雷达测量昆虫振翅频率、飞行轨迹和朝向信息的实验方法与流程

本发明涉及昆虫雷达实验技术领域，尤其涉及提取昆虫振翅频率、飞行轨迹和朝向信息的实验方法。

背景技术：

农业生产很重要的一个制约因素是虫害。由繁殖和取食等因素造成的昆虫大规模远距离的飞行活动叫做昆虫的迁飞。迁飞是造成病虫害大规模流行和异地爆发的主要原因。

为了深入分析迁飞昆虫生物学和生态学机理，建立病虫害早起精确预警体系，亟待解决3个关键性问题：种类识别、生物通量分析、迁飞轨迹分析。要想准确获知迁飞昆虫的种类、生物通量和迁飞轨迹，必须要准确获取昆虫高空飞行的生物学、行为学及气象学参数，主要参数包括三维朝向、振翅频率、三维航迹、温湿度等。

传统研究手段无法全面获取上述参数。昆虫雷达是一种专门用于监测昆虫迁飞的雷达，它可以获取群体昆虫的数量与速度等信息，预测昆虫迁飞的轨迹。这为研究昆虫的迁飞提供了极大的便利，对于病害虫防治和农业生产有及其重要的意义。

目前已有的昆虫雷达受工作体制、系统功能和指标等因素的限制，还无法获取昆虫个体的生物学参数，而且虫群行为参数与高空气象学参数的获取精度和准确度均较低。为了实现虫害早期精准预警，进一步发展昆虫迁飞理论，新一代的昆虫雷达必须准确实现昆虫种类识别、准确计算昆虫的迁飞轨迹和生物通量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种雷达获取昆虫的振翅频率、飞行轨迹和朝向的实验方法，可以获得昆虫的振翅频率、飞行轨迹和朝向。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

雷达测量昆虫振翅频率、飞行轨迹和朝向信息的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、振翅频率提取实验，具体包括：

S11、在微波暗室里面布置场景：将两根空心的塑料杆竖直放置；每根塑料杆的顶端固定一个带孔的塑料片；将PE鱼线从塑料片的孔穿过，PE鱼线两端分别固定在对应的塑料杆上；

S12、将待测的昆虫用PE鱼线悬挂，再将挂着昆虫的PE鱼线系在两个塑料杆之间的PE鱼线的正中间位置；

S13、驱赶所述昆虫飞行，同时采用雷达在昆虫正下方垂直向上照射，并接收回波；从该回波中提取昆虫的振翅频率；

步骤二、飞行轨迹实验，具体包括：

S21、采用S11中的场景，将待测的昆虫用PE鱼线悬挂，再将挂着昆虫的PE鱼线系在两个塑料杆之间的PE鱼线的正中间位置；

S22、驱赶所述昆虫飞行，同时采用雷达在与昆虫平行的方向照射昆虫，并接收回波；从该回波中提取昆虫的飞行轨迹；

步骤三、提取昆虫朝向实验，具体为：

S31、采用S11中的场景，将待测的昆虫用PE鱼线悬挂，再将挂着昆虫的PE鱼线系在两个塑料杆之间的PE鱼线的正中间位置；

S32、固定昆虫的朝向，采用雷达从昆虫的正下方照射，雷达绕竖直轴匀速旋转360°并采集回波；

S33、将回波中提取的昆虫全极化RCS与对应的雷达旋转角度在极坐标中绘制出来，极化RCS最大值对应的角度即为昆虫身体朝向。

较佳的，在所述步骤一和步骤二中，第一，要求保证昆虫是活的，并可以飞行；第二要保证昆虫自由煽动翅膀，翅膀活动没有障碍；第三，悬挂昆虫所用装置不能掩盖昆虫的雷达回波。

较佳的，选用聚丙烯泡沫塑料粘昆虫，采用PE鱼线悬挂，具体为：用胶水将条状的聚丙烯泡沫塑料的一端粘在昆虫两个翅膀根部的中间位置，将条状聚丙烯泡沫塑料的另一端采用PE鱼线系紧。

较佳的，所述步骤一的振翅频率提取实验中，两根空心的塑料杆距离为10m。

较佳的，所述飞行轨迹实验中，雷达从12m的远处水平照射目标；

较佳的，所述飞行轨迹实验中，两个所述塑料杆的距离为20m。

较佳的，所述昆虫为甘薯天蛾、小地老虎、长喙天蛾或豆天蛾。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明采用雷达获取昆虫的振翅频率、飞行轨迹和朝向，包括实验场景的设计、实验步骤以及实验所用昆虫的获取，获得的实验数据可实现昆虫种类识别、准确计算昆虫的迁飞轨迹和生物通量；本发明的实验装置简单易行，并可模拟昆虫真实飞行情况。

附图说明

图1是振翅频率测量实验场景。

图2(a)是粘虫子实际效果图的侧视图，图2(b)是粘虫子实际效果图的俯视图。

图3是昆虫目标运动轨迹测量实验场景。

图4是昆虫朝向信息获取的实验场景。

图5(a)是甘薯天蛾图片，图5(b)是甘薯天蛾的频谱图。

图6(a)是豆天蛾图片，图6(b)是豆天蛾的频谱图。

图7(a)是长喙天蛾图片，图7(b)是长喙天蛾的频谱图。

图8(a)是小地老虎图片，图8(b)是小地老虎频谱图。

其中，1-塑料杆，2-底座，3-带孔塑料片，4-棉线，5-PE鱼线，6-待测昆虫，7-雷达天线，8-摄像机，9-探照灯。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明是为了用雷达获取昆虫的振翅频率、飞行轨迹和朝向而设计的实验方法，包括实验场景的设计、详细的实验步骤以及实验所用昆虫的获取。

一、振翅频率提取实验

场景布置在微波暗室里面，以减小杂波干扰。图1是实验场景。将两根PVC空心塑料杆1相距10m竖直放置，塑料杆1底部插在铁质底座2固定，塑料杆1高4m。塑料杆1的上部固定一个带孔的塑料片3。PE鱼线5从塑料片3的孔穿过，两端固定在塑料杆1上。为了方便固定，放置PE鱼线5划伤手，PE鱼线5的两端接上棉线4，用于在塑料杆1上固定。待测昆虫6用PE鱼线5悬挂在两个塑料杆1的正中间位置，挂着昆虫的PE鱼线5系在横着的PE鱼线5上。雷达天线7放在昆虫正下方垂直向上照射。

对于振翅频率的实验，为了获得振翅频率，悬挂昆虫时要做到以下几点：第一要保证昆虫是活的，并可以飞行；第二要保证昆虫可以自由煽动翅膀，翅膀活动没有障碍；第三，悬挂昆虫用的物品雷达回波要小，不能掩盖昆虫的雷达回波。为了达到以上几点要求，设计了如下的悬挂方案：选用低回波材料聚丙烯泡沫塑料粘昆虫，然后用PE鱼线5悬挂。用强力胶水将昆虫粘在条状的聚丙烯泡沫塑料的一头上。强力胶水对聚丙烯泡沫塑料有很强的腐蚀性。为了防止腐蚀，在条状聚丙烯泡沫塑料的一头粘上双面胶，将胶水滴在双面胶上。然后将条状的聚丙烯泡沫塑料粘在昆虫的背部，两个翅膀根部的中间位置。最后将条状聚丙烯泡沫塑料的另一头用针穿孔，将PE鱼线5系在上面。根据昆虫的大小，将聚丙烯泡沫塑料粘昆虫的一头切成相应的大小。切割的大小标准是聚丙烯泡沫塑料粘在昆虫的背部后不会粘到昆虫的翅膀根部，不影响昆虫飞行。胶水的用量根据聚丙烯泡沫塑料的大小确定，将聚丙烯泡沫塑料的一头抹均匀即可。用量太少粘不牢昆虫，昆虫会飞走；用量太多会把昆虫翅膀根部粘住，昆虫无法飞行。图2是粘好的虫子实际效果。

很多昆虫悬挂后不飞，给实验测量带来了麻烦。为了让昆虫飞起来，设计了两套方案。方案一是用手轻轻的弹塑料杆1，使昆虫振动起来。对于大部分昆虫，振动后都会飞起来，但是对于一些不喜欢飞的昆虫，方案一没有效果，则采用方案二。方案二是拿一根长杆让昆虫落在长杆的尽头，让昆虫休息一段时候后，突然撤掉长杆。这时候昆虫会飞行，但是持续时间很短，因此撤掉长杆后就要迅速采集数据。为了防止长杆和操作者的回波干扰，撤掉长杆后，操作者迅速蹲在地上，并迅速将长杆水平放在地上。

二、飞行轨迹实验

飞行轨迹实验场景和振翅频率基本一致，不同的地方在于：第一，雷达天线7由从下面垂直向上照射改为了从12m的远处水平照射目标；第二，两个塑料杆1的间距拉大了，变为20m，使两个塑料杆1位于雷达波束之外，防止塑料杆1的强雷达回波掩盖昆虫回波。图3是实验场景示意图。

粘昆虫的方法和振翅频率实验相同。

为了验证雷达测量的运动轨迹的正确性，在采集数据的同时，用摄像机8进行录像。由于微波暗室光线较暗，录像时，手持探照灯9跟踪目标照明。需要注意的是，探照灯9要从侧面照明(与摄像机8的录像方向垂直的方向)，以防止强光照到目标后的墙上，掩盖住目标反射的光。

三、昆虫朝向实验

实验的目的是测量昆虫的朝向。朝向是通过昆虫全极化RCS方向图确定的。所用的S波段雷达发射信号为线极化电磁波，当雷达极化方向与昆虫身体朝向一致时，昆虫的回波最强，即昆虫RCS最大；当雷达极化方向与昆虫身体朝向垂直时，昆虫的回波最弱，即昆虫RCS最小。固定昆虫的朝向，使雷达匀速旋转360°，将昆虫RCS与角度绘制为极坐标形式，将会形成一个‘8’字形。极化最大值方向即为昆虫身体朝向。雷达的旋转是用一个伺服转台控制，转速均匀缓慢，防止雷达天线抖动。

为了获得准确的朝向信息，悬挂昆虫时要做到以下几点：第一要保证昆虫身体水分没有流失(即RCS特性没有改变)，昆虫可以是活的，也可以是刚死不久；第二要保证昆虫保持静止，不会飞动，不会旋转，因为雷达要旋转360°获取昆虫的RCS特性；第三，悬挂昆虫用的物品雷达回波要小，不能掩盖昆虫的雷达回波。为了达到以上几点要求，在测量振翅频率的粘昆虫方法的基础上做了如下改进：用针在聚丙烯泡沫塑料上打孔后，穿两条PE鱼线5。两条PE鱼线5在悬挂时夹角成90°，目的是让昆虫不会旋转。在昆虫的翅膀根部滴少量的胶水，使昆虫的翅膀固定不能煽动。图4是实验场景示意图。

实施例

一、振翅频率测量实验步骤

1.布置场景；

2.调试雷达系统；

3.粘昆虫，并悬挂在PE鱼线5上，调整昆虫的位置，使昆虫在雷达天线7的正上方；

4.雷达开机；

5.昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤6；

6.用手轻弹塑料杆1，最多尝试5次。昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤7；

7.持杆，使昆虫落在杆的尽头休息，3分钟后扯到杆，操作者迅速蹲下，并迅速将杆平放在地上，最多尝试5次。昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤8；

8.雷达关机。换昆虫，跳到步骤3。

9.采集3组昆虫飞行的数据。

10.取下昆虫(包括竖着的PE鱼线5和聚丙烯泡沫塑料)，采集2组空场景的数据。

11.雷达关机。

12.用频闪仪测量昆虫的振翅频率，以验证雷达测振的正确性。

13.用卷尺测量昆虫的体长和体宽，拍照，录制昆虫飞行的视频。

14.记录实验场景的温度和湿度。

二、轨迹测量实验步骤

1.布置场景；

2.调试雷达系统；

3.粘昆虫，并悬挂在PE鱼线5上，调整昆虫的位置，使昆虫在雷达的波束中间；

4.雷达开机；

5.昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤6；

6.用手轻弹塑料杆1，最多尝试5次。昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤7；

7.持杆使昆虫趴在杆的尽头休息，3分钟后扯到杆，操作者迅速蹲下，并将杆迅速平放在地上，最多尝试5次。昆虫在飞，跳到步骤9，否者步骤8；

8.雷达关机。换昆虫，跳到步骤3；

9.用探照灯9对昆虫照明，采集3组昆虫飞行的数据，每次采集数据的同时对昆虫录像；

10.取下昆虫(包括竖着的PE鱼线5和聚丙烯泡沫塑料)，采集2组空场景的数据；

11.将角反射器放在三脚架上，放在原来悬挂昆虫的位置，采集2组数据，并用激光测距仪测量雷达到角反射器的距离；

12.雷达关机。

13.测量昆虫的体长和体宽并拍照，录制昆虫飞行的视频。

14.记录实验场景的温度和湿度。

三、朝向信息获取实验步骤

1.布置场景；

2.调试雷达系统；

3.粘昆虫，并悬挂在PE鱼线5上，调整昆虫的位置，使昆虫在雷达的波束中间；

4.等目标静止后，用激光测距仪测量雷达到目标的距离；

5.雷达开机，启动转台，同时采集数据；

6.雷达保持开机，剪掉昆虫翅膀；

7.启动转台，同时采集数据；

8.取下昆虫(包括竖着的PE鱼线5和聚丙烯泡沫塑料)，采集2组空场景的数据；

9.雷达关机。

10.测量昆虫的体长和体宽并拍照。

11.记录实验场景的温度和湿度。

实验所用的雷达参数如下：

表1雷达参数

实验测量了甘薯天蛾、小地老虎、长喙天蛾、豆天蛾等昆虫的振翅频率。其实拍图片及频谱图分别如图5(a)-图8(b)。频闪仪的结果作为对照，验证雷达测量结果的正确性。实验结果如下：

通过对比可以看到，雷达测量的振翅频率结果和频闪仪测量的振翅频率结果非常接近，精度非常高，说明设计的实验方法可行。

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。