一种基于载波相位微多普勒的振翅频率测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达高精度振动测量技术领域，具体设及一种基于载波相位微多普勒 的振翅频率测量方法。
【背景技术】
[0002] 昆虫雷达通过发射一束电磁波射向空中迁飞的昆虫，虫体（具有与雨滴相似的性 质）引起电磁信号向四周反射，部分反射信号被雷达接收，利用雷达的定向和测距功能，可 W计算出昆虫迁飞的方位、高度、位移和种群密度等参数，可为获取昆虫高空飞行的行为学 参数提供新的研究手段，促使迁飞昆虫学由定性研究发展到定量分析，并对昆虫的迁飞路 线和迁飞规律有更加准确的认知，拓展迁飞昆虫学研究领域的广度和深度。自首次证实雷 达发现的空中未知目标为迁飞性昆虫后，世界各地的昆虫学家们利用昆虫雷达对迁飞性昆 虫开展了广泛研究。昆虫雷达的发展主要经历了两个阶段，第一阶段是主要应用于宏观虫 群迁飞现象观测，第二阶段则是实现了对虫群飞行高度、种群密度、位移方向、位移速率等 行为参数的提取。
[0003] 迁飞是昆虫在长期进化中对环境变化做出的适应性策略，W确保其种群繁衍得W 维持。为了明确空中昆虫群落结构，昆虫种类/种间的物种关系、害虫与天敌的协同进化关 系等问题，并深入分析迁飞昆虫生物学和生态学机理与建立虫害早期精准预警体系，种类 辨识是一个亟待解决的关键性难题。要想准确获知迁飞昆虫的种类，必须准确获取昆虫高 空飞行的生物学参数，如振翅频率等。迁飞性昆虫具有体型小、夜间高空飞行等特点，在迁 飞状态下，传统研究手段均无法准确获取昆虫的振翅频率，因而不能自动判断空中虫群的 群落结构。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于载波相位微多普勒的振翅频率测量方 法，该方法使用雷达对迁飞昆虫观测，然后基于载波相位多普勒调制理论对雷达回波进行 分析，从而精确得到目标昆虫的振翅频率。
[0005] -种基于微波的昆虫振翅频率的测量方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一，利用高分辨波形处理技术处理雷达回波，实现一维高分辨成像，从而将昆 虫和其它目标在距离上区分开。
[0007] 步骤二，针对多帖一维高分辨成像进行积累，提高昆虫目标图像的SNR(信噪比）， 然后针对积累的结果估测昆虫与雷达的距离，根据所述距离从一维距离像中找出对应昆虫 的峰值，从而确定昆虫所在的距离单元。
[000引步骤三由于在短暂的积累时间内，昆虫飞不出一个距离单元，因此可按照上一步 中确定的距离单元沿慢时间提取昆虫回波。
[0009] 步骤四，从昆虫的回波中去除虫体的回波，得到翅膀的回波，具体如下：
[0010] 当昆虫翅膀振幅与雷达波长的比值A/λ较大时，将所述回波减去回波的均值，获 得翅膀的回波；
[0011] 当昆虫翅膀振幅与雷达波长的比值A/λ较小时，基于最小二乘法拟合出所述回 波中旋转向量的扇形轨迹所在的圆，将所述回波减去该圆的圆屯、代表的向量，获得翅膀的 回波。
[0012] 步骤五，提取出昆虫翅膀回波的相位。
[0013] 步骤六，利用傅里叶分析得到昆虫翅膀回波的相位频谱和差分相位频谱，对比分 析得到昆虫的振翅频率。
[0014] 本发明具有如下有益效果：
[0015] 本发明是一种基于微波的昆虫振翅频率测量方法，为精确测量高空迁飞昆虫的振 翅频率提供了一种有效的手段。有利于明确空中昆虫群落结构，昆虫种类/种间的物种关 系、害虫与天敌的协同进化关系等问题，从而深入分析迁飞昆虫生物学和生态学机理并建 立虫害早期精准预警体系。
【附图说明】
[0016] 图1为昆虫回波的向量表示。
[0017] 图2为昆虫振翅幅度与雷达波长比值不同时雷达回波的实部虚部表示；其中图 2(a)中比值为0.5,图2化）中比值为0.125。
[001引图3为利用该算法提取昆虫振翅频率的流程。
[0019] 图4为实验场景示意图；其中图4(a)几何结构图，图4(b)为粘贴在泡沫上的昆 虫。
[0020] 图5为实验场景图。
[0021] 图6为银纹夜蛾的外观和雷达测量所得的频谱图；其中图6(a)为银纹夜蛾的外 观，图6(b)为翅膀回波的相位频谱，图6(c)为翅膀回波的差分相位频谱。
[0022] 图7为Ξ角璃尺蛾的外观和雷达测量所得的频谱图；其中图7(a)为Ξ角璃尺蛾的 外观，图7(b)为翅膀回波的相位频谱，图7(c)为翅膀回波的差分相位频谱。
[0023] 图8为枯叶夜蛾的外观和雷达测量所得的频谱图；其中图8(a)为枯叶夜蛾的外 观，图8(b)为翅膀回波的相位频谱，图8(c)为翅膀回波的差分相位频谱。
[0024] 图9为小地老虎的外观和雷达测量所得的频谱图；其中图9(a)为小地老虎的外 观，图9(b)为翅膀回波的相位频谱，图9(c)为翅膀回波的差分相位频谱。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0026] W雷达发射脉冲体制的线性调频宽带波形为例，其发射波形可写为：
[0027] StU) =cos(2π村+πrt2+φ〇) (1)
[0028] 其中，f。为信号载频，r为线性调频信号的调频率，Φ。为发射信号的初相。经垂直 飞过雷达波束的昆虫调制和中频处理后，回波信号变为：
[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冷别为昆虫虫体和翅膀的散射幅度，η代表信号脉冲，Φ1和Φ期 为信号残留相位，τ'。和τ"。代表昆虫虫体和翅膀的回波延时：
[003引其中，C为光速，Rb(T'。)、斬（τ"。）分别代表昆虫虫体和翅膀与雷达的距离。然 后利用脉冲压缩技术可实现距离高分辨，脉冲压缩后的信号可表示为：
[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] 考虑到雷达分辨率不足W分辨出昆虫虫体和翅膀，而且sine函数具有冲击特性， 在下面的分析中将忽略其影响，且可将τ'。和τ"。看作τ。，然后将式（5)进行重新整 合：
[0040]
[00川其中，入为雷达波长，Rb(τη)和斬（Τη)可写为：
[0042] Rb(τη) =Rci+vτη=Rci+vnT (7)
[004引 Rw(τη) = Rc2+vτn+A