一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法

1.本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法。


背景技术：

2.昆虫雷达是用于昆虫迁飞监测的重要工具。昆虫雷达可以通过回波获取飞过其波束昆虫的质量，体长，体轴朝向等参数。根据这些参数，我们可以判断昆虫的种类，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。现存的大多数利用雷达反演昆虫体长体重的方法都是根据极化信息得到的。
4.传统的昆虫参数反演方法都是根据绝对的极化信息反演昆虫体长体重。但是，当昆虫目标偏离波束时，全极化昆虫雷达获取的目标回波将变弱，如图2所示，这会导致反演结果偏离真实的昆虫参数。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法，可以避免由于昆虫偏离波束时产生的反演参数误差较大的情况，提高昆虫参数测量精度。这有助于研究昆虫的种类，分析不同昆虫迁飞特点并预警病虫害爆发。
6.一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法，设定昆虫目标的朝向为θ，获得的雷达散射矩阵在朝向为θ时散射矩阵任意两通道的比值，作为反演昆虫体长和体重的参数；按照上述方法获得每个昆虫目标在朝向为θ时的参数，并拟合反演所述参数与昆虫的体长和体重之间的关系；在实际测量时，根据所述参数和反演关系，获得昆虫的体重和体长。
7.较佳地，当θ＝0
°
时，取s
hh
/s
vv
作为反演昆虫体长和体重的参数，其中s
hh
和s
vv
代表测量目标散射矩阵hh通道元素和vv通道元素。
8.较佳地，当θ＝90
°
时，取s
vv
/s
hh
作为反演昆虫体长和体重的参数，其中s
hh
和s
vv
代表测量目标散射矩阵hh通道元素和vv通道元素。
9.较佳地，当θ的角度既不与h极化方向平行，也不与v极化方向平行，则取散射矩阵任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数。
10.较佳地，拟合反演所述参数与昆虫的体长和体重之间的关系的具体方法为：
11.根据所获得的参数，获得该参数对应的相位和幅度，最终拟合出昆虫的体重和体长与所述参数的幅度和相位之间的关系。
12.较佳地，采用最小二乘法拟合昆虫的体重和体长与所述参数的幅度和相位之间的关系。
13.有益效果
14.1、本发明通过分析影响昆虫目标偏离波束时对雷达测量结果的影响，发现各通道的测量结果均会受到影响。为此将获得的雷达散射矩阵进行拆分，表达为真实目标散射矩
阵与目标偏离波束中心对测量结果影响的乘积的形式；之后为了消除该影响，取任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演，这样就可以通过比值对消的方式，将测量结果带来的影响消除，进而获得更为精确的辨别能力，为精确辨别昆虫种类，准确测量所有体型昆虫的体长体重提供了一种有效的手段。
15.2、根据实验发现，取θ＝0
°
时，因为交叉通道s
vh
和s
hv
的结果为0，所有信息都集中在s
hh
和s
vv
上，信息使用率更高，所以此时取s
vv
/s
hh
作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演的效果最好，结果最为精准。
16.3、根据实验发现，取θ＝90
°
时，因为交叉通道s
vh
和s
hv
的结果为0，所有信息都集中在s
hh
和s
vv
上，信息使用率更高s
vv
/s
hh
；同时由于在雷达极化坐标系中h极化和v极化互相垂直，所以θ＝0
°
时和θ＝90
°
时的两特征值对调，故此时取s
vv
/s
hh
作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演的效果最好，结果最为精准。
17.4、当θ的角度既不与h极化方向平行，也不与v极化方向平行时，因为所有散射矩阵通道均存在数值，所以选取任意两个通道求其比值，达到将受到的影响消除的目的即可。这样一来，在任意角度均可通过反演拟合获得昆虫的体重和体长。
18.5、通过拟合反演，获得所述参数与昆虫的体长和体重之间的关系。这样在真实环境测量使用时，即可根据雷达散射矩阵在朝向为θ时散射矩阵任意两通道的比值，利用获得关系，快速获得昆虫的体重和体长，不仅能够节省时间，测量精度也更为精准。
附图说明
19.图1为全极化雷达测量昆虫示意图。
20.图2(a)和图2(b)为目标从3db波束边缘穿过雷达时，现有的a0方法和v方法基于绝对的极化信息的昆虫体重误差反演方法的误差。
21.图3(a)和图3(b)分别为16.2ghz频段昆虫体长体重分布和相对散射特性的关系。
22.图4为本发明流程图。
具体实施方式
23.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。
24.本发明提供了一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法，如图4所示，其基本思想是，通过分析影响昆虫目标偏离波束时对雷达测量结果的影响，发现各通道的测量结果均会受到影响。为此将获得的雷达散射矩阵进行拆分，表达为真实目标散射矩阵与目标偏离波束中心对测量结果影响的乘积的形式；之后为了消除该影响，发现取任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数，这样就可以通过比值对消的方式，将测量结果带来的影响消除，即：取任意两通道的比值，计算该比值的幅度和相位，最终拟合出昆虫的体重和体长与所述比值的幅度和相位之间的关系。
25.由于雷达在实际测量时，昆虫目标的朝向各不相同，为此需要将各昆虫目标的朝向进行统一，定义目标的朝向为θ。根据实验发现，取θ＝0
°
或θ＝90
°
时，因为交叉通道s
vh
和s
hv
的结果为0，所有信息都集中在s
hh
和s
vv
上，信息使用率更高，所以此时取s
hh
/s
vv
(θ＝0
°
)或s
vv
/s
hh
(θ＝90
°
)作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演的效果最好，结果最为精准。故此实施例以θ＝0
°
为例进行说明。
26.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述，具体思路如下：
27.设雷达测量到的昆虫散射矩阵(sm)为：
[0028][0029]sij
(i,j＝h,v)表示为测量目标散射矩阵各个通道的元素。s'
ij
(i,j＝h,v)表示为去除目标偏离波束中心影响后，实际目标散射矩阵各个通道的元素。g表示目标偏离波束中心对测量到的昆虫散射矩阵的影响。定义目标的朝向为θ，现存很多方法都可以求解θ，这里给出其中一种定义：
[0030][0031]
其中re[
·
]表示取复数的实部，根据目标朝向，可以通过矩阵旋转得到目标朝向为0时的散射矩阵：
[0032][0033]
把(1)带入(3)式可得：
[0034][0035]
之后利用公式(4)，取任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数，但由于本实施例以θ＝0
°
为例进行说明，交叉通道的结果为0，所有信息都集中在s
hh
和s
vv
上，而取0度时散射矩阵的两对角线元素可以看出s
hh
和s
vv
受g的影响相同，所以可以通过两者求比，消去g的影响。也就是说与g无关，只与目标自身散射特性相关。
[0036]
所以基于上述思路，本发明的具体实现方式为：
[0037]
取s
hh
/s
vv
作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演。可以计算s
hh
/s
vv
的相位和幅度：
[0038]
δφ＝phase(s
hh
/s
vv
),δφ∈(-π，π]
ꢀꢀ
(5)
[0039]
δamp＝lg(s
hh
)-lg(s
vv
)
ꢀꢀ
(6)
[0040]
因为s
hh
/s
vv
与g无关，所以δφ和δamp与g无关，所以这两个量不受到目标偏离波束中心的影响。但如果采用现有技术来计算的话，直接取散射矩阵中任意通道的元素作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演，不对影响要素进行消除，那么当目标偏离波束中心时s
hh
和s
vv
则会不同程度偏小，导致测量结果不准确。
[0041]
把带入(5)和(6)式：
[0042][0043][0044]
和是与目标散射特性相关的量，取决于目标的物理形状。所以δφ和δ
amp与目标的物理形状也是相关的。
[0045]
最后，可以利用公开昆虫数据集拟合昆虫体长与体重与δφ和δamp的关系。拟合形式如下：
[0046]
lg(m)＝x
11
+x
12
δφ+x
13
δφ2+x
14
δamp+x
15
δamp2+x
16
δampδφ
ꢀꢀꢀ
(9)
[0047]
l＝x
21
+x
22
δφ+x
23
δφ2+x
24
δamp+x
25
δamp2+x
26
δampδφ
ꢀꢀ
(10)
[0048]
其中lg(m)代表体重，l代表体长，需要估计的参数为：
[0049]
x
11
,x
12
,x
13
,x
14
,x
15
,x
16
,x
21
,x
22
,x
23
,x
24
,x
25
,x
26
。
[0050]
可以根据公开数据集中的昆虫散射矩阵计算所有昆虫的幅度差和相位差，并通过最小二乘方法回归计算上述参数。
[0051]
需要说明的是，本实施例仅以θ＝0
°
为例进行说明，若θ的取值不等于0度或90度等平行于h极化或v极化方向时，可以选取散射通道任意两个通道的比值作为参数进行拟合和反演。
[0052]
在真实环境测量使用时，即可根据雷达散射矩阵在朝向为θ时散射矩阵任意两通道的比值，利用获得关系，快速获得昆虫的体重和体长，不仅能够节省时间，测量精度也更为精准。
[0053]
图1给出了目标从雷达波束边缘穿过的示意图。目标从波束中心穿过时，获取的目标sm的大小与预期相符合，但雷达从波束边缘穿过时，sm偏小。则用绝对的sm估计出的昆虫体型参数也会出现误差。
[0054]
图2给出了仿真中部分利用绝对的sm反演昆虫体长体重会出现的误差大小。仿真过程中假设，目标从雷达3db波束边缘穿过。
[0055]
图2(a)和图2(b)分别是a0方法和v方法。其中图2(a)横轴为a0的数值，纵轴为对应a0的体重测量相对误差；其中图2(b)横轴为v的数值，纵轴为对应v的体重测量相对误差。
[0056]
图3(a)和图3(b)给出了16.2ghz时，200mg以下昆虫目标体重，体长与幅度差，相位差的关系。图中平面为通过公式：
[0057]
lg(m)＝x11+x12δφ+x13δφ2+x14δamp+x15δamp2+x16δampδφ
[0058]
l＝x21+x22δφ+x23δφ2+x24δamp+x25δamp2+x26δampδφ
[0059]
画出来的体重、体长与幅度差、相位差的对应平面，图中散点为通过公开数据集中的记录画出的昆虫目标体重、体长与幅度差、相位差的对应散点。
[0060]
可以看出，它们之间存在着明显的相对大小关系。采用本发明所述的基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法的误差在16.2ghz频段体重小于15％，体长小于10％。
[0061]
本方法适用于ku频段体重小于200mg的昆虫体型参数反演，可以解决目标不在波束中的问题。
[0062]
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。

技术特征：
1.一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法，其特征在于：设定昆虫目标的朝向为θ，获得的雷达散射矩阵在朝向为θ时散射矩阵任意两通道的比值，作为反演昆虫体长和体重的参数；按照上述方法获得每个昆虫目标在朝向为θ时的参数，并拟合反演所述参数与昆虫的体长和体重之间的关系；在实际测量时，根据所述参数和反演关系，获得昆虫的体重和体长。2.如权利要求1所述的反演方法，其特征在于：当θ＝0o时，取s
hh
/s
vv
作为反演昆虫体长和体重的参数，其中s
hh
和s
vv
代表测量目标散射矩阵hh通道元素和vv通道元素。3.如权利要求1所述的反演方法，其特征在于：当θ＝90o时，取s
vv
/s
hh
作为反演昆虫体长和体重的参数，其中s
hh
和s
vv
代表测量目标散射矩阵hh通道元素和vv通道元素。4.如权利要求1所述的反演方法，其特征在于：当θ的角度既不与h极化方向平行，也不与v极化方向平行，则取散射矩阵任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数。5.如权利要求1或2或3或4所述的反演方法，其特征在于：拟合反演所述参数与昆虫的体长和体重之间的关系的具体方法为：根据所获得的参数，获得该参数对应的相位和幅度，最终拟合出昆虫的体重和体长与所述参数的幅度和相位之间的关系。6.如权利要求5所述的反演方法，其特征在于：采用最小二乘法拟合昆虫的体重和体长与所述参数的幅度和相位之间的关系。

技术总结
本发明公开了一种基于相对极化信息的昆虫雷达参数反演方法，通过分析影响昆虫目标偏离波束时对雷达测量结果的影响，将获得的雷达散射矩阵进行拆分，表达为真实目标散射矩阵与目标偏离波束中心对测量结果影响的乘积的形式；为消除该影响，取任意两通道的比值作为反演昆虫体长和体重的参数进行反演，即通过比值对消的方式，将测量结果带来的影响消除，进而获得更为精确的辨别能力，为精确辨别昆虫种类，准确测量所有体型昆虫的体长体重提供了一种有效的手段。种有效的手段。种有效的手段。


技术研发人员：王锐 李沐阳 李卫东 胡程
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/7/12