差的目标散射矩阵,得到真实的目标散射矩阵。
[0032]
本方法为了能够利用目标的互易性和对称性估计系统参数,首先将系统参 数分解为了能够用互易性求解的部分和能够用对称性求解的部分。令g=rhth、 a1=rv/rh、ac=(tv/th)/(rv/rh),带入(3)式可得:
[0033][0034]
其中,g会作用于散射矩阵的所有元素。ac表示h与v发射通道差异与h 与v接收通道差异之比,可以以目标的互易性为约束求解。a1表示v极化接收 通道与h极化接收通道的差异,a1和c可以以目标的对称性为约束求解。
[0035]
首先,求解ac;根据互易性可以得出目标散射矩阵的交叉通道相等,而ac影 响到测量到的散射矩阵的相对大小,故通过对测量散射矩阵交叉通道做比得到 ac的值。具体为:
[0036]
由目标互易性可知:
[0037]shv
=s
vh
ꢀꢀꢀ
(5)
[0038]
通过(4)式可以知:
[0039][0040]
通过(6)可以看出测量得到的目标交叉极化通道与ac之间有着密切的关系, 可以通过下式求解ac:
[0041][0042]
表示ac的估计值。
[0043]
之后,根据获得的尝试用尝试用以矩阵运算的方式去补偿消除了的散 射矩阵m

,但在实际测试中发现,当选择任意任意对系统测量结 果补偿后,所有对称目标都会恢复对称性。根据cameron在关于对称性的衡量 方法,散射矩阵非对角线元素同时变为其相反数不会影响到散射矩阵的对称性。 这说明是恢复目标互易性与双边对称性的充分条件。所以,在求 解a1和c时,可以采用目标的对称性为约束,求解出的a1和c,具体求解方法为:
[0044]
定义a1和c的估计值为和尝试用估计出的以及任意和补偿系统:
[0045][0046]
因此,以互易性为代价,建立优化函数:
[0047][0048]
其中和表示简化后的系统误差估计结果,ζ(
·
)表示散射矩阵的互易性程 度,i表示第i个目标。其中(9)式是一个典型的优化问题,可以通过遗传算 法求解。遗传算法是一种成熟的全局优化算法,适用于求解(9)式。这样就可 以得到估计出的系统误差:和
[0049]
由于可能等于
±
a1,需要对解模糊。通常,在雷达安装完成之后,a1的 相位波动范围不会发生很大的变化。所以我们可以在实现雷达安装之后测量一 次a1的相位,记为在后续求解出之后,如果的相位与的差的绝对值小 于90
°
,则可以直接使用;如果的相位与的差的绝对值大于90
°
,则认 为发生模糊,需要对对乘-1解模糊。
[0050]
求解出系统误差之后,可以通过矩阵运算求解目标真实的散射矩阵。可以 通过下式补偿系统,得到目标真实的s矩阵:
[0051][0052]
图1(a)给出了暗室测量得到的昆虫对互易性的满足程度,图1(b)给出 了暗室测量得到的昆虫对对称性的满足程度。
[0053]
为了验证前面所述的极化校准方法,利用一部ku频段全极化雷达测量了同 时测量了金属球和空中在6个小时内经过雷达波束的约4万头目标。以每100 头昆虫为一组估计得到了一组和并用每一组系统参数补偿金属球。, 校准后球的幅度不一致性、相位不一致性和隔离度结果如图2。图2(a)、(b) 和(c)分别给出了用昆虫校准球后的s
vv
/s
hh
的幅度和相位,以及隔离度。s
vv
/s
hh
的幅度可以用来衡量校准后的幅度不一致性,s
vv
/s
hh
的相位可以用来衡量校准后 的相位不一致,隔离度指的是校准后的隔离度。幅度不一致越接近于1,相位不 一致越接近于0,隔离度越小表明校准效果越好。通过图2(a)可以看出,幅 度不一致主要分布在1附近,相位不一致主要集中在0度,而隔离度大部分都 小于-25db。
[0054]
本方法对可测量昆虫的全极化雷达均适用,可以自动化的求解系统误差参 数。
[0055]
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,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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