一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法，利用旋转对称介质椭球对昆虫进行瑞利区散射建模，并通过至少两部雷达测得昆虫的三维体轴指向、体长和体宽等生物学参数，基于此可以进一步反演昆虫的质量和体长体宽比，该方法所能获得的信息量与传统的昆虫雷达尺寸反演方法相比大大增加，因此也增强了昆虫雷达对昆虫种类识别的能力。
【专利说明】
一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于昆虫雷达技术领域，具体涉及一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺 寸测量方法。
【背景技术】
[0002] 昆虫雷达通过发射一束电磁波射向空中迀飞的昆虫，昆虫身体(具有与雨滴相似 的性质)会引起电磁信号向四周反射，部分反射信号回到雷达所在方向被雷达接收，利用雷 达的定向和测距性质，可以计算出昆虫迀飞的方位、高度、移动方向和密度等参数，为获取 昆虫高空飞行的行为学参数提供了全新的研究手段，促使了迀飞昆虫学由定性研究到定量 分析的跨越式发展，对昆虫的迀飞路线和迀飞规律有了新认识，拓展了迀飞昆虫学研究领 域的广度和深度。目前美国、澳大利亚和英国都拥有了自己的昆虫雷达系统，我国也在山 东、河南、辽宁等多处配置了昆虫雷达系统。
[0003] 传统昆虫雷达受工作体制、系统功能、算法和指标等因素的限制，无法准确获取昆 虫生物学参数。通常只能将雷达测量得到的昆虫雷达散射截面积与经验值相比较，从而推 算出昆虫的质量，并进一步根据质量反演体型或进行分类。由于昆虫即使种类相同，个体质 量差异也较为明显，因此仅仅通过质量进行分类存在较大的模糊性，只能在大类上对昆虫 进行区分。除质量外，实际上昆虫的尺寸还包括体长体宽比，这在不同种类的昆虫间也存在 明显差异，如果能同时测得昆虫的体长体宽比和质量，则可以大大提高昆虫雷达对昆虫种 类识别的精度。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方 法，可以利用旋转对称介质椭球对昆虫进行瑞利区散射建模，并通过至少2部雷达测得昆虫 的三维体轴指向、体长和体宽等生物学参数，对昆虫雷达目标识别与分类具有重要意义。
[0005] -种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一、采用至少2部雷达，从不同角度观测昆虫，获得昆虫的三维体轴指向：
[0007]第i部雷达观测到的昆虫全极化散射矩阵为：
[0008] 。:如」 （.4.)
[0009] 其中，i = l，2, ...，M，M表示雷达的数量;5^为水平极化分量，乾,为垂直极化分量， 和尤，为交叉极化分量；
[0010] 对旋转对称形体昆虫有次v =笔《,则昆虫体轴投影与第i部雷达水平极化方向的夹 角ai由下式给出：
[0012] 其中y i表示叉和&之间的相位差池表示兄和&之间的相位差；
[0013] 昆虫体轴的垂面与雷达极化平面的相交线的单位方向矢量写为：
[0014] 砵=/?, sin a,, cos鳥 （()）
[0015] 其中，&表示雷达水平极化方向矢量，$表示雷达垂直极化方向矢量；
[0016] 则昆虫体轴单位方向矢量I的反演公式为：
[0018] 其中，f、#和J分别表示全局直角坐标系下沿各个坐标轴的单位矢量，ex、edPe z 分别表示.纟.在各个坐标轴上投影分量的大小，"X"表示三维矢量叉乘运算；
[0019] 则昆虫体轴指向的方位角供'俯仰角9表示为：
[0022]步骤二，获得昆虫体长和体宽之比：
[0023] 求得第i部雷达局部坐标系下的昆虫体轴与该部雷达视线的夹角01:
[0024] 0 = m'cxos (f (4 x !：',))(())
[0025]则雷达最大接收极化强度为：
[0027]贝ijM部雷达的测量得到的接收极化强度Smaxl ,Smax2 , . . . , SmaxM^^/jN :
[0030] k = 2VA表示波数，A为波长，er是昆虫身体的复相对介电常数，V = 4V3 ? ab2为昆 虫体积，a为昆虫体长的一半，b为昆虫体宽的一半，Li，L2是由昆虫体长与体宽之比决定的参 数，表示为：
[0034]对（11)式进行矩阵求伪逆则解得又由于L^a-LO/2,基于（12)式将1^解 出：
[0036] 其中Li由b/a唯一确定；
[0037] 将0:代入（11)和（12)式，得到昆虫体长和体宽之比a/b:
[0039 ]步骤三，获得昆虫体长、体宽、体积和质量：
[0040] 将昆虫体长和体宽之比a/b代入(2)式：
[0042]则得到昆虫体积：
[0044]昆虫体长2a和体宽2b分别通过下式计算：
[0047] 昆虫密度P通过实验测量获得，其质量m为：
[0048] m = pV (16)。
[0049] 本发明具有如下有益效果：
[0050] 本发明的一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法，该方法可以同时测 得昆虫的三维体轴指向、体长和体宽，基于此可以进一步反演昆虫的质量和体长体宽比，该 方法所能获得的信息量与传统的昆虫雷达尺寸反演方法相比大大增加，因此也增强了昆虫 雷达对昆虫种类识别的能力。
【附图说明】
[0051 ]图1为三部昆虫雷达多角度观测几何示意图。
[0052]图2为单部雷达对昆虫观测模型。
[0053]图3为雷达观测昆虫身体散射强度图。
[0054]图4为三部雷达多角度观测昆虫矢量示意图。
[0055] 图5为全极化极值比与体轴比曲线关系。
[0056] 图6为昆虫目标CST模型。
[0057] 图7为仿真多角度观测昆虫几何关系。
[0058]图8为雷达1多波段极化方向图比较结果。
[0059] 图9为雷达2多波段极化方向图比较结果。
[0060] 图10为雷达3多波段极化方向图比较结果。
【具体实施方式】
[0061] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0062] 对于典型高空迀飞昆虫，如稻飞虱(体长2.7~3.5mm)和姐虫（1.5~4.9mm)，X和Ku 波段的波长是体长的五倍以上，因此可以认为其散射处于瑞利区。以旋转对称介质椭球模 型对昆虫建模，并基于旋转对称介质椭球模型在瑞利区的散射公式进行朝向和尺寸反演。
[0063] 三部雷达从不同角度观测昆虫，如图1所示。设昆虫体轴指向在全局坐标系下的方 位角P、俯仰角0，体轴的单位方向矢量表示为：
[0064] e = "j = [cos f>sin sin^siti：^ cos ^]7"
[0065] 如图2所示，设昆虫体轴在第i部雷达的视线坐标系下与雷达视线方向矢量_夹角 为9i，昆虫体轴在雷达天线极化接收平面& -o-g内的投影与雷达水平极化方向矢量卷的 夹角为ai，雷达垂直极化方向矢量表示为兮。
[0066] 对昆虫散射用旋转对称介质椭球在瑞利区的散射模型进行模拟。根据该模型，单 部雷达观测飞行昆虫时，雷达接收到昆虫体散射强度随雷达极化变化呈哑铃型曲线，如图3 所示。最大接收极化方向沿昆虫体轴在极化平面内的投影方向，最小接收极化方向垂直于 体轴在极化平面内的投影方向。
[0067] 对第i部雷达，其最大接收极化强度为：
[0069]其中k = 23i/A表示波数，A为波长，er是昆虫身体（与水近似）的复相对介电常数，V = 4V3 ? ab2为椭球体积，a为椭球半长轴长度（即昆虫体长的一半），b为椭球半短轴长度 (即昆虫体宽的一半）山丄 2是仅仅由椭球长轴短轴比a/b(即昆虫体长体宽比)决定的参数， 表示为：
[0073] 因此，本发明提供了一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸反演方法，包括如 下步骤。
[0074] 步骤一，采用至少2部雷达，从不同角度观测昆虫，获得昆虫的三维体轴指向：
[0075] 由图3已知，昆虫体轴在极化平面内投影方向与雷达最大极化接收方向重合。而雷 达最大极化接收方向可由雷达全极化散射矩阵反演。
[0076] 第i部雷达观测到的昆虫全极化散射矩阵为： r ^ s「5； 4"!
[0077] ?f = （4)
[0078] 笔,为水平极化分量，St为垂直极化分量，Si.和笔1为交叉极化分量；
[0079] 对旋转对称形体昆虫有& 则昆虫体轴投影与雷达水平极化方向的夹角h 由下式给出：
[0081] 其中p表示&和4之间的相位差，机表示兄.和4之间的相位差。
[0082] 利用空间几何关系，容易给出昆虫体轴的垂面与雷达极化平面的相交线的单位方 向矢量写为：
[0083] 4 = sina, -0. cos? (g)
[0084] 根据矢量叉乘法则，昆虫体轴单位方向矢量I的反演公式为：
[0086] 其中，I、j、i分别表示全局直角坐标系下沿各个坐标轴的单位矢量，ex、e y、ez 分别表示_1在各个坐标轴上投影分量的大小;M表示雷达的数量，"X"表示三维矢量叉乘运 算，几何关系如图4。
[0087] 则体轴指向的方位角穸、俯仰角0可以表示为：
[0090] 步骤二，获得昆虫体长和体宽之比：
[0091] 在通过三维朝向反演获得了昆虫体轴在全局坐标系下的参数(叹巧后，可以求得 第i部雷达局部坐标系下的昆虫体轴与该部雷达视线的夹角9i:
[0092] 3 x 化))⑶
[0093] 假设该部雷达全极化测量得到的极化响应矩阵如（4)式，旋转对称形体昆虫有 霉v ,则雷达最大接收极化强度可计算为：
[0095]根据(2)式可知M部雷达的测量得到的接收极化强度Smaxl ,Smax2 , , SmaxM可"以 为：
?，对（11)式进行矩阵求伪 逆可以解得&，&，又1^ = (1七)/2,这样可以基于下式将L1解出：
[0099]其中1^由13/&唯一确定，该函数关系可用二次函数近似，如（12)式所示。将0:作为已 知参数代入（11)(12)式，昆虫体长和体宽之比a/b可用U的二次函数近似反演，对图5中曲 线即为：
[0101] 步骤三，获得昆虫体长、体宽、体积和质量：
[0102] 这样将a/b代入(2)式，昆虫体积V可以通过下式计算：
[0104] 昆虫体长2a和体宽2b可通过下式计算：
[0107] 昆虫密度P通过实验测量获得，其质量m也可以求得：
[0108] m = pV (16)
[0109] 实施例：
[0110]利用CST仿真结果与理论公式计算结果进行比较，验证建模精度和参数反演效果， 仿真器为矩量法。以旋转对称介质椭球模型对昆虫建模，典型迀飞昆虫(如飞虱)半轴长为a =1.5111111々=0.5111111，031'仿真模型如图6所示。
[0111] 三部雷达坐标分别为(500，0,0)、（0，500，0)、（-500，0,0)，昆虫坐标为（100，100，） 9,0单0位为米，昆虫体轴朝向在全局坐标系内的角参数为9 = 60°，少=30 ,几何关系示意如 图7。
[0112] 给出CST仿真的三部雷达的全极化RCS方向图（红色虚线)和根据全极化RCS公式计 算得到的全极化RCS方向图（蓝色实线)比较，如图8~图10所示。
[0113] 采用本发明所述的一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸反演方法，完成该参 数下的昆虫尺寸反演仿真，具体流程如下：
[0114] 步骤一，根据极化散射矩阵进行三维体轴朝向反演
[0115] 利用前述尺寸反演方法，将CST仿真的全极化散射数据代入(5)式可以分别计算得 到" =25.0372, a2 = 42.3937, a3 = 45.6855,单位为度。将(^，(^，的代入（6)式可以解得 .為=-0.42:3:戚+ 〇_LX)60夕，=_〇.4232i + 0.906QP，為=办7.15.5无+'0.:6986,.。将di，d2，d3代入 (7 )式可以解得 P = 0.749K + ().4324j + 0.5009f。将 g 代入（8 )式可以解得 0 = 5 9 ? 9 4， 妒=29.97,单位为度。
[0116] 步骤二，将0，俨代入（9)式可以解得0! = 78 ? 7399，0 2 = 69 ? 1841，03 = 29.7292,单位为度；根据CST仿真数据可以解得=^/l〇mcxpg342.463;z/180)， =^l\〇~h95：' exp(j342.681 k/\80) , 5lllllx，-^l(rs ls4 exp(j351 .623,t/I80);将01，92，03 和Smaxl，Smax2，Smax3代入（11)式可以解得&/& = 4 ? 7745-0 ? 8806 j ;将&/&和水的介电常数er = 49.942637-36.510517 j代入（12)式可以解得1^ = 0.0808;将1^代入（13)式可以解得体长 体宽比 a/b = 3.8401。
[0117] 步骤三，将a/b代入（14)式可以解得昆虫体积V=l.3085X 10-9m3,进而根据（15)式 可以解得体长为3.32mm，体宽为0.86mm，假定昆虫密度与水相当，则反演得到的质量约为 1.31mg〇
[0118] 基于上述仿真结果可以得到以下结论：
[0119] 无论是CST仿真结果还是计算结果，RCS最大值方向都和体轴方向重合，并且可以 较好反演体轴的三维朝向和尺寸。
[0120]通过仿真结果可以看出利用这种基于解析散射建模方法的高效性和有效性。利用 本方法可以实现昆虫雷达的目标尺寸反演。
[0121]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。
【主权项】
1. 一种基于瑞利区解析散射建模的昆虫尺寸测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、采用至少2部雷达，从不同角度观测昆虫，获得昆虫的三维体轴指向： 第i部雷达观测到的昆虫全极化散射矩阵为：其中，i = l，2,. . .，M，M表示雷达的数量为水平极化分量，兄.为垂直极化分量，.和 为交叉极化分量； 对旋转对称形体昆虫有*^ ，则昆虫体轴投影与第i部雷达水平极化方向的夹角αι 由下式给出：其中γ:表示忍和私之间的相位差，机表示4和笔之间的相位差； 昆虫体轴的垂面与雷达极化平面的相交线的单位方向矢量為写为： d：i - h sin af -v. eos at ( g) 其中，4表示雷达水平极化方向矢量λ表示雷达垂直极化方向矢量； 则昆虫体轴单位方向矢量?的反演公式为：其中，;f、和i分别表示全局直角坐标系下沿各个坐标轴的单位矢量，ex、ey和ez分别 表示纟在各个坐标轴上投影分量的大小，"X"表示三维矢量叉乘运算； 则昆虫体轴指向的方位角辦Μ府仰角θ表示为：步骤二，获得昆虫体长和体宽之比： 求得第i部雷达局部坐标系下的昆虫体轴与该部雷达视线的夹角0i: 6>，arccos(i.(/(x〔:)j ⑨ 则雷达最大接收极化强度为：贝1JM部雷达的测量得到的接收极化强度Smaxl，Smax2,...，SmaxM表示为：k = 2VA表示波数，λ为波长，er是昆虫身体的复相对介电常数，V = 4V3 · ab2为昆虫体 积，a为昆虫体长的一半，b为昆虫体宽的一半，Li，L2是由昆虫体长与体宽之比决定的参数， 表示为：对(11)式进行矩阵求伪逆则解得&，&，又由于L2=(l-L〇/2,基于（12)式将U解出：其中Li由b/a唯一确定； 将01代入(11)和（12)式，得到昆虫体长和体宽之比a/b:步骤三，获得昆虫体长、体宽、体积和质量： 将昆虫体长和体宽之比a/b代入(2)式：则得到昆虫体积：昆虫体长2a和体宽2b分别通过下式计算：昆虫密度P通过实验测量获得，其质量m为： m=pV (16) 〇
【文档编号】G01S13/88GK105928448SQ201610239282
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】龙腾, 胡程, 刘长江, 曾涛, 王锐
【申请人】北京理工大学